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基于LabVIEW的多传感器空气流量测试系统的设计
摘要：分析了多传感器信息融合技术在空气流量测试系统中的应用，提出了一种基于LabVIEW的多传感器空气流量测试系统的设计思路。该系统利用传感器信息融合技术将多传感器信息融合，通过LabVIEW软件将所得测试信息直观的显示出来。同时，给出了详细的硬件和软件设计方案。
关键词：LabVIEW，多传感器信息融合，空气流量
Abstract: It analyzed the application the multi- sensors information fusion technology in air flow test system and proposed a way to design multi-sensors air flue test system based on LabVIEW. The system makes information of multiply sensors fusion by multi- sensors information fusion technology and display all test information directly by LabVIEW. At the same time, it gave the concrete design procedures of hardware and software.
Key words: LabVIEW, Multi-sensors information fusion, Air flow
引言
空气流量是发动机电控系统的一个重要的参数，其测量结果直接影响汽车发动机在各种运转工况下的空燃比。然而，影响空气流量传感器测量精度的因素有很多，如压力、温度、湿度等，其中温度的影响最为突出，单一的传感器已经不能满足日益提高的测量精度的需求。
传感器信息融合又称数据融合，是对多种信息的获取、表示及其内在联系进行综合处理和优化的技术。传感器信息融合技术从多信息的视角进行处理及综合，得到各种信息的内在联系和规律，从而剔除无用的和错误的信息，保留正确的和有用的成分，最终实现信息的优化。它也为智能信息处理技术的研究提供了新的观念。经过融合后的传感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本性[1]。
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench--实验室虚拟仪器集成环境)是美国NI公司推出的革命性的图形化虚拟仪器设计平台。使用LabVIEW可以在通用计算机平台上，用户根据自己的需要定义和设计仪器的测试功能，LabVIEW是目前国际上应用最广、发展最快、功能最强大的图形化软件开发集成环境。
因此，为了更好的提高空气流量测量的效果，本设计利用LabVIEW将多传感器信息融合技术应用到测试中，建立了汽车发动机空气流量测试系统，并在模拟汽车发动机真实工作环境条件进行试验测试与验证。
本设计将LabVIEW软件、多传感器、计算机结合起来，构建了一个空气流量测试系统，实现对多传感器信息的融合，将信息在同一界面上显示，使测量信息更加直观，也为将来进一步研究利用LabVIEW测控系统以及进行多传感器信息融合奠定了基础。

一、系统硬件设计
本系统包括被测对象，传感系统，信号调理电路，数据采集与处理系统，如图1：

图1 系统框图
1、被测对象
被测对象是通过改变变频器的频率来控制风机发出不同大小的风量通过流量传感器，以此来模拟进入发动机的空气流量的大小。
2、传感系统
传感系统主要包括温度传感器、空气流量传感器、玻璃转子流量计及有关连接部分。
(1) 温度传感器
温度传感器选择NS公司生产的集成电路温度传感器LM35,它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围,该器件输出电压与摄氏温度线性成比例，并且LM35无需外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用室温精度。
(2) 空气流量传感器
空气流量传感器是用来直接或间接与被测对象发生联系，将被测参数(机械、物理、化学、压力、温度等非电量)转换成可以直接测量的信号(通常是易于放大和远距离传输的信号)，它为系统提供了进行处理和决策所必需的原始信息。因此，它是现代检测系统中的关键环节。
(3) 玻璃转子流量计
为了验证空气流量测试系统试验数据的正确性，需要对本测试系统进行试验标定，本设计选择标准流量计标定方法。标准流量计选用LAB-10型玻璃转子流量计，它与被检的空气流量传感器测量范围相当，准确度较高，是在101325P，20℃状态下用空气进行标定的。
3、信号调理电路
在许多需要数字采集的系统中，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足采集卡对输入信号电平的要求，这种情况下，就需要采用信号调理电路对传感器输出的信号量进行放大。信号调理电路使输出电压与输入电压成正比，它的核心是一个具有电容负反馈、且输入阻抗极高的高增运算放大器。如下图2：

图2 差动仪表放大器
4、数据采集卡的选择
本系统使用PCI总线形式的数据采集卡LDI200-PCI。LDI200是一种双通道、高带宽的数字存储示波卡，将它插入计算机PCI槽上，再运行控制软件，便可组成一台价格便宜、人机界面友好、性能优良的数字存储示波器。它具有数据采集、测量信号、过程监测、多种触发等功能，因此也大量应用于高速的数据采集系统、自动控制系统。主要功能是输入过压保护，具有自检功能，可以光标测量时间和电压，并支持二次开发。

二、系统软件设计：
软件设计是测试系统的核心部分，如数据的采集与处理、数据分析、数据显示都是由系统软件控制来实现的。为实现测试系统的可扩展和易维护性，就要仔细地进行软件的结构设计。
本系统软件采用模块化方法进行设计，划分为以下几个模块：板卡初始化及参数设置模块、数据采集模块、数据分析模块、数据库模块，如图3所示。在系统中把各个代码模块进行定义并它们之间的接口标准化，从而在一个模块内进行扩展性改变将不会影响程序中其它模块，因此增加了系统的灵活性。在测试过程中，可根据需要随时改变信号参数和测试方法。
数据采集模块
数据分析模块
数据库模块
软件模块
参数设置模块
板卡初始化及

