汽車電噴系統傳感器在線檢測系統的設計

胡瑄

（景德鎮學院 機械電子工程學院，江西景德鎮，333000）

0 引言

為了確保汽車發動機在不同工況下，其混合氣均能處于最佳濃度，所以設置了電噴系統。在該系統中，通過傳感器可以有效監測發動機運行過程中的相關參數，如尾氣中的氧含量、空氣流量以及冷卻液溫度等，然后將監測到的相關參數以電信號的方式輸入到發送機控制器當中，以準確控制噴油量和時間。由此可見電噴系統中傳感器的重要作用，所以在檢修汽車發動機的過程中，應加強對傳感器的監測，確保其處于正常工作狀態。但根據相關調查，發現當前的汽車傳感器檢測設備還存在一些不足，不能實現對各種傳感器的綜合檢測，所以文章設計了一種能夠滿足這種檢測要求的檢測系統。

1 汽車電噴系統概述

在上個世紀60年代，世界整體汽車保有量快速增長，但由于其中燃油輸送系統比較簡單，不能準確調節混合氣，汽車尾氣排放量不斷增加，對環境產生了嚴重的影響，因此，很多國家開始限制汽車排放。同時隨著電子技術的不斷發展，為汽車電控燃油噴射技術奠定了良好的基礎。傳統的汽車燃油噴射系統為機械式燃油噴射系統，不僅結構比較復雜，混合氣控制精度較低，還需要消耗大量的成本在維修和燃油方面。因此，工程師們開發出了電控燃油噴射系統。同時，也是為了彌補傳統化油器存在的弊端，如節氣門不能靈敏響應，很容易發生氣阻等。電控燃油噴射系統的發展歷程比較復雜，經過了多個汽車公司的不斷完善，才實現高水平的發動機電子控制技術。該系統通過對各個傳感器輸送的信息，控制噴油器的壓力，將燃油與空氣混合進入發動機當中，并在最佳時刻點燃可燃混合氣，以使得發動機處于最佳運行狀態。同時該系統還能實現啟動加濃、自動怠速控制、暖機加濃等功能，能夠提高發動機燃料的經濟性和環保性，在很大程度上促進了汽車使用性能的提升[1]。另外，汽車是一種效率較高的交通工具，而其動力性直接影響著運輸效率。所以，對于汽車的各種性能來說，動力性是其中最重要的性能。在使用傳統的普通化油器時，會導致混合氣不能充分燃燒，增加廢棄物的排放量，不僅不能充分發揮汽車的最佳性能，影響汽車的經濟性和動力性，也會浪費燃料，加重對環境的污染。而電噴系統能夠有效彌補這些不足，對環境保護有很好的影響。當傳感器檢測到混合氣燃燒不完全，不能達到最佳的空燃比，就會導致廢氣中碳氧化合物的含量增加，而該系統中的控制程序可以將空燃比調整到最佳狀態，進而大大降低了廢棄物的排放。

2 汽車電噴系統的組成

當前，汽車電控汽油噴射系統的使用已經比較普遍。在該系統中，主要通過控制噴油器的開啟時間來控制油量。在汽油噴出之后，會產生一定的壓力損失，所以需要將氣管壓力引入到供油調壓器當中，以保持壓差平衡。另外，該系統往往配有發動機集中控制系統，以獲取更高的噴油控制精度。

■2.1 電噴系統的構成

首先為空氣流量傳感器，其可以利用熱線對發動機內部的空氣質量流量進行測量，為了讓熱線和進氣溫度存在一定的溫差，可以對熱線進行加熱，再通過電控單元的測量，就可以判斷進氣的質量流量。其次為燃油供給系統，該系統包括調壓器和電動汽油泵等，其中電動汽車泵可以為噴油器提供燃油。最后為空燃比閉環控制，通過電控單元對噴油脈沖寬度進行調整，進而有效控制混合氣當中的空燃比，使其處在催化轉換器窗口當中。

