基于單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈測(cè)試系統(tǒng)

1.引言
隨著汽車電子點(diǎn)火技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)電子點(diǎn)火系統(tǒng)各部件的要求也隨之提高。 點(diǎn)火線圈作為汽車電子點(diǎn)火系統(tǒng)的重要部件，其性能直接關(guān)系到汽車的工況，因此必須準(zhǔn)確測(cè)試點(diǎn)火線圈各項(xiàng)參數(shù)，建立嚴(yán)格的產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)調(diào)查，我國(guó)汽車點(diǎn)火線圈系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)在線測(cè)試設(shè)備多以老式設(shè)備為主，智能檢測(cè)設(shè)備較少，而進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，且其智能化程度不高。[1]因此研制出具有自動(dòng)化、智能化的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈測(cè)試系統(tǒng)是科研人員努力的方向。本文著重介紹了這種符合現(xiàn)代化生產(chǎn)要求的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。
2.系統(tǒng)組成
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈測(cè)試臺(tái)的原理框圖如圖1所示。汽車點(diǎn)火線圈測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)的硬件主要由被測(cè)件（線圈、負(fù)載）、程控信號(hào)源、程控電壓源、I/O控制板、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、工控機(jī)等組成。其中負(fù)載、程控信號(hào)源、程控電壓源用于模擬點(diǎn)火線圈的工況；其他部件由于測(cè)量以及控制。根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)火線圈的各項(xiàng)參數(shù)必須在相應(yīng)的條件下（不同的測(cè)試項(xiàng)目，此條件有可能不同）測(cè)得，并且不同信號(hào)的線圈的測(cè)試條件也不盡相同，所以此處給點(diǎn)火線圈提供工作條件的電壓源和信號(hào)源都是可以由上位機(jī)中的系統(tǒng)軟件通過(guò)串行通信接口來(lái)設(shè)定的。為了能夠測(cè)試多頭線圈（四頭、六頭等）的不同次級(jí)線包，信號(hào)源經(jīng)過(guò)測(cè)量控制電路送往被測(cè)件。測(cè)量控制電路由各種繼電器以及輸入輸出線路組成。繼電器根據(jù)IO控制板發(fā)出的控制命令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，以決定送出哪一路信號(hào)源以及將何種被測(cè)信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。IO控制板、和數(shù)據(jù)采集卡分別通過(guò)ISA和PCI總線直接與工控機(jī)相連。上位機(jī)軟件直接對(duì)IO端口進(jìn)行操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IO控制板的操作。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)則通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)測(cè)試軟件進(jìn)行通信。測(cè)試人員只需要操作上位機(jī)的系統(tǒng)測(cè)試軟件就可以點(diǎn)火線圈的各種參數(shù)。【2】【3】
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圖-1? 汽車點(diǎn)火線圈測(cè)試臺(tái)的原理框圖
由上述可知，點(diǎn)火線圈測(cè)試系統(tǒng)實(shí)質(zhì)就是一個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理的問(wèn)題。因此數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)就自然成為本系統(tǒng)中最主要的問(wèn)題。下面分別介紹個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)。
3.硬件實(shí)現(xiàn)
3.1 數(shù)據(jù)采集卡
分析點(diǎn)火線圈的次級(jí)電壓信號(hào)可知，信號(hào)的最高有效頻寬是5MHz，根據(jù)采樣定理知，系統(tǒng)的最高采樣速率至少為10MHz，對(duì)如此高的采樣速率，必須要用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)測(cè)試，才能滿足測(cè)試要求?！?】圖-2是本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集部分的結(jié)構(gòu)框圖。
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圖-2??? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
