基于微機(jī)控制的發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王中源 張金龍

摘? 要：研究并設(shè)計(jì)了一種以IPC（Industrial Personal Computer，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）為核心的微機(jī)控制測試系統(tǒng)。解決了電控發(fā)動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而無法用一般測試儀器排查故障的問題。該測試系統(tǒng)根據(jù)電控發(fā)動(dòng)機(jī)顯示的信號(hào)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)作狀況，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，較高的可信度，并且操作簡便。

關(guān)鍵詞：IPC;微機(jī)測試系統(tǒng);電控發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：U467.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0047-03

Abstract： A microcomputer control test system with IPC （Industrial Personal Computer） as its core is studied and designed. The problem of the electronic ally engine being unable to troubleshoot with the general test instrument due to the complicated structure is solved. The test system is based on the signal data displayed by electronically controlled engine， which verifies the operation of the engine， has strong anti-jamming ability， high confidence， and is easy to operate.

Keywords： IPC; microcomputer test system; electronic engine

引言

電控發(fā)動(dòng)機(jī)以基本信號(hào)反應(yīng)實(shí)際工況。該信號(hào)進(jìn)入電控發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元（ECU）后，根據(jù)各種因素對其進(jìn)行補(bǔ)償?shù)炔僮鬟M(jìn)行調(diào)整，通過此類合理控制后，從而得到最合適的油氣成分和點(diǎn)火時(shí)刻。但電控機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繁雜，普通儀器一般無法提供測試故障診斷功能。因此，研究并設(shè)計(jì)了一種以IPC（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)）為核心的微機(jī)控制測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對電控發(fā)動(dòng)機(jī)一系列信號(hào)的測試，完善了電控發(fā)動(dòng)機(jī)的測試功能。

1 測試原理

電控發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)由許多電子自動(dòng)控制裝置構(gòu)成，包括傳感器，執(zhí)行元件和電子控制單元（ECU）。其中，傳感器負(fù)責(zé)將發(fā)動(dòng)機(jī)各類信息傳遞給電子控制單元（ECU）。電子控制單元（ECU）是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的核心，含有專屬控制微機(jī)和接口電路。在各種情況下，存儲(chǔ)電控發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳的油氣混合度和點(diǎn)火定時(shí)。它工作時(shí)，根據(jù)傳感器提供的實(shí)時(shí)信號(hào)，由執(zhí)行器調(diào)整油氣混合度和點(diǎn)火定時(shí)。由此可見，三種電控裝置相輔相成，缺一不可。因此，設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)測試發(fā)動(dòng)機(jī)輸出信號(hào)的功能，并包含在各種工況下，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)傳感器的信號(hào)，以此測試ECU和執(zhí)行器的工作狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以ISA總線的IPU為核心，主要有信號(hào)檢測和計(jì)算機(jī)兩個(gè)部分。為確保測試系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，該系統(tǒng)選取性能較好的I/O模板，主板，CPU，處理器等。

該測試系統(tǒng)主要測試數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)這兩種信號(hào)。數(shù)字信號(hào)通過光電耦合器輸入計(jì)算機(jī)，光電耦合器選取16/24路光隔離D/I板，型號(hào)PCID-782B。考慮到隔離電壓最小值為1500VDC，而輸入通道均含高于隔離電壓最小值的光電隔，所以將光電隔離信號(hào)設(shè)置在兩通道和輸入通道與IPC之間。模擬信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡選取含有自動(dòng)通道掃描的高性能數(shù)據(jù)采集卡，型號(hào)PCL-818HD。它包含采樣速率可達(dá)到100KHz的12位A/D轉(zhuǎn)換器，16個(gè)連續(xù)字節(jié)的I/0端口，DB-37的A/D，D/A接口。

測試的信號(hào)通過IPC處理后，轉(zhuǎn)化成顯示器中的數(shù)字和圖像，并可以打印出相應(yīng)的圖表和曲線。

3 軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)選用RAD Studio XE3設(shè)計(jì)軟件。該軟件可按照各自功能劃分為五個(gè)模塊，如圖2所示，這五個(gè)模塊分別為密碼模塊、初始化模塊，實(shí)時(shí)信號(hào)采集與顯示模塊、數(shù)據(jù)記錄與報(bào)表模塊及幫助模塊。

