基于小野FP-2140HA流量计的车辆油耗采集系统

姚 强，端方勇，祖万里

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230091）

21世纪以来中国汽车保有量不断攀升，截止2020年末全国民用汽车保有量28087万辆［1］，能源短缺、雾霾污染等问题日益凸显。为缓解这一系列问题，国家相关部委对汽车制造企业生产车辆的平均油耗管控日趋严格，并制定了《GB/T 19233-2020轻型汽车燃油消耗量试验方法》。

在汽车消费市场，车辆的燃油消耗值逐渐成为消费者在购车时考虑的重要因素之一，在客户日常使用过程中燃油消耗量大时常会引起客户强烈的抱怨，因此汽车生产企业在车辆出厂前会进行一系列的燃油经济性测试。

目前，测量汽车的燃油消耗一般采用碳平衡法利用排放分析仪间接测试或者通过流量计（质量式或体积式）串联于汽车油路中直接测试。小野公司生产的FP-2140HA体积式流量计作为一种便携式油耗测试设备，广泛应用于汽车行业的燃油消耗测试中。

1 小野FP-2140HA流量计介绍

FP-2140HA流量计（图1）为日本小野公司生产的一款体积式流量计，其量程广、精度高、响应快、重复性好、有可逆补偿装置，即使在脉流及逆流时也能保证高精度测试，且结构安全、可靠，能直接装在汽车上长时间连续测试使用，被众多汽车厂商广泛应用。其参数及原理见表1。

图1 FP-2140HA流量计

表1 FP-2140HA流量计参数

图2为小野流量计原理，流量计分为上下两部分。下部：流量/转速变换部。它由4个呈辐射状的活塞往复运动，再带动曲轴作旋转运动。这样，流体依次从活塞流入、流出，使流量转变成曲轴的转速。上部：转速/脉冲信号变换部。曲轴的旋转运动通过磁性联轴节带动旋转编码器旋转，就把转速变换成相应的脉冲信号。通过信号端子，把该脉冲信号送到DF、FM系列运算显示仪中，显示出瞬间或累计流量。

在使用过程中将FP-2140HA流量计接入车辆油路中，并将流量计信号接入到小野DF-210A、FM-2500、FM1500流量显示仪。显示仪可以显示燃油的瞬时油耗、记录一段时间或距离内的燃油累积消耗量燃油，试验过程中的燃油瞬时消耗值无法记录。

在整车经济性能分析中燃油瞬时消耗值是关键的过程数据，高频率、准确、可靠的燃油瞬时油耗数据可以分析出任意阶段的燃油消耗情况，为整车降低油耗开发方案提供强有力的数据支持。利用FP-2140HA流量计测试车辆的瞬时油耗，开发一套集成车速信号测试的高频数据测试系统即可实现整车燃油消耗的高频率采集分析功能。

2 小野FP-2140HA流量计输出信号分析

2.1 信号分析方案

FP-2140HA流量计信号接口为5针插接器，针脚1为信号1，针脚2为信号2，针脚3为搭铁线，针脚4为屏蔽线，针脚5为电源正。将小野流量计FP-2140HA接入车辆燃油供给系中，并使用其配套的二次仪表DF-210A测量显示燃油消耗，同时测试二次仪表上输出的模拟信号V-out、频率信号Pout、针脚1、针脚2的信号。通过二次仪表油耗显示值、二次仪表输出值与所采集的针脚1与针脚2的原始信号，解析出针脚1信号、针脚2信号与油耗信号的关系，信号解析原理如图3所示。

图3 信号解析原理图

2.2 信号采集分析

试验中使用PXI共采集了5路信号的数据，采样频率为10kHz。其中二次仪表的P-out和流量计1、2号针脚上的信号为标准的脉冲信号，如图4所示。在计算机上使用Matlab软件编程对以上数据进行滤波整理；其次对PXI的AI1、AI2、AI3三个通道采集的数据进行计数和分析。小野油耗传感器接口的1针和2针输出的两路脉冲信号相位差为一定值，而且两路信号之间有一定的对应关系，因此把两路方波放在同一个坐标轴下。我们对多组数据进行分析并查阅相关资料发现，当小野流量计内部转动正转时，流量计接口1针的下降沿对应流量计接口2针的高电平，当流量计内部转动反转时，流量计接口1针的下降沿对应流量计接口2针的低电平。流量计正反转脉冲信号对应关系如图5所示。

图4 1针和2针及P-out脉冲图

图5 流量计正反转时第1针和第2针的关系

根据上面这个实验结果，使用Matlab进行以下处理。当流量计接口1针脉冲为下降沿时，对应流量计接口2针脉冲为高电平时计数加1，低电平时计数减1处理，以下称为流量计1针有效脉冲；当流量计接口2针脉冲下降沿时，对应流量计接口1针脉冲为低电平时计数加1，高电平时计数减1处理，以下称为流量计2针有效脉冲，最后使用表格表示计数结果。各个信号脉冲数目统计如表2所示。

