一種改進的活塞溫度存儲測試系統

夏湖培，蘇新彥，劉培珍，劉 賓

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

一種改進的活塞溫度存儲測試系統

夏湖培，蘇新彥，劉培珍，劉 賓

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051）

介紹一種改進的活塞溫度存儲測試系統，通過增加實時時鐘和數據壓縮算法，很好地解決傳統活塞存儲測試實時性不足及測試時間受限的問題。測試系統硬件電路以ATmega168微處理器為核心，以K型熱電偶為傳感器，包含溫度開關、實時時鐘模塊、多通道溫度測試模塊、信號放大及調理模塊、冷端補償模塊、存儲器模塊等。系統上位機是以LabVIEW為開發工具設計的軟件，用于對數據進行分析、處理和顯示。實驗結果表明：系統的相關改進準確有效，且能滿足對活塞長時間測溫的要求，特別是數據壓縮算法大大減少存儲器的數量，縮小電路體積，為小型內燃機的活塞溫度測試提供便利。

活塞；測溫；存儲；數據壓縮

0 引 言

目前針對活塞溫度測試主要有存儲測試及無線遙測方法。無線遙測可以實時檢測不同工況下的溫度，典型的代表是美國密歇根技術學院及北京理工大學分別研制的活塞溫度場紅外遙測系統，但其通信易受發動機內復雜環境干擾而中斷，從而導致測試數據不連續、不完整，且由于無線發射需要較大功率，系統功耗較大[5]。存儲測試能完整連續地采集信號且功耗較低，但其缺點在于實時性不強且測試時間受限于存儲器容量；對此，本研究提出了一種改進的活塞溫度存儲測試方案。通過添加實時時鐘電路，在保存溫度數據的同時保存時鐘數據，使讀取溫度時能與測試時記錄的相應工況對照，從而改善實時性不足的問題。針對測試時間的問題，除了選擇符合尺寸、耐溫要求的大容量存儲器之外，還根據溫度數據的變化特點設計了數據壓縮算法，在不影響數據完整性的前提下減少了溫度數據的存儲空間從而延長了測試時間。

1 測試系統總體設計

本活塞溫度存儲測試系統分為溫度采集存儲部分和電腦端上位機軟件部分，兩部分通過RS232串口通信。溫度采集存儲部分由溫度開關、實時時鐘模塊、多通道溫度測試模塊、冷端補償模塊、信號放大及調理模塊、存儲器模塊和微處理器組成。上位機軟件采用LabVIEW設計，用于讀取存儲的數據并對數據進行處理和顯示。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 測試系統總體框圖

2 測試系統硬件設計

由于內燃機活塞長期處于高溫狀態，且可供安裝電路的空間狹小，因此為保證系統可靠工作，所有器件均要求用耐高溫的小型貼片封裝。系統采用自啟動設計，用溫度開關控制是否上電，開啟溫度設為60℃，當溫度低于60℃時系統處于掉電狀態。實時時鐘由I2C總線的軍品級時鐘芯片PCA8565提供，使用時需向相應的寄存器寫入當前的時間，然后只需保證供電正常，芯片就能自動完成計時功能。時鐘模塊采用單獨的耐高溫紐扣電池供電，計時不受溫度開關影響。

多通道溫度測試模塊采用K型熱電偶作為傳感器，熱電偶為接觸式測溫，使用時將熱電偶的熱端鑲嵌固定在活塞表面，測溫簡單準確。8路不同的熱電偶信號通過雙8路模擬開關切換。熱電偶的冷端補償采用計算修正法[6-8]，首先利用LM71數字溫度傳感器測出冷端溫度，再通過相關公式計算出實際熱電勢。

圖2 信號放大及調理模塊電路原理圖

熱電偶直接測量的信號為mV級，且伴隨拾取噪聲，必須進行降噪和放大處理才能AD量化，信號放大及調理電路如圖2所示。熱電偶信號首先通過前置RFI濾波器濾除高頻共模和差分噪聲，然后通過儀表放大器來抑制低頻率共模噪聲，最后由后置RC濾波器濾除殘余噪聲。系統設計的測溫范圍為60～500℃，ADC的上參考電壓由外部2.5V基準電壓芯片提供，500℃的熱電勢為20.64mV，考慮到冷端熱電勢，因此將放大器的放大倍數設置為G=100。

