基于小野FP-2140HA流量計(jì)的車輛油耗采集系統(tǒng)

姚 強(qiáng)，端方勇，祖萬(wàn)里

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230091）

21世紀(jì)以來中國(guó)汽車保有量不斷攀升，截止2020年末全國(guó)民用汽車保有量28087萬(wàn)輛［1］，能源短缺、霧霾污染等問題日益凸顯。為緩解這一系列問題，國(guó)家相關(guān)部委對(duì)汽車制造企業(yè)生產(chǎn)車輛的平均油耗管控日趨嚴(yán)格，并制定了《GB/T 19233-2020輕型汽車燃油消耗量試驗(yàn)方法》。

在汽車消費(fèi)市場(chǎng)，車輛的燃油消耗值逐漸成為消費(fèi)者在購(gòu)車時(shí)考慮的重要因素之一，在客戶日常使用過程中燃油消耗量大時(shí)常會(huì)引起客戶強(qiáng)烈的抱怨，因此汽車生產(chǎn)企業(yè)在車輛出廠前會(huì)進(jìn)行一系列的燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試。

目前，測(cè)量汽車的燃油消耗一般采用碳平衡法利用排放分析儀間接測(cè)試或者通過流量計(jì)（質(zhì)量式或體積式）串聯(lián)于汽車油路中直接測(cè)試。小野公司生產(chǎn)的FP-2140HA體積式流量計(jì)作為一種便攜式油耗測(cè)試設(shè)備，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)的燃油消耗測(cè)試中。

1 小野FP-2140HA流量計(jì)介紹

FP-2140HA流量計(jì)（圖1）為日本小野公司生產(chǎn)的一款體積式流量計(jì)，其量程廣、精度高、響應(yīng)快、重復(fù)性好、有可逆補(bǔ)償裝置，即使在脈流及逆流時(shí)也能保證高精度測(cè)試，且結(jié)構(gòu)安全、可靠，能直接裝在汽車上長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)試使用，被眾多汽車廠商廣泛應(yīng)用。其參數(shù)及原理見表1。

圖1 FP-2140HA流量計(jì)

表1 FP-2140HA流量計(jì)參數(shù)

圖2為小野流量計(jì)原理，流量計(jì)分為上下兩部分。下部：流量/轉(zhuǎn)速變換部。它由4個(gè)呈輻射狀的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再帶動(dòng)曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，流體依次從活塞流入、流出，使流量轉(zhuǎn)變成曲軸的轉(zhuǎn)速。上部：轉(zhuǎn)速/脈沖信號(hào)變換部。曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過磁性聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，就把轉(zhuǎn)速變換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)。通過信號(hào)端子，把該脈沖信號(hào)送到DF、FM系列運(yùn)算顯示儀中，顯示出瞬間或累計(jì)流量。

在使用過程中將FP-2140HA流量計(jì)接入車輛油路中，并將流量計(jì)信號(hào)接入到小野DF-210A、FM-2500、FM1500流量顯示儀。顯示儀可以顯示燃油的瞬時(shí)油耗、記錄一段時(shí)間或距離內(nèi)的燃油累積消耗量燃油，試驗(yàn)過程中的燃油瞬時(shí)消耗值無法記錄。

在整車經(jīng)濟(jì)性能分析中燃油瞬時(shí)消耗值是關(guān)鍵的過程數(shù)據(jù)，高頻率、準(zhǔn)確、可靠的燃油瞬時(shí)油耗數(shù)據(jù)可以分析出任意階段的燃油消耗情況，為整車降低油耗開發(fā)方案提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。利用FP-2140HA流量計(jì)測(cè)試車輛的瞬時(shí)油耗，開發(fā)一套集成車速信號(hào)測(cè)試的高頻數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)整車燃油消耗的高頻率采集分析功能。