表2 试验分析油耗传感器脉冲当量的油耗

通过以上数据可以看出无论以油耗传感器接口的1针还是2针的有效脉冲进行计算，其结果都是相同的。通过实车应用测试的油耗数据进行计算和二次仪表Pout脉冲数据进行验证，最终确定流量计1针或2针的每个有效脉冲代表的耗油量相同，均为0.09065mL。

3 基于小野FP-2140HA流量计的车辆油耗采集系统设计

3.1 油耗采集原理及方法

从以上分析可知小野FP-2140HA流量计采用正交编码器［2］（又名增量式编码器），其输出的两路脉冲序列相位相差90°，通过检验哪个序列领先可确定计数器增减，从而同时获得油管中汽油流动的位置和方向两个信息。

通过数字采集通道采集油耗仪两列脉冲信号，并根据编码关系计算出有效脉冲的计数值，根据其与脉冲当量的关系换算出实际油耗值。采集脉冲信号的同时记录时间信息，与得到的油耗值相关联。通过计算油耗与时间的关系，可得出瞬时油耗值。由此完成了瞬时油耗的采集。

3.2 采集系统结构

采集系统包括上位机和下位机两部分，下位机基于NI cRIO-9012数据采集平台［3］，实现油耗和车速传感器信号的采集、CAN总线通信、U盘保存数据、状态指示等功能。上位机实现数据接收和处理，界面显示和管理等功能。上位机与下位机通过Kvaser USBcan II设备实现CAN总线通信。油耗瞬时采集系统结构如图6所示。

图6 瞬时油耗采集系统结构图

3.3 cRIO采集器功能实现

采用NI的cRIO-9012控制器作为数据采集平台处理器，它具有良好的功能扩展性，通过在机箱配置不同的功能模块并编写控制软件，可实现各种不同的功能。可以通过配备的模块实现串口通信、CAN总线通信、模拟电压信号采集、模拟电流信号采集、数字信号通信等功能。对模块各个接口定义完毕并写入软件后，引出接线端子，完成cRIO采集器的设计和制作。实物如图7所示。在瞬时油耗采集系统中，对于各个功能的实现，分别使用cRIO控制器及以下功能扩展模块实现。

1）瞬时油耗采集 通过NI 9403数字输入/输出模块，采集FP-2140HA流量传感器的两路脉冲序列信号，并解析转换为有效脉冲的脉冲计数信息，将数据保存为数字逻辑信号后再对其进行计数和计算。信号采样频率为50kHz，采样周期为20μs。对有效脉冲的计数采用X4编码方法，使有效脉冲计算精度提高到0.25个脉冲。

2）车速信息采集 通过NI 9205模拟输入模块，采集车速传感器输出的模拟电压信号，并转换为车速信息，模拟电压采样范围为±10V。通过测得的模拟电压数值，按照车速传感器对应的转换比例系数，即可得到车速数字信号。

3）CAN总线通信 下位机通过NI 9853双端口高速CAN模块，将采集解析后的数据信息通过CAN总线传送给上位机，同时，上位机通过CAN总线发送指令，实现对下位机的控制。本系统采用瑞典Kvaser公司的基于USB的双通道CAN总线分析仪Kvaser USBcan II收发CAN数据。

4）下位机数据保存 将USB大容量存储设备连接至cRIO-9012，实验数据将通过.txt文本文件保存其中。

3.4 百公里油耗计算方法

采集单位时间NI 9403数字输入/输出模块采集流量传感器FP-2140HA的两列脉冲序列信号，将数据保存为数字逻辑信号后再对其进行计数，对有效脉冲的计数采用X4编码方法，使有效脉冲计算精度提高到0.25个脉冲。从NI 9205模拟输入模块，车辆车速信号v。百公里油耗Q［4］计算如下：

式中：Q——百公里油耗，100km/l；k——流量传感器发出的脉冲数；f——流量传感器的系数，0.09065ml。

4 采集软件功能

采集软件主要包括数据接收与分析显示程序、保存数据格式转换程序，通过LabVIEW编写［5］。程序架构如图8所示，程序界面如图9所示。

图8 上位机LabVIEW程序架构

图9 上位机LabVIEW程序主界面

5 总结

通过实际测试，基于小野FP-2140HA流量计设计的车辆油耗采集系统完全满足车辆油耗的测试研究，油耗信号脉冲分辨率达0.25个脉冲，时间精度微秒级，数据更新频率自适应调节，当前最高达10Hz，设备实现了油耗数据的高频采集、显示、记录，可以满足车辆道路和台架油耗试验。