微處理器芯片采用AVR單片機ATmega168，AVR單片機具有高性能、高速度、低功耗的特點。ATmega168內部包含SPI、I2C、UART等通用總線接口，方便與外設連接，且具有內部時鐘振蕩電路和ADC，適合應用于對電路體積要求嚴格的場合。系統直接使用單片機內部10b的ADC對熱電偶的信號進行量化，由于活塞溫度變化相對較慢[9-10]，故采樣率設為1Hz。

存儲器的選擇直接關系到測試時間的長短，通過查找大量資料發現Flash存儲器存儲容量大，但是耐高溫的Flash芯片封裝無法滿足要求，而E2PROM能滿足封裝及耐溫的要求，但是滿足要求的單片容量最大的只有256 Kb（32768×8b）。以采樣率1Hz，一次需存儲8個通道的10 b溫度數據計算，則一片E2PROM的存儲時間為因此，若要求測試時間不低于3.5h，則需使用7片E2PROM，而這勢必增加了電路板體積。對此，本研究設計了針對溫度存儲的數據壓縮算法，大大減小了溫度數據長度，使E2PROM減少到4片，很好地解決了電路板體積和測試時間的矛盾。

借用吸收外來詞匯是英語擴大其詞匯量的常見手法，科技新詞中的技術詞和正式詞更是如此。拉丁語和希臘語是英語科技詞匯借用最多的兩種語言。拉丁語和希臘語之所以能成為科技詞匯借用最多的語言，是因為現在沒有哪個民族用它們作為母語，日常交際也基本不用，因而它們不會像其他使用中的語言那樣由于社會的發展而引起詞義的變化，也就少了因多義引起歧義。到了近現代，隨著母語為非英語的德國、法國、日本、意大利、前蘇聯、中國等的科學技術迅速發展，科技新詞也從這些國家大量流入英語。 例如： hydropul[德語]液壓；engine[法語]發動機；design[意]設計；taikonaut[漢語]宇航員。

3 溫度數據壓縮算法設計

3.1 溫度數據的獲取

熱電偶信號E經放大調理后進入單片機內AD量化，量化公式如下，其中G=100，VREF=2.5V：

冷端補償的電勢值需先通過數字溫度傳感器測出冷端溫度，然后在單片機內部查找熱電偶分度表得出冷端熱電勢E′，再根據式（1）算出其量化值。活塞的實際溫度所等效的熱電勢為熱端電勢值與冷端電勢值之和。

3.2 壓縮算法設計

實際溫度所等效的熱電勢值為10b，而E2PROM存儲器為8b，故一個完整的溫度數據需用2個字節來存儲，其中存儲高位的字節只有2位有效位，其他6位均為0，因此如何減小高位數據存儲空間的浪費是壓縮的關鍵。

通過分析可知高2位的數據只有00、01、10和11這4種情況，且變化的概率較低，因此可以只在高位數據發生變化時才存入存儲器中，否則只存低8位數據。同時為了區別高位和低位，必須在高位數據前添加用于標志的數據字節，標志字節必須是溫度數據不會出現的組合。由于活塞溫度的變化是一個相對較緩慢的過程，數據不可能在1 s內發生巨大變化，因此可以設置一組大、小數據的連續變化作為標志字節。

因為冷、熱端熱電勢量化公式相同，可計算出實際熱電勢變化量ΔE為

根據式（2），系統設0×80，0×00，0×80為標志字節組。0×80與0×00對應最小的ΔADC=0×80，計算得ΔE最小為3.125mV，對應溫度變化量約為70℃，而實際情況下這是不可能出現的，故該標志字節是準確可用的。