■2.2 電噴系統的工作流程

在起動發動機時，根據冷卻液溫度傳感器輸入信號，并通過查表，可以利用電控單元確定實際噴油量，然后控制噴油器開啟噴油。為了補償燃油量減少的情況，在起動之后，一旦進入進氣管，會增加燃油量。直到發動機起動之后，還是難以形成混合氣，所以要想獲得最好的排放效果，就需要供給相應時間的混合氣，并合理減少其加濃程度。在發動機溫度不斷上升的過程中，需要不斷減少噴油量。電控單元還可以判斷節氣門的打開速度。大綱發動機處于加速工況下，為了確保其可以安全度過這一過程，應加大噴油量，并為其提供混合氣。另外，電控單元還可以對發動機的狀態進行判斷，一旦發現節氣門已經關閉，但發動機仍然轉速較高，則判斷其處于減速狀態，在此工況下，發動機不需要輸出頻率，所以應完全停止噴油[2]。當電控單元發現發動機處于負荷工況下，其會加大噴油脈沖寬度，確保發動機可以發出最大功率。當電控單元發現發動機工作溫度處于正常范圍內，則可以進行空燃比閉環控制。

3 檢測系統的檢測方法

隨著汽車產業的發展，燃氣汽車逐漸得到了大眾的喜愛，在世界范圍內得到普及，主要原因在于其不僅資源豐富，還能清潔排放。而電控噴油裝置也得到了廣泛的應用，其可以保障發動機的狀態長期穩定，具有優越的性能，能夠最大限度地凈化空氣，并且節省油量。此外，傳感器在汽車電噴系統中的使用也不斷增加，不同的種類之間輸出不同的信號參數形式。對于種類比較多的傳感器，為了有效檢測其信號參數，必須要設計一種相應的綜合檢測系統。在設計該系統之前，先對電噴系統中的傳感器進行分類，對不同種類的傳感器進行深入分析，總結其特點，進而設計出相應的檢測方法[3]。同時，在設計硬件結構時，可以設置相應的檢測通道。大致將傳感器分為四類，其具體特點如下：其一為旋轉類傳感器，主要工作原理為霍爾式，輸出信號為類似正弦波和正弦波等，主要對其頻率值進行檢測；其二為模擬量傳感器，如滑膜變阻器，檢測系統主要對其電壓值進行檢測；其三為溫度傳感器，主要為熱敏電阻式，輸出信號為電阻值等，檢測系統可以對其電壓值進行測量，也可以對其高低電平進行測量；其四為壓力傳感器，主要為金屬變形片和半導體應變器，檢測系統可以對其電壓值進行測量，也可以對其高低電平進行測量。

4 檢測系統的硬件設計

在完成不同類型檢測系統分類，并對其相應檢測方法進行分析后，再開始進行檢測系統的設計。在實際設計過程中，將該系統主要分為兩個大的模塊，一大模塊為主控平臺，是整個檢測系統的中央處理單元，主要由ARM處理器、USB接口設備以及LCD觸摸顯示屏等諸多子模塊構成,如圖1所示。

圖1 檢測系統主控平臺

在該模塊中，采用的微處理器是32位 ARM9微控制器LPC3250，其不僅能夠很好地滿足不同操作系統的運行要求，還能處理具有高度復雜性的信息，具有良好的性能，并且還能在較高的CPU頻率下工作。在本設計中，操作系統選擇的是嵌入式操作系統WinCE5.0。同時，LPC3250可以實現外接存儲器的控制功能，以及LCD顯示觸摸屏的功能，主要因為其帶有多個不同的接口功能，包括片內靜態RAM，高達256KB、觸摸屏接口、NAND Flash接口、USB2.0全速接口等[4]。檢測系統要實現對傳感器性能優劣的判斷，首先要依靠驅動資源，并利用數據處理能力，對于采集模塊的相關數據，除妖通過接口設備實現接收，然后與傳感器標準參數庫中的相關數據進行比較，之后再將比較結果顯示出來。在該模塊中，包含多個子模塊，每個模塊尤其不同的功能。首先為USB接口設備模塊，該模塊采用規范接口，傳輸速率非常快，可達到480MBPS，其主要功能為傳輸數據和指令。其次為LCD觸摸顯示屏，其可以用來選擇不同的功能，也能用來發送指令，可以用來代替常規鍵盤，使得電路結構更加簡單，便于操作，但其主要功能是用來顯示傳感器的參數數據以及比較結果。再次為SDRAM 存儲器，該模塊主要是儲存傳感器的標準參數，在系統運行的過程中，可以從該模塊中找到相應傳感器的標準參數，然后才能進行測量比較。最后為NAND FLASH存儲器，其主要功能為存儲操作系統的啟動和引導。

