应用方案：
主要采用National Instruments公司（简称NI公司）的模拟量采集卡和数字量采集卡，通过LabVIEW图形化开发软件编程，开发设计出性能可靠、性价比高、应用灵活的油位传感器动态性能测试系统。

一、 项目简介
 公司现有的生产线上的油位传感器性能测试设备采用静态测试方法，该方法无法对油位传感器进行全量程的动态性能测试，为更加精确地进行油位传感器性能测试，提高品质和降低测试时间，需要在较短的时间内高效、快捷、独立自主的开发出全新的油位传感器动态性能测试设备。
 该设备要求在主要完成多种型号（包括哈飞、奇瑞、夏利、通用、长城、吉利、江淮等公司的四十多种车型）油位传感器（以下简称TSG）全量程动态性能测试、低油位报警性能测试和断点测试的基础上，还要完成电子燃油泵（以下简称EKP）的启动电流性能测试和插头接线极性测试。

二、 测控系统的选择
 在过去的20年中，PC机应用的迅速普及促进了测量设备和自动化仪器设备的革新，也导致虚拟仪器概念的出现与发展。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量设备到以软件为中心的测量设备的根本性转变。在充分利用PC机计算、显示和互联网等诸多用于提高工作效率的强大功能后，通过配上功能强大的应用软件、低成本的硬件及驱动软件，就组成了能完成传统仪器功能的虚拟仪器。
 由于虚拟仪器为用户提供了创新技术并能大幅降低生产成本，而且能提高生产率和测量精度及设备性能，用户可以根据需求灵活而快捷的组建自己的测控设备，而不用再受由厂家提供的传统仪器的限制，所以结合本项目的特点，确认将虚拟仪器技术应用到测控设备研发中，选用行业领先者NI公司的软、硬件产品来完成数据采集和自动测控的功能。
 数据采集（DAQ）离不开DAQ驱动软件。第一代DAQ驱动软件出现在20世纪80年代后期，随着DAQ技术不断发展，90年代初期NI推出第二代DAQ驱动软件，随后在2003年NI推出第三代DAQ驱动软件DAQmx。NI-DAQmx具有很多的优点，如拥有更简单、更强大的编程接口；有DAQ助手，能进行交互式任务配置和自动代码生成；有并发的DAQ操作功能；能进行更快的单点数据采集；支持即插即用传感器和多种自动化设备的同步等优点。NI-DAQmx的这些优点为本项目在减少开发时间、降低开发成本和提高测量精度等方面起到事半功倍的作用。

三、 测控设备硬件设计
1. 设备结构
 TSG动态性能测试设备的硬件部分由数据采集系统、阻值和低油位报警测量系统、运动控制测量系统、启动电流测量系统、极性测量系统、气动系统和报警系统等组成，其相互关系如图3.1-1所示。

 图3.1-1 系统构成

2. 数据采集系统
 数据采集系统主要采用NI公司两块基于PCI的采集卡PCI-6527和PCI-6052E构成。PCI-6527卡是应用在24VDC下的24路输入、24路输出的数字采集卡，用于满足TSG动态测试设备20路数字输入信号，21路数字输出信号的控制要求；PCI 6052E卡是能提供8路差分信号输入，最高采样率333kS/s，输入分辨率16位，输入范围±10V的模拟量采集卡，完全满足设备5路模拟量差分输入，采样率4000Hz，输入分辨率16位的要求。该系统作为设备的硬件核心。
3. 阻值和低油位报警测量系统
 TSG(见图3.3-1)是带中间滑动抽头的非线性跳跃型可变电阻器，由上面连接浮子杆(见图3.32-2)的运动带动中间滑动抽头的运动，而随之产生的电阻值变化可以真实反映出油箱中燃油的多少。为准确测试出TSG动态性能，即阻值随浮子杆运动高度变化而变化的性能，需要PCI-6052E进行阻值数值和高度数值的实时采集。

图3.3-1 油位传感器TSG

 
图3.3-2 带浮子杆的TSG

 TSG阻值的采集，是通过采样电路将阻值信号转变成0~10VDC的电压信号，再经过信号调理后以差分信号的方式输入到PCI-6052E。其原理如图3.3-3所示。

 

图3.3-3 采样电路

 根据 （其中R：TSG阻值，VR：R的电压，r：外接定值电阻，Vr：r的电压），Vr输入到PCI-6052E的CH0通道，VR输入到PCI-6052E的CH1通道，通过公式计算可得TSG的阻值。低油位报警阻值的测量方法与此相同。
4. 运动控制测量系统
 TSG浮子杆上下运动和高度测量系统由日本SMC公司执行器LJ1H2022NF-400K-R2、控制器LC1-1B1VH2-L5和Balluff公司微脉冲位移传感器（包括定位磁铁块BTL5-N-2814-1S、传感器的本体BTL5-A11-M400-P-S32和L型连接插头BKS-S33M-05）组成。如图3.4-1所示。