图3 系统软件结构图
本测试系统的程序主流程图如图4所示：

图4 主流程图
下面将详细介绍系统软件各个模块的功能及实现方法：
1、板卡初始化及参数设置模块
板卡初始化及参数设置模块系统的功能是实现检验并初始化板卡，然后设置系统基本参数来控制硬件系，既可以无触发采集，也可以单通道触发采集数据。
在启动采集之前，首先对LDI200初始化,确定自检成功或提示“无LDI200卡”，程序如图5。

图5 板卡初始化程序图
然后设置采样参数，采样参数设置的程序如图6。根据采集数据的需要，设置双通道并行输入，采样频率为100Hz，使用软件触发方式，即手动点击采集按钮，则开始运行采集程序。为了程序视图的简捷，将设置的采样参数放在一个簇里，采用选择结构，进行参数设置。反之则显示“请先初始化”。

图6 采样参数设置程序图
2、数据采集模块
数据采集模块实现多通道实时数据采集与显示，它的设计是动态测试中的核心部分，直接影响数据分析的结果，影响系统其它功能的实现。该系统能否正常工作直接关系到整个系统的工作。
编写数据采集程序前，必须先安装好采集板的驱动程序，否则无法调用AD板的动态链接库[2]。该驱动使用了中断采集方式，并在定时器取值处设置了延时时间，这样就保证了采样的连续性。在程序面板上，与传统开发一样，可以使用各种程序控制结构，如顺序、条件、循环等，也可以使用其他VI。本程序套用Case选择结构如图7，采集的数据通过一个子程序进行数据分组、处理，然后送入控制界面显示。

图7 数据采集程序图
3、数据分析模块
数据的分析模块实现对采集的原始数据进行最小二乘法曲线拟合分析。其测试的目的在于获取被测对象的性能、状态或特征，所以信号采集只是测试工作的第一步。信号的分析和数据处理是构成测试系统的重要组成部分之一。本系统采用线性回归分析法即曲线拟合法，由多维回归方程来建立被测目标参量与传感器输出量之间的关系，以消除温度的影响，如图8。

图8 数据分析程序图
4、数据库模块
数据库模块实现数据库的管理功能，包括数据的存储与回放，添加与删除等功能。
由于要对被测目标进行全方位检测，多传感器协调应用，获取对目标系统的全面认识，同时数据量也急剧增长，而且对实时采集的数据存储和查询等有较高的要求，就需要采用数据库技术。
首先需要安装LabSQL，LabSQL是一个免费的数据库访问工具。LabSQL与数据库之间是通过ODBC连接，用户需要在ODBC中指定数据源名称和驱动程序。因此在使用LabSQL之前，首先需要在Windows操作系统中的ODBC数据源中创建一个DSN（data source name,数据源名）[3]。LabSQL与数据库之间的连接就是建立在DSN基础之上的。其连接流程如图9：

图9 LabSQL与数据库的连接图
LabSQL能够实现数据库查询、数据库修改、数据库添加以及数据库删除。

三、实验结果
本设计的试验是在模拟汽车发动机真实工作环境下测试的，通过改变变频器的频率控制风机发出不同大小的风量通过流量传感器来模拟进入发动机的空气流量，通过设定恒温湿箱的温度改变传感器工作环境温度，以此来模拟发动机工作的温度环境。
为使测量准确就要对测试系统进行试验标定，本设计选用标准流量计式标定方法。
标准流量计选用LAB-10型玻璃转子流量计来进行标定试验。
在变频器从1Hz~23Hz变化中，对应的输出电压为0V~3V之间，经过标定试验，在温度为20℃时。可得到测试数据，经过处理后得到如图10。

图10 20℃下标定试验图
①线为空气流量传感器经过数据处理后的输出电压曲线，中间带圈的②线为对数据进行曲线拟合后，空气流量传感器输出拟合特性曲线，③线为玻璃转子流量计输出电压曲线。
在常温常压条件下，本测试系统所使用的空气流量传感器的输出相对误差最大为1.94%F.S，小于其最大允许误差3. 0%，满足传感器使用误差要求。在测量过程中采用变频器控制风机的供气方式，气体仍然不可避免的存在一些脉动，又由于空气流量传感器的高敏感性及气压的影响，也会造成部分附加误差。

四、结论：
本系统充分利用了LabVIEW的灵活性和多输入多输出的特点，将计算机、多传感器、LabVIEW软件有机地结合起来，构建了一个空气流量测试系统，实现对多传感器信息的测控融合，为将来进一步研究利用LabVIEW测控系统以及进行多传感器信息融合奠定了基础。
根据长期应用情况，本系统性能良好，免除了对多传感器信息采集过程中一些繁琐的工作，采集过程不再需要编写不同的软件以适应不同传感器要求。

参考文献：
[1] 范茂军. 汽车传感器的现状、发展趋势和产业对策.汽车电子世界网，2004(11)：1
[2] 杨乐平，李海涛，杨磊. LabVIEW程序设计与应用. 北京：电子工业出版社, 2005：27－30
[3] 王成辉. Access 2002入门与提高. 北京：清华大学出版社，2001：3－7