2 小野FP-2140HA流量計(jì)輸出信號(hào)分析

2.1 信號(hào)分析方案

FP-2140HA流量計(jì)信號(hào)接口為5針插接器，針腳1為信號(hào)1，針腳2為信號(hào)2，針腳3為搭鐵線，針腳4為屏蔽線，針腳5為電源正。將小野流量計(jì)FP-2140HA接入車輛燃油供給系中，并使用其配套的二次儀表DF-210A測(cè)量顯示燃油消耗，同時(shí)測(cè)試二次儀表上輸出的模擬信號(hào)V-out、頻率信號(hào)Pout、針腳1、針腳2的信號(hào)。通過二次儀表油耗顯示值、二次儀表輸出值與所采集的針腳1與針腳2的原始信號(hào)，解析出針腳1信號(hào)、針腳2信號(hào)與油耗信號(hào)的關(guān)系，信號(hào)解析原理如圖3所示。

圖3 信號(hào)解析原理圖

2.2 信號(hào)采集分析

試驗(yàn)中使用PXI共采集了5路信號(hào)的數(shù)據(jù)，采樣頻率為10kHz。其中二次儀表的P-out和流量計(jì)1、2號(hào)針腳上的信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，如圖4所示。在計(jì)算機(jī)上使用Matlab軟件編程對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波整理；其次對(duì)PXI的AI1、AI2、AI3三個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)和分析。小野油耗傳感器接口的1針和2針輸出的兩路脈沖信號(hào)相位差為一定值，而且兩路信號(hào)之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此把兩路方波放在同一個(gè)坐標(biāo)軸下。我們對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小野流量計(jì)內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)時(shí)，流量計(jì)接口1針的下降沿對(duì)應(yīng)流量計(jì)接口2針的高電平，當(dāng)流量計(jì)內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)時(shí)，流量計(jì)接口1針的下降沿對(duì)應(yīng)流量計(jì)接口2針的低電平。流量計(jì)正反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖4 1針和2針及P-out脈沖圖

圖5 流量計(jì)正反轉(zhuǎn)時(shí)第1針和第2針的關(guān)系

根據(jù)上面這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用Matlab進(jìn)行以下處理。當(dāng)流量計(jì)接口1針脈沖為下降沿時(shí)，對(duì)應(yīng)流量計(jì)接口2針脈沖為高電平時(shí)計(jì)數(shù)加1，低電平時(shí)計(jì)數(shù)減1處理，以下稱為流量計(jì)1針有效脈沖；當(dāng)流量計(jì)接口2針脈沖下降沿時(shí)，對(duì)應(yīng)流量計(jì)接口1針脈沖為低電平時(shí)計(jì)數(shù)加1，高電平時(shí)計(jì)數(shù)減1處理，以下稱為流量計(jì)2針有效脈沖，最后使用表格表示計(jì)數(shù)結(jié)果。各個(gè)信號(hào)脈沖數(shù)目統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)分析油耗傳感器脈沖當(dāng)量的油耗

通過以上數(shù)據(jù)可以看出無論以油耗傳感器接口的1針還是2針的有效脈沖進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果都是相同的。通過實(shí)車應(yīng)用測(cè)試的油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和二次儀表Pout脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定流量計(jì)1針或2針的每個(gè)有效脈沖代表的耗油量相同，均為0.09065mL。

3 基于小野FP-2140HA流量計(jì)的車輛油耗采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 油耗采集原理及方法

從以上分析可知小野FP-2140HA流量計(jì)采用正交編碼器［2］（又名增量式編碼器），其輸出的兩路脈沖序列相位相差90°，通過檢驗(yàn)?zāi)膫€(gè)序列領(lǐng)先可確定計(jì)數(shù)器增減，從而同時(shí)獲得油管中汽油流動(dòng)的位置和方向兩個(gè)信息。

通過數(shù)字采集通道采集油耗儀兩列脈沖信號(hào)，并根據(jù)編碼關(guān)系計(jì)算出有效脈沖的計(jì)數(shù)值，根據(jù)其與脈沖當(dāng)量的關(guān)系換算出實(shí)際油耗值。采集脈沖信號(hào)的同時(shí)記錄時(shí)間信息，與得到的油耗值相關(guān)聯(lián)。通過計(jì)算油耗與時(shí)間的關(guān)系，可得出瞬時(shí)油耗值。由此完成了瞬時(shí)油耗的采集。

