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[摘要] 虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域中应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类，它将逐步取代传统电子仪器。本文首先介绍了虚拟仪器的主要的优点，然后具体介绍了其在汽车点火测试系统中的应用。
[关键词] 虚拟仪器 Ｌ abVIEW 点火线圈 Butterworth滤波
[Abstract] virtual instrument is the computer technology in the field of instrument of the application of a new type of equipment, rich vitality, it will gradually replace the traditional electronic instrument. This paper firstly introduces the main advantages of virtual instrument, then presents the ignition test system application.
[Keywords] virtual instrument LabVIEW ignition coil Butterworth filtering
0 引言
虚拟仪器VI（virtual instruments）是传统仪器与计算机技术深层次结合的产物，它由计算机、软件包、仪器硬件组成，用计算机管理和组织仪器系统，完成数据采集、分析、显示和存储等功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。它以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐【1】。
1 虚拟仪器技术的优势
与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：
LabVIEW采用图形化编程语言--G语言，产生的程序是框图的形式，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，以及目前十分热门的网络功能。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。数字信号处理是数据采集系统或测试仪器系统设计和分析的一个重要组成部分，先进、灵活、强大的数字信号分析功能是LabVIEW编程环境的主要特点之一。作为一个开放型的编程环境，其完整版的高级分析库中提供了丰富的信号分析处理相关程序库，包括波形测量、波形调理、波形监测、波形发生、数字信号处理、逐点分析、数学分析，并且每一个库都包含大量的VIs。
此外，针对信号领域的复杂问题，labVIEW还开发了若干工具包：
*信号处理套件；
*数字滤波器设计工具包；
*联合时频分析工具包；
*小波分析和滤波器组设计工具包【2】。
所有这些工具包扩展了LabVIEW在處理特殊问题方面的能力。因此LabVIEW有能力解决复杂的数字信号分析与处理问题。
2 汽车点火系统
汽车点火系统的功用就是把汽车电源系统10～15V的低压电转变成15～25KV的高压电，并按发动机气缸工作顺序适时地引入气缸，形成电火花点着混合气，从而使发动机正常工作。点火系统的工作对于获得良好的发动机动力性能和经济性能来说是非常重要的。点火系统按结构型式分为触点点火系统、电子点火系统和微机控制点火系统。现代汽车普遍采用电子点火系统或微机控制点火系统。
汽油发动机气缸中的可燃混合气是由高压电击穿火花塞电极间隙而产生的，击穿火花塞电极间隙时的电压，称为击穿电压。为了保证汽油发动机在各种路况和使用条件下都能可靠并适时点火，点火系统必须满足以下要求：首先能够产生足以击穿火花塞间隙的电压；其次是火花应具有足够的能量；再者点火时间应适应发动机的工作情况。
在正常状态下，任何气体中都有少量的气体分子游离成正离子和电子或负离子，当正负电极两端加有电压时，在电场力的作用下，正离子便会向负电极运动、负离子和电子便会向正电极运动，形成电流。当正负电极两端施加的电压升高时，离子和电子的运动速度加快、动能增大，且撞击中性分子，使其分裂成正离子和负离子，新产生的正负离子在电场力的作用下，也以高速分别向正负两极运动，并又撞击其它中性分子。大量的离子、电子激烈地运动与碰撞就会发出大量的热，当温度达到一定值时，便会产生弧光，放电电流强度急剧增大，形成电火花。
当高压电在电极间隙之间跳火时，其电能将变成热能，从而点着可燃混合气。为使混合气能可靠点燃，火花塞产生的电火花必须具有足够的能量。火花能量越大，则混合气越易点燃，发动机的点火性能就越好；反之，火花能量越小，则点火性能就越差。点着混合气必须的能量与发动机工作情况、混合气成分和浓度、电极间隙和形状等因素有关。
点火系统应按发动机的工作顺序进行点火，即点火顺序应与发动机的工作顺序一致，否则就不能适时点着混合气，发动机就不能正常工作。另外，必须在最有利的时刻进行点火，最有利的点火时刻，主要是从发动机获得最大功率的最小燃料消耗量出发来衡量的，也是根据改善燃烧情况和减少排出有害气体量来衡量的。点火时刻用点火提前角来表示【3】。
