一種柴油機油嘴測控系統的設計與實現

楊燕

（廣州城市職業學院 廣東 廣州　510405）

一種柴油機油嘴測控系統的設計與實現

楊燕

（廣州城市職業學院 廣東 廣州510405）

針對柴油機油嘴機械化的裝置，提出一種高性能、智能化的測控系統。系統采用高性能Cortex-M3作為處理器，4寸觸摸屏用作人機交互界面，內嵌UCOS-II操作系統管理軟件。系統實現多路數據采集、實時檢測設備參數，并采用PWM功能控制輸出。實驗平臺顯示，系統功能區分明確，集成度高運行穩定，人機交互界面友善，操作方便。

柴油機油嘴；測控系統；Cortex-M3；觸摸屏

目前國內只有噴油嘴總流量測試設備［1］，還沒有噴油嘴各個噴孔流量檢測的試驗臺，況且對噴油嘴各噴孔流量的測量還存在較多的困難［2］。在檢測方面［3］，針對柴油機油嘴的檢測系統一般是單路的、只檢測速度、大小、壓力、總流量中的某些指標，設計的較為簡單；在控制輸出方面［4］，一般也是單路操作，控制輸出某一指標量。隨著機動車工業發展的需要，研制噴油嘴各孔流量多路檢測和控制設備，無論是對噴油嘴結構參數，還是對柴油機性能影響的研究或是對于噴油嘴的生產檢測都具有重要意義。

1　柴油機油嘴測控結構

噴油嘴噴孔流量的大小及均勻性對柴油機的性能有重要影響。國內車用柴油機大都采用四孔或五孔的孔式噴油嘴。噴孔的加工精度要求高、加工難度大，在生產過程中容易出現偏差，國產噴油嘴在使用中常發現同一型號、同一批次的偶件，不僅總流量不同，而且各個噴孔的流量也有差異，從而造成噴油嘴的裝機性能明顯不同。

孔式噴油器是直噴式柴油機的重要部件，測控系統的設計主要有兩部分：1）對油嘴噴油量的檢測：關注的是其噴射壓力，噴霧質量、噴孔總流量，以及噴油嘴各噴孔流量的檢測。噴油器各個噴孔流量的大小對柴油機的功率、扭矩、油耗和排放等性能指標都是有重要影響的。2）對油嘴噴油的控制：要求能實現流量速度、大小、壓力、總流量的精確控制。

2　系統功能模塊

根據柴油機油嘴測控系統結構，設計系統功能模塊如圖1所示，具體各部分功能如下：

圖1　系統功能模塊Fig．1　Function module of the system

①系統主控制芯片模塊：

系統采用ARM公司的Cortex-M3［5］處理器負責對整個系統管理。處理器采集多路傳感器數據進行分析，并通過4寸LCD顯示屏顯示出來。它同時可以檢測各個模塊的工作狀態，包括油嘴流量速度、大小、壓力、總流量；控制多通道PWM，輸出脈沖個數和波形，實現對目標的控制。

②系統顯示模塊：

系統采用4寸800*600分辨率的LCD顯示屏，把采集到的各種數據顯示給用戶。

③觸摸屏模塊

系統的主要輸入設備，各部分功能的調試和人機交互信息輸入都是通過觸摸屏來實現。系統使用電阻式的觸摸屏，精度為12 bit。

④油嘴檢測模塊

由多路傳感器組成，包括流量傳感器和壓力傳感器。負責對油嘴流量的速度、大小、壓力、總流量進行檢測，并把檢測到的數據傳到系統主控模塊。

⑤旋轉脈沖檢測模塊

負責對系統輸出的脈沖個數進行檢測以計算總流量，并把檢測到的數據傳到系統主控模塊。

⑥1路固定占空比的PWM輸出模塊

負責控制固定的輸出量，即實現噴油量的固定輸出控制。

⑦8路輪循PWM輸出模塊

負責動態調整輸出量的大小，即實現噴油量的可調節控制。

3　系統平臺硬件設計

柴油機油嘴測控系統硬件平臺［6］，主要由控制端硬件、供電電路和各控制驅動模塊3部分組成。人機交互界面控制端采用主控芯片Cortex-M3處理器，供電電路包括主控端電源電路、驅動端高壓產生電路，控制驅動模塊包括高低壓輸出驅動電路、驅動信號光耦隔離、油泵及共軌泵計量閥光耦隔離及驅動輸出等部分。

3.1電源供電電路

系統電源部分采用110 V和24 V兩組電壓供電：外部驅動電路采用110 V供電電路；CPU核心及其相關信號傳輸驅動組件，采用24 V供電電路，以盡量降低系統的功耗。如圖2所示，系統設計高壓產生電路，用于柴油機油嘴工作供電。

圖2　高壓產生電路Fig．2　Driving circuit of high voltage

3.2油嘴高低壓輸出驅動電路

柴油機油嘴高低壓供電部分采用不同的供電電路，其相應的輸出驅動部分也不同，具體電路圖與線路連接如圖3所示。系統通過處理器3．3 V的輸出引腳，使能芯片IR2110S，實現控制信號的轉換，以此驅動110 V的高壓油嘴工作。