3.1 密碼、初始化模塊

密碼、初始化模塊主要負(fù)責(zé)軟件的參數(shù)設(shè)置，可用于A/D轉(zhuǎn)換、測量頻率等。

該測試系統(tǒng)選取的以ISA總線的IPU，具有高性能的光電耦合器和數(shù)據(jù)采集卡，利用這些硬件本身含有的驅(qū)動(dòng)程序，可將其拓展為更加完整的DLL軟件（Dynamic Link Library，動(dòng)態(tài)鏈接庫文件）。通過此程序，可實(shí)行復(fù)雜的I/O查詢和中斷以及DMA （Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取）方式并行處理。該測試系統(tǒng)將拓展所得的過程相關(guān)程序存放在模塊文件中，以方便調(diào)用。

除了軟件程序的設(shè)置，還需要設(shè)置一系列硬件參數(shù)。設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)可在主界面中的工具/初始化菜單，進(jìn)入“初始化參數(shù)模塊”來設(shè)置硬件參數(shù)。

3.2 實(shí)時(shí)信號(hào)采集與顯示模塊

實(shí)時(shí)信號(hào)采集與顯示模塊主要負(fù)責(zé)采集電控發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的一系列信號(hào)以及與之對應(yīng)的波形顯示。一般來說，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是通過測量曲軸轉(zhuǎn)速來確定。因此，測量轉(zhuǎn)速時(shí)，光電脈沖式傳感器的一端連接在轉(zhuǎn)軸上，信號(hào)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電壓，輸出脈沖信號(hào)。通過定時(shí)/計(jì)數(shù)器測量脈寬或固定時(shí)間內(nèi)的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)，又因?yàn)槊}沖信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)速成正比，故可由脈沖信號(hào)頻率推算出被測轉(zhuǎn)速。

點(diǎn)火、噴油等信號(hào)的測試同樣是通過定時(shí)/計(jì)數(shù)器，測量脈寬或在固定時(shí)間內(nèi)的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

在采集到轉(zhuǎn)速，點(diǎn)火，噴油等一系列信號(hào)后，由RAD Studio XE3設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用畫圖功能，將圖像顯示在顯示器上。

3.3 數(shù)據(jù)記錄和報(bào)表模塊

數(shù)據(jù)記錄和報(bào)表模塊主要利用了RAD Studio XE3設(shè)計(jì)軟件擅長運(yùn)用數(shù)據(jù)庫管理器系統(tǒng)的優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，管理和維護(hù)。同時(shí)，利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以方便地查詢數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息。在數(shù)據(jù)記錄時(shí)，可多通道采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，記錄的數(shù)據(jù)可精確到秒數(shù)。由此再使用RAD Studio XE3設(shè)計(jì)軟件所供的報(bào)表制作程序及工具，創(chuàng)建報(bào)表文件，并可供打印。

3.4 幫助模塊

為方便用戶使用，以備突發(fā)情況的出現(xiàn)，本系統(tǒng)開發(fā)中，整合了文本文件、目錄文件、項(xiàng)目文件，建立幫助模塊以供用戶使用。

3.5 抗干擾設(shè)計(jì)

由于電控發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，在各種工況下存在許多干擾。考慮到各種干擾性，為此，測試系統(tǒng)的硬件和軟件都為測試系統(tǒng)的抗干擾性做出了合理的設(shè)計(jì)。

3.5.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）以ISA為主線的IPC，具有較高的抗干擾能力。

（2）選用光電耦合器，避免干擾從通道進(jìn)入。

（3）性能優(yōu)良的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，克服噪聲干擾。

3.5.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）數(shù)字濾波排除干擾誤差。

（2）編譯跟蹤程序，避免因突發(fā)干擾導(dǎo)致程序失控的情況。

4 實(shí)驗(yàn)測試

該測試系統(tǒng)對日產(chǎn)VG33E型電控發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了測試，其中主要包括三項(xiàng)性能測試分別為起動(dòng)性能測試、動(dòng)力性能測試、點(diǎn)火性能測試。如圖3所示，（a）和（b）分別為設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)和FLUKE測試儀器所形成的點(diǎn)火信號(hào)波形圖。由圖可見，所得兩種波形基本相同。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)以IPC為硬件核心，以RAD Studio XE3為軟件平臺(tái)，可測試電控發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，并具有較好的抗干擾能力。在一定程度上解決了由于電控機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繁雜，普通儀器一般無法提供測試故障診斷功能的問題。該測試系統(tǒng)工作質(zhì)量好，可信度高，操作便捷，可及時(shí)反映電控發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，完善了測試。

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