 
图3.4-1 运动控制测量系统

 将开发的运动控制程序输入到SMC控制器后，由测控软件通过PCI-6527控制SMC控制器选择不同的产品运动程序，SMC控制器通过控制交流伺服电机来驱动滚珠丝杆以100mm/S的速度带动浮子杆上下运动，同时执行器将滚珠丝杆的位置信息反馈回SMC控制器，实现浮子杆运动的闭环控制。而实际的运动高度值则经过微脉冲位移传感器测量后处理为0~10VDC的电压信号输入到PCI-6052E的CH3通道。
5. 其余系统
 其余系统的输入输出全部接到PCI-6527，开发的测控软件根据控制和测量要求进行PCI-6527采集信号的处理。
启动电流测试系统：由于PCI-6052E上只有一个放大器，不能同时完成两个不同过程的采集，考虑到成本和测量节拍的因素，EKP启动电流测试系统采用由电流表、计时器、带反馈补偿的电源和继电器组成的方式完成，其中带反馈补偿的电源保证加到油泵两端的电压为5±0.1V，电流表进行启动电流的测量并判断，计时器控制加电测试时间。
极性测试系统：主要由德国PCE公司的智能传感器PCE 090H组成。通过测量EKP在加入5VDC的3秒时间内，泵转子在旋转过程中从里面两片磁钢间隙中泄露出的漏磁量的方向来判断EKP的旋转方向。
气动系统和报警系统：气动系统主要由德国Festo和日本SMC的气动元器件构成，主要完成自动操作动作。报警系统主要由蜂鸣器、指示灯、人机界面上的报警提示和报警灯组成，完成对设备控制和测量过程的监控。
四、 利用LabVIEW进行应用软件开发
1. 软件功能模块
 NI公司的LabVIEW软件是一个图形化的开发环境，带有大量的内置功能，能够完成系统仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务，避免了传统开发环境的复杂编程工作。此次开发的软件是在WIN2000平台上利用LabVIEW无缝开发的一套基于虚拟仪器的TSG动态性能测试的测控软件，其软件功能模块如图4.1-1所示。

图4.1-1 软件功能模块
 

 
表4.2-1 部分TSG关键测量点的要求

 
2. TSG动态性能测试分析
 表4.2-1列举出四种TSG（共四十多种）在滚珠丝杆以100mm/S的速度在大致6S的时间内抬升浮子杆过程中关键测量点的要求，另外部分产品还需测量低油位报警点的阻值。从表4.2-1中可知TSG高度范围-30~330mm，阻值范围2~320Ω。这样在以高度为横坐标，阻值为纵坐标构成的坐标系中，由高度与阻值组成的判断窗口至少有7个，而且在控制高度点±1mm内必须有采样数据。为保证可靠地数据采集，经过测量系统分析，发现浮子杆的运动高度至多每间隔0.15mm就必须要保证同时有高度值和阻值输入到PCI-6052E，考虑应用程序是个复杂的、完成诸多功能的测控程序，设定PCI-6052E的数据采样率≥4000Hz。
3. 软件结构总体设计
 TSG动态性能测试设备测控软件的程序编写上采取顺序结构，包括两个独立的、可并行运行的任务：St8.1：EKP性能测试和St8.2：TSG动态性能测试。在开机执行由Case编写的初始化程序后，设备自动选择009产品，程序进入操作状态。通过下拉菜单选择设备校验、校验调整、型号设置、型号选择和手动操作等功能，完成设备设置与调整。按下人机界面上的自动按钮后，设备进入自动状态。
4. 数据采集与曲线处理
 当测控软件执行到数据采集时，PCI-6052E进行5个通道（2个TSG，2个低液位，1个高度）进行连续差分数据采集，同时进行阻值的计算，直到浮子杆运动结束。
 一方面，测控软件将实时采集TSG阻值构成的纵坐标和高度值构成的横坐标打包成Cluster后输入到X-Y Chart Buffer子VI，该子VI与由TSG关键测量点构成的控制限框子VI一起经过Build Cluster Array处理后输出到Multiplot X-Y Graph子VI，最终画出TSG实时测量曲线。图4.4-1为TSG动态性能实时测量曲线，图4.4-2为TSG实时数据采集与作图的部分程序。实时曲线用于观察TSG动态性能测试过程中曲线趋势，比较粗略。低液位报警实时曲线的处理与此类似。
 另一方面，测控软件将整个采集过程中的TSG阻值数据、高度值数据和低液位报警数据分别用一维数组存储起来，在浮子杆运动结束后进行数据后台的组合、排序、筛选和结果判断，同时画出最终详尽的TSG动态性能测量曲线。
5. 其它功能的实现
 关于其它功能的实现，在测控软件编写过程中还应用到了文件的存储和调用、事件驱动、下拉菜单与程序结合、循环顺序跳转控制、子VI关联与调用、X-Y坐标下的多曲线实时显示和多任务并行执行等技巧，在此就不一一详述了。图4.5-1为产品参数设置界面。图4.5-2为TSG动态性能测试的用户界面。
五、 结束语
 该项目经过开发、设计、制造、安装、调试和验收，顺利投入正常生产运行，图5-1为整个测控设备的外观照片。设备投入运行后，生产节拍从原来的90s提高到现在的30s，产量提高了近3倍。TSG动态性能测试的过程完全模拟油箱中TSG的真实状态，设备达到BOSCH相关厂的性能要求，其性能稳定、用户界面友好、操作简便及可靠性赢得好评，至今已投产近九个月，总产量累计超过20余万件。

 
 
图4.4-1 TSG动态性能测试实时测量曲线

 
图4.4-2TSG动态性能测试实时数据采集与作图VI

 
图4.5-1 产品参数设置界面

 
图4.5-2 TSG动态性能测试用户界面

 
 
图5.1 TSG动态性能测试设备现场生产照片