3.3柴油機油嘴工作電路

系統控制部分是直流低壓工作電路，柴油機油嘴工作部分是交流高壓工作部分，兩者之間工作需要設計相應的隔離電路。如圖4所示，系統CPU工作部分和油嘴電路工作部分之間，采用信號光耦隔離及驅動輸出，避免不同類型電壓之間工作的串擾。

4　系統軟件設計

系統中央處理器為Cortex-M3芯片，負責整體系統的運算控制、驅動調配與界面管理。系統軟件設計的整體流程如圖5所示，主要包括引導加載程序Bootloader、操作系統、文件系統和用戶應用程序4部分。應用程序包括柴油機油嘴的檢測部分、數據運算處理部分和輸出控制部分，具體步驟為：系統上電后進入初始化程序，隨即檢測啟動工況；檢測怠速工況，通過對柴油機噴油量大小，計算PWM脈寬輸出；根據輸出情況同時執行噴油量脈寬的修正。系統隨后檢測啟動和怠速情況，同時對加減速度的脈寬輸出閾值做出相應的調整；系統多任務調度，周期性檢測外來相應事件的發生，并作相應處理。如此反復執行操作，最終返回初始狀態。

5　系統實際運行效果

系統開發了實時人機交互界面，同時采用4寸的LCD觸摸屏進行顯示。用戶可以實時觀測柴油機油嘴工作狀態，根據需求以控制柴油機的工作。系統整體外觀及測試界面如圖6所示，系統界面美觀、操作簡潔方便，經過多次的測試與使用，工作狀態運行穩定。

圖3　油嘴輸出驅動電路Fig．3　Driving circuit of diesel injector

圖4　光耦隔離及驅動輸出Fig．4　Opto-isolator and output

圖5　軟件設計流程圖Fig．5　Flow chart of the software design

圖6　系統外觀及人機交互界面圖Fig．6　Surface and interface chart of the test system

6　結束語

根據柴油機測控裝置的結構，以Cortex-M3芯片為中央處理器，通過加入油嘴檢測傳感器、脈沖傳感器檢測系統工作狀態，PWM脈沖輸出控制柴油機油嘴噴油量，設計了一個柴油機油嘴的測控系統，。系統采用4寸電阻式液晶觸摸屏幕的顯示與輸入功能，作為直觀形象的人機交互界面。實驗平臺顯示，系統功能區分明確，集成度高運行穩定，可多路同時檢測與控制，人機交互界面友善，操作方便。根據運行測試狀態與使用效果顯示，系統顯示信息清晰、操作方便、可拓展性強，方便柴油車維修人員對柴油機油嘴的測控，有較好的應用價值。

［1］Baxter P D，Lang V．A Microprocessor-Based Positive Displacement Measurement System for Diesel Pump and Injector Performance Testing［J］．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1979，28（4）:317-320．

［2］Johansen T A，Egeland O．Free-piston diesel engine timing and control-stoward electronic cam-and crankshaft［J］．IEEE Transactions on Control Systems Technology，2002，10（2）: 177-190．

［3］繆雪龍，王先勇，俞建達，等．超多噴孔油嘴噴油規律試驗研究［J］．內燃機學報，2008（4）:307-312．

［4］陸玲亞，夏少華，王吉華，等．柴油機電控EGR系統設計與試驗研究［J］．現代車用動力，2010（1）:6-9．

［5］王永虹，徐煒，郝立平．STM32系列Cortex-M3微控制器原理與實踐［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2007．

［6］Kwang-il Hwang，Byoung-Jo Choi．Enhanced self-configuration scheme for a robust ZigBee-based home automation ［J］．IEEE Transactions on Consumer Electronics，2010，56 （2）:583-590．

Design and implementation of measurement and control system for diesel injector

YANG Yan
（Guangzhou City Polytechnic，Guangzhou 510405，China）

A kind of measurement and control system，which is high-performance and intelligent，is proposed for the diesel injector in this paper．The high-performance Cortex-M3 as the processor；inches touch screen as human-computer interaction interface，and built-in UCOS-II as the operating system are employed in this system．Functions can be realized，such as multi-channel data acquisition，real-time monitoring，and output control based on PWM in this system．The system proposed in this paper is clear in function distinction，high in integration level，stable operation，friendly in human-computer interaction interface and easy operation，by the presented experimental platform．

diesel injector；measurement and control system；Cortex-M3；touch screen

TN803．5

A

1674－6236（2016）02-0062-03

2015-03-07稿件編號：201503100

廣州市教育科學“十二五”規劃2012年度課題（12A169）；廣州市教育科學“十二五”規劃2013年度課題（2013A202）；廣州城市職業學院科研課題（Ky2013006）；廣州市科技計劃2015年科學研究專項（201510010192）

楊 燕（1968—），女，貴州貴陽人，碩士研究生，講師。研究方向：嵌入式系統，自動控制技術。