3.2 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)基于NI cRIO-9012數(shù)據(jù)采集平臺(tái)［3］，實(shí)現(xiàn)油耗和車速傳感器信號(hào)的采集、CAN總線通信、U盤保存數(shù)據(jù)、狀態(tài)指示等功能。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和處理，界面顯示和管理等功能。上位機(jī)與下位機(jī)通過Kvaser USBcan II設(shè)備實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。油耗瞬時(shí)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 瞬時(shí)油耗采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 cRIO采集器功能實(shí)現(xiàn)

采用NI的cRIO-9012控制器作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)處理器，它具有良好的功能擴(kuò)展性，通過在機(jī)箱配置不同的功能模塊并編寫控制軟件，可實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。可以通過配備的模塊實(shí)現(xiàn)串口通信、CAN總線通信、模擬電壓信號(hào)采集、模擬電流信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)通信等功能。對(duì)模塊各個(gè)接口定義完畢并寫入軟件后，引出接線端子，完成cRIO采集器的設(shè)計(jì)和制作。實(shí)物如圖7所示。在瞬時(shí)油耗采集系統(tǒng)中，對(duì)于各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，分別使用cRIO控制器及以下功能擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。

1）瞬時(shí)油耗采集 通過NI 9403數(shù)字輸入/輸出模塊，采集FP-2140HA流量傳感器的兩路脈沖序列信號(hào)，并解析轉(zhuǎn)換為有效脈沖的脈沖計(jì)數(shù)信息，將數(shù)據(jù)保存為數(shù)字邏輯信號(hào)后再對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)和計(jì)算。信號(hào)采樣頻率為50kHz，采樣周期為20μs。對(duì)有效脈沖的計(jì)數(shù)采用X4編碼方法，使有效脈沖計(jì)算精度提高到0.25個(gè)脈沖。

2）車速信息采集 通過NI 9205模擬輸入模塊，采集車速傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為車速信息，模擬電壓采樣范圍為±10V。通過測(cè)得的模擬電壓數(shù)值，按照車速傳感器對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，即可得到車速數(shù)字信號(hào)。

3）CAN總線通信 下位機(jī)通過NI 9853雙端口高速CAN模塊，將采集解析后的數(shù)據(jù)信息通過CAN總線傳送給上位機(jī)，同時(shí)，上位機(jī)通過CAN總線發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制。本系統(tǒng)采用瑞典Kvaser公司的基于USB的雙通道CAN總線分析儀Kvaser USBcan II收發(fā)CAN數(shù)據(jù)。

4）下位機(jī)數(shù)據(jù)保存 將USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備連接至cRIO-9012，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將通過.txt文本文件保存其中。

3.4 百公里油耗計(jì)算方法

采集單位時(shí)間NI 9403數(shù)字輸入/輸出模塊采集流量傳感器FP-2140HA的兩列脈沖序列信號(hào)，將數(shù)據(jù)保存為數(shù)字邏輯信號(hào)后再對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)有效脈沖的計(jì)數(shù)采用X4編碼方法，使有效脈沖計(jì)算精度提高到0.25個(gè)脈沖。從NI 9205模擬輸入模塊，車輛車速信號(hào)v。百公里油耗Q［4］計(jì)算如下：

式中：Q——百公里油耗，100km/l；k——流量傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)；f——流量傳感器的系數(shù)，0.09065ml。

4 采集軟件功能

采集軟件主要包括數(shù)據(jù)接收與分析顯示程序、保存數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換程序，通過LabVIEW編寫［5］。程序架構(gòu)如圖8所示，程序界面如圖9所示。

圖8 上位機(jī)LabVIEW程序架構(gòu)

圖9 上位機(jī)LabVIEW程序主界面

5 總結(jié)

通過實(shí)際測(cè)試，基于小野FP-2140HA流量計(jì)設(shè)計(jì)的車輛油耗采集系統(tǒng)完全滿足車輛油耗的測(cè)試研究，油耗信號(hào)脈沖分辨率達(dá)0.25個(gè)脈沖，時(shí)間精度微秒級(jí)，數(shù)據(jù)更新頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)，當(dāng)前最高達(dá)10Hz，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了油耗數(shù)據(jù)的高頻采集、顯示、記錄，可以滿足車輛道路和臺(tái)架油耗試驗(yàn)。