主控平臺的另外一大模塊為傳感器信號采集模塊。該模塊同樣是由多個子模塊構成，包括傳感器信號檢測電路和數據傳輸控制單元等。在諸多子模塊當中，最為主要的是傳感器信號檢測電路，通過相應控制操作，該模塊能夠實現對各種不同類型傳感器的在線檢測，如空氣流量傳感器、氧傳感器以及冷卻液溫度傳感器等。同時，能夠對傳感器的實際信號參數進行讀取，并經過相應處理，將其傳輸到相應模塊中。由于傳感器類型較多，所以在對檢測數據進行處理時，也不能采取同樣的預處理方式，預處理的硬件電路構成如圖2所示。因此，在進行預處理之前，需要對各種類型的傳感器設置相應的檢測通道。在選擇檢測通道時，主要借助單片機控制數字開關來實現，并由另外一個單片機負責測量發動機轉速，以及對車速信號的頻率值進行測量，在完成相應計算后，將其結果上傳到主控平臺[5]。此外，還有另外幾個子模塊，首先為傳感器信號調理電路，其不僅能夠過濾實測信號，保障檢測值的真實性，還能放大實測信號，確保檢測值的穩定性。其次為A/D轉換單元，該模塊能夠將模擬信號轉化為數字信號，進而保障主控平臺能夠接受到傳感器的檢測信號。最后為數據傳輸控制單元，由于系統需要傳輸大量數據，而這些數據需要借助USB設備實現傳輸，因此，為了更好地控制該接口的工作，應選用AT89C513單片機，其擁有80C52X2內核，支持不同的USB接口，能夠有效控制該接口的傳輸工作，確保不同模塊之間的數據能夠準確發送，保證系統能夠穩定安全運行。

圖2 傳感器信號檢測電路

5 檢測系統的軟件設計

系統軟件主要包括操作系統下相關應用軟件的設計，以及驅動軟件的設計。此外，主要還有數據傳輸模塊的軟件設計，該模塊主要包括響應設備請求以及設備枚舉等。其中設備枚舉是USB主機對相應設備進行配置的過程，以及其單片機獲取USB設備信息的過程，在完成這部分操作后，等待單片機發送數據采集的指令，在USB設備接收到該指令后，再開始進行采樣。在完成采樣后，單片機利用A/D轉換模塊獲取相應數據，在完成數據收集后，再關閉采樣通道。之后單片機將相應數據傳送至寄存器當中，然后將相關數據送入主控平臺，這樣才完成數據傳送。通過主控平臺發送的信號，可以判斷傳送是否成功，一旦成功，則可以將寄存器中的內容清除干凈，準備迎接下一次的數據傳輸，若傳送失敗，則需要繼續進行數據傳送。此外，主控平臺的應用軟件設計由多個不同的程序所組成，包括傳感器信號采集模塊控制程序以及USB裝置控制程序等[6]。首先，通過傳感器信號采集模塊控制程序的設計，可以實現信號采集模塊指令的發送，能夠控制其信號采集和傳輸。其次，通過USB裝置控制程序的設計，可以實現對USB接口數據傳輸的有效控制。再次，通過傳感器標準數據庫查表程序的設計，可以實現對傳感器性能優劣的判斷，該程序能夠實現對傳感器標準數據的查找，并與實測數據進行對比。最后，通過LCD顯示程序的設計，能夠顯示出來被檢測傳感器實際參數與標準參數的對比結果。

由于電噴系統的工作條件比較惡劣，所以為了保障系統的穩定運行，應對軟件進行抗干擾設計。首先，可以通過設置開門狗的方式，可以實現對程序運行狀態的監視。主要依靠開門狗定時器來實現監視，在程序正常運行的過程中，會有一段代碼不斷刷新定時器寄存器當中的值，在這種狀態下，只要程序沒有出現運行錯誤，看門狗定時器便不會發揮作用，一旦出現錯誤，其會及時刷新，使得程序復位[7]。其次，應盡量采用算術對一些重要信號的平均值進行計算，以免由于受到干擾，導致數據采集出現誤差，造成較大的失誤。同時，在編寫一些比較重要的程序段時，應增加一些標志位語句，這樣在之后就可以據此判斷該程序段的執行是否正確，一旦發現出現錯誤執行的情況，將會重新執行該段程序。最后，在編寫中斷修理程序時，應確保優先級較低的中斷源能夠正常執行。

6 結束語

綜上所述，本文設計了一款以 ARM9處理器和單片機作為核心的檢測系統，并且使用了具有更高精度的模數轉換器，進而使得該系統具有更高的檢測精度，并且檢測效率更快，并且在很大程度上縮小了設備的體積，便于攜帶，而且節省了大量的成本，這種汽車電噴系統傳感器在線檢測系統更加符合社會需求。