3 汽车点火系统的测试项目
汽车点火系统性能好坏，是否合格，需要测试，需要对所测试的数据进行分析处理，这样对提高和保证点火线圈的品质，从而保证汽车可靠点火，无疑是很重要的。数据采集和信号调理的结构如图1。
本测试项目要测试和处理的主要数据有：初级电流上升时间、初级电流恒流时间、初级电流；次级电压上升（反向）时间、次级电压；火花持续时间，火花能量。实际上，由于受各种干扰的影响，或测量位置不正确，我们测得的数据会带有毛刺、纹波等，使我们的波形变坏，有时甚至会无法处理，因此，我们要先对波形进行滤波处理。在这里，因为Butterworth滤波器拥有最平滑的频率响应，在截断频率以外，频率响应单调下降。在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零。而我们要处理的数据无论初级电流还是次级电压，还是火花电流，都需要保持信号的幅值，干扰又多为高频。因此，笔者选用Butterworth低通滤波器。如图2所示，滤波后波形明显变好了。
在filter type选low pass。f1根据采样频率确定，实验证明：取采样频率的十分之一效果较好。因为在处理次级电压和初级电流时需要不同的采样频率。Init选T，避免每次滤波后电压值从零开始上升；Order取2，因为选取阶数如果过高，波形虽然更规整了，但会失真。
利用labVIEW强大的数据处理功能，分析滤波后的信号，能够很容易得到所需要的数据，而且程序框图也不复杂（如果用别的高级语言编写就会很麻烦）。图3为初级电流处理电路的前面板，从前面板可以看到我们想要的数据，一目了然，非常简便。在这个电路中，增加了波形完整性判断（如果采得的波形不完整，就不需再做分析了，可直接重新采样）；数据的处理结果也是用采样点数表示的，用点数除以采样频率可得到时间值及电流值。
次级电压与火花能量的处理类似，在此不一一细说。
4结论
越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的测试、分析、处理仪器。本文采用了虚拟仪器作为检测平台，利用LabVIEW7.0开发的检测仪使用方便，性能稳定，检测精度较高。用户可以根据自己的需要修改检测系统的功能和用途。有了虚拟仪器的帮助，我们的工业发展也必将会上新台阶。
参考文献：
[1]杨乐平，李海涛等.《LabVIEW高级程序设计》[M].北京：清华大学出版社，2003.
[2]乔瑞萍，林欣等译Robert H. Bishop著.《LabVIEW 6i实用教程》[M].北京：电子工业出版社，2001.
[3]秦明华.《汽车电器与电子技术》[M].北京：北京理工大学出版社，2003.
作者简介：
郑毅（1967-）男，助理工程师，大专，现任唐山市大恒科技有限公司生产技术总监，研究方向工业电气自动化。
[关键词] 虚拟仪器 Ｌ abVIEW 点火线圈 Butterworth滤波
[Abstract] virtual instrument is the computer technology in the field of instrument of the application of a new type of equipment, rich vitality, it will gradually replace the traditional electronic instrument. This paper firstly introduces the main advantages of virtual instrument, then presents the ignition test system application.
[Keywords] virtual instrument LabVIEW ignition coil Butterworth filtering
0 引言
虚拟仪器VI（virtual instruments）是传统仪器与计算机技术深层次结合的产物，它由计算机、软件包、仪器硬件组成，用计算机管理和组织仪器系统，完成数据采集、分析、显示和存储等功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。它以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便，深受用户青睐【1】。
1 虚拟仪器技术的优势
与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：
LabVIEW采用图形化编程语言--G语言，产生的程序是框图的形式，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，以及目前十分热门的网络功能。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85％以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。数字信号处理是数据采集系统或测试仪器系统设计和分析的一个重要组成部分，先进、灵活、强大的数字信号分析功能是LabVIEW编程环境的主要特点之一。作为一个开放型的编程环境，其完整版的高级分析库中提供了丰富的信号分析处理相关程序库，包括波形测量、波形调理、波形监测、波形发生、数字信号处理、逐点分析、数学分析，并且每一个库都包含大量的VIs。