數據存儲時以每8個通道為1幀，為防止通道的誤讀，還需為每幀數據添加幀頭，幀頭的設置與標志字節類似，設為0×80，0×FF，0×80。數據壓縮算法流程如圖3所示。

4 系統軟件設計

4.1 單片機程序設計

圖3 數據壓縮算法流程

圖4 程序流程圖

由于系統屬于存儲測試，所以單片機程序分為數據采集存儲和數據讀取、擦除兩部分，程序流程圖如圖4所示。數據采集存儲部分完成對活塞內多通道溫度數據的采集和壓縮存儲功能，其中實時時鐘數據只需在系統開始進入采集存儲狀態時保存一次，之后的時間節點可根據數據的幀數計算出。當完成測試后重啟測試系統，則系統進入數據讀取、擦除的進程，上位機讀取存儲器中的數據進行分析及顯示，擦除命令用于清除存儲器內數據，使單片機下次啟動后進入采集進程。

4.2 上位機軟件設計

上位機是以LabVIEW作為開發工具設計的用于接收及處理單片機數據的軟件。上位機通過串口讀取存儲器內的數據，然后對數據進行分析、解壓及顯示。

上位機讀取熱電勢數據后，根據K型熱電偶分度表的最小二乘法擬合的曲線公式[11]，計算出相應的溫度值并顯示。

5 試驗結果及分析

5.1 系統測試的準確性

系統與標準熱電偶溫度計一同測試高溫箱內的溫度變化以檢驗系統的準確性。為保證測試點溫度一致，所有熱電偶都粘貼于同一塊大小為30mm× 30mm×10mm的鐵塊上，將鐵塊置于高溫箱內。同時為保證溫度開關開啟，應使系統處于高于60℃的環境。測試時記錄標準溫度傳感器的溫度變化及對應時間節點，以便與系統測試結果對比。

表1選取了一組系統在300℃上下的測試值和對應時刻記錄的標準值，由表可知系統測試誤差低于1℃，滿足對活塞測溫的準確度要求。

表1 測試值與標準值比較 ℃

5.2 活塞測溫實驗

將裝有測溫系統的活塞安裝于某型單缸機進行實際測試。實驗時分別測試發動機在轉速為1000，1800，2200r/min 3個不同工況下的溫度，并在測試的同時記錄對應時刻。測試結束后通過上位機讀取測試數據，圖5為通道1在轉速由1 500 r/min上升至1800r/min的測試結果。

外界記錄的對應工況時間為10：47：32至11：23：43，由圖可知，在該工況下第1通道溫度從305℃緩慢增加至355℃，溫度變化較為平滑。

實驗采集開始時間為09：49：17，最后一幀數據對應時間為14：13：03，共工作4.4h，完全滿足對活塞長時間測溫的要求。

圖5 活塞溫度測試結果

6 結束語

本文設計的活塞溫度存儲測試系統針對傳統測試系統在實時性及測試時長方面存在的一些問題，提出了增加時鐘電路和設計數據壓縮算法的方法，并最終通過實驗驗證了改進方法的有效性和可行性。該系統也可廣泛應用于其他安裝空間有限的高溫溫度測試場合。

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An improved testing system for piston temperature storage

XIA Hupei，SU Xinyan，LIUPeizhen，LIU Bin
（State Key Laboratory for Electronic Testing Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

An improved testing system for piston temperature storage was introduced.It has well solved the real-time deficiency and inspection time restriction of traditional piston temperaturestoring tests by adding a real-time chip and designing a data compression algorithm.Apart from an ATmega 168 microprocessor as the core part and a K-type thermocouple as the sensor，the system is chiefly composed of a temperature switch，a real-time clock module，a multi-channel testing module，signal amplifying and conditioning modules，a cold junction compensation module and amemorymodule.In theuppercomputer，apieceofsoftwarewasdeveloped bya development tool Labview to analyze，process and display testing data.The experimental results show that the system improvement is accurate and effective and the data compression algorithm has greatly reduced memory chip numbers and circuit sizes in particular，helping test the piston temperatures of mini-type internal-combustion engines.

piston；temperature test；storage；data compression

A

：1674-5124（2015）05-0063-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.016

2014-09-09；

：2014-11-10

夏湖培（1991-），男，江西鷹潭市人，碩士研究生，專業方向為電子測試技術。