此外，针对信号领域的复杂问题，labVIEW还开发了若干工具包：
*信号处理套件；
*数字滤波器设计工具包；
*联合时频分析工具包；
*小波分析和滤波器组设计工具包【2】。
所有这些工具包扩展了LabVIEW在處理特殊问题方面的能力。因此LabVIEW有能力解决复杂的数字信号分析与处理问题。
2 汽车点火系统
汽车点火系统的功用就是把汽车电源系统10～15V的低压电转变成15～25KV的高压电，并按发动机气缸工作顺序适时地引入气缸，形成电火花点着混合气，从而使发动机正常工作。点火系统的工作对于获得良好的发动机动力性能和经济性能来说是非常重要的。点火系统按结构型式分为触点点火系统、电子点火系统和微机控制点火系统。现代汽车普遍采用电子点火系统或微机控制点火系统。
汽油发动机气缸中的可燃混合气是由高压电击穿火花塞电极间隙而产生的，击穿火花塞电极间隙时的电压，称为击穿电压。为了保证汽油发动机在各种路况和使用条件下都能可靠并适时点火，点火系统必须满足以下要求：首先能够产生足以击穿火花塞间隙的电压；其次是火花应具有足够的能量；再者点火时间应适应发动机的工作情况。
在正常状态下，任何气体中都有少量的气体分子游离成正离子和电子或负离子，当正负电极两端加有电压时，在电场力的作用下，正离子便会向负电极运动、负离子和电子便会向正电极运动，形成电流。当正负电极两端施加的电压升高时，离子和电子的运动速度加快、动能增大，且撞击中性分子，使其分裂成正离子和负离子，新产生的正负离子在电场力的作用下，也以高速分别向正负两极运动，并又撞击其它中性分子。大量的离子、电子激烈地运动与碰撞就会发出大量的热，当温度达到一定值时，便会产生弧光，放电电流强度急剧增大，形成电火花。
当高压电在电极间隙之间跳火时，其电能将变成热能，从而点着可燃混合气。为使混合气能可靠点燃，火花塞产生的电火花必须具有足够的能量。火花能量越大，则混合气越易点燃，发动机的点火性能就越好；反之，火花能量越小，则点火性能就越差。点着混合气必须的能量与发动机工作情况、混合气成分和浓度、电极间隙和形状等因素有关。
点火系统应按发动机的工作顺序进行点火，即点火顺序应与发动机的工作顺序一致，否则就不能适时点着混合气，发动机就不能正常工作。另外，必须在最有利的时刻进行点火，最有利的点火时刻，主要是从发动机获得最大功率的最小燃料消耗量出发来衡量的，也是根据改善燃烧情况和减少排出有害气体量来衡量的。点火时刻用点火提前角来表示【3】。
3 汽车点火系统的测试项目
汽车点火系统性能好坏，是否合格，需要测试，需要对所测试的数据进行分析处理，这样对提高和保证点火线圈的品质，从而保证汽车可靠点火，无疑是很重要的。数据采集和信号调理的结构如图1。
本测试项目要测试和处理的主要数据有：初级电流上升时间、初级电流恒流时间、初级电流；次级电压上升（反向）时间、次级电压；火花持续时间，火花能量。实际上，由于受各种干扰的影响，或测量位置不正确，我们测得的数据会带有毛刺、纹波等，使我们的波形变坏，有时甚至会无法处理，因此，我们要先对波形进行滤波处理。在这里，因为Butterworth滤波器拥有最平滑的频率响应，在截断频率以外，频率响应单调下降。在通带中是理想的单位响应，在阻带中响应为零。而我们要处理的数据无论初级电流还是次级电压，还是火花电流，都需要保持信号的幅值，干扰又多为高频。因此，笔者选用Butterworth低通滤波器。如图2所示，滤波后波形明显变好了。
在filter type选low pass。f1根据采样频率确定，实验证明：取采样频率的十分之一效果较好。因为在处理次级电压和初级电流时需要不同的采样频率。Init选T，避免每次滤波后电压值从零开始上升；Order取2，因为选取阶数如果过高，波形虽然更规整了，但会失真。
利用labVIEW强大的数据处理功能，分析滤波后的信号，能够很容易得到所需要的数据，而且程序框图也不复杂（如果用别的高级语言编写就会很麻烦）。图3为初级电流处理电路的前面板，从前面板可以看到我们想要的数据，一目了然，非常简便。在这个电路中，增加了波形完整性判断（如果采得的波形不完整，就不需再做分析了，可直接重新采样）；数据的处理结果也是用采样点数表示的，用点数除以采样频率可得到时间值及电流值。
次级电压与火花能量的处理类似，在此不一一细说。
4结论
越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的测试、分析、处理仪器。本文采用了虚拟仪器作为检测平台，利用LabVIEW7.0开发的检测仪使用方便，性能稳定，检测精度较高。用户可以根据自己的需要修改检测系统的功能和用途。有了虚拟仪器的帮助，我们的工业发展也必将会上新台阶。
参考文献：
[1]杨乐平，李海涛等.《LabVIEW高级程序设计》[M].北京：清华大学出版社，2003.
[2]乔瑞萍，林欣等译Robert H. Bishop著.《LabVIEW 6i实用教程》[M].北京：电子工业出版社，2001.
[3]秦明华.《汽车电器与电子技术》[M].北京：北京理工大学出版社，2003.
作者简介：
郑毅（1967-）男，助理工程师，大专，现任唐山市大恒科技有限公司生产技术总监，研究方向工业电气自动化。