采集部分處理器采用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402。它的處理速度可達(dá)到100Mbps，具有改進(jìn)型的8位HPI接口，有16Kxl6Bit DARAM，以及4Kx16Bit ROM 存儲(chǔ)空問(wèn)，具有較高的性價(jià)比。由TMS320C5402內(nèi)部ROM 不可寫(xiě)，所以外掛一片27040EPROM 作為外部程序區(qū)來(lái)存儲(chǔ)程序。因?yàn)辄c(diǎn)火線圈數(shù)據(jù)采集要求高速度，高精度，以滿足高檔次，大批量生產(chǎn)的要求。同時(shí)為擴(kuò)大此采集系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，A/D轉(zhuǎn)換器采用美國(guó)AD公司的AD9432芯片。該芯片為12bit單路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其最高轉(zhuǎn)換速率為100MHz。輸入信號(hào)模擬帶寬可達(dá)500MHz，采樣時(shí)鐘為PECL差分電平輸入，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為1TTL電平輸出。片內(nèi)帶有輸入緩存和采樣保持器，12位并行數(shù)據(jù)輸出。由于AD9432要求差分輸入形式，因此對(duì)于輸入信號(hào)必須經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路變換為差分形式?！?】
由于系統(tǒng)需要高速采集數(shù)據(jù)， 所以高速緩存是系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高速緩存是系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)的要求可選用CY7C4255。CY7C4255是高速、低功耗8k*18低壓同步先進(jìn)先出（FIFO）存儲(chǔ)器，讀寫(xiě)周期為10ns，具有獨(dú)立的18位輸入、輸出接口和讀、寫(xiě)時(shí)鐘信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)同步讀寫(xiě)操作。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)連續(xù)地寫(xiě)入FIFO，DSP根據(jù)FIFO 的狀態(tài)來(lái)決定如何讀出數(shù)據(jù)。DSP讀數(shù)并處理此數(shù)的速度要比A/D轉(zhuǎn)換的速度高得多。DSP每次主動(dòng)讀FIFO數(shù)據(jù)時(shí)，執(zhí)行的是一個(gè)條件讀指令，即FIFO不空時(shí)(EF=BIO為高)才讀，F(xiàn)IFO空則DSP等待。當(dāng)DSP處理任務(wù)較重時(shí)，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有被讀走，F(xiàn)IFO 半滿或全滿時(shí)，會(huì)向DSP發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)，DSP暫停當(dāng)前工作，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，處理FIFO中的數(shù)據(jù)。通過(guò)FIFO將采樣數(shù)據(jù)向內(nèi)存轉(zhuǎn)移，這樣不但獲得100MHz左右的高速采樣率，而且使采樣程序的編寫(xiě)大大簡(jiǎn)化。

PCI接口芯片采用PLX公司的PCI9052它是一款面向低端應(yīng)用的高性能PCI接口芯片。接口芯片和TMS320VC5402的連接較簡(jiǎn)單，在此從略。
采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP中對(duì)數(shù)據(jù)的讀取和處理以及采集卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)兩部分。本文主要在CCS平臺(tái)上采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)DSP的編程。PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)則采用微軟公司為Windows9x 操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的一種構(gòu)架——VxD。
3.2 程控電壓源和程控信號(hào)源
根據(jù)各種不同型號(hào)線圈的測(cè)試條件要求，程控電壓源必須可產(chǎn)生3－25V 連續(xù)可調(diào)的直流電壓。程控信號(hào)源可產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的霍爾波信號(hào)，頻率為0.5－250Hz（最小步進(jìn)1HZ），幅值為0－10V，占空比為1％－99％（最小步進(jìn)1％）。
程控電壓源的設(shè)計(jì)采取工業(yè)成品加控制板的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體來(lái)說(shuō)就是買一個(gè)符合要求的可以方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)（控制）的電壓源，然后根據(jù)電壓源的說(shuō)明書(shū)，制作控制板。市面上這種電壓源很多，控制板的制作也較簡(jiǎn)單，在此不加贅述。
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圖－3 程控信號(hào)源系統(tǒng)框圖
從上述所給指標(biāo)可以看出，該程控信號(hào)發(fā)生器頻率變化范圍寬，對(duì)穩(wěn)定度和精度的要求都很高一而且有一定自動(dòng)化的要求。這些都是模擬電路難以達(dá)到的，所以我們采用了單片機(jī)控制的全數(shù)字電路，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖－3。
要產(chǎn)生脈沖波形有很多方法，但關(guān)鍵是如何使占空比可變。在此，采用軟件控制單片機(jī)的一位輸出口，定時(shí)對(duì)它置位和清零的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就可以方便地調(diào)整占空比，同時(shí)頻率也是可變的。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率為250Hz，占空比為1％ 時(shí)，信號(hào)保持高電平的時(shí)間為40μS，因此MCS-51單片機(jī)的速度能達(dá)到要求?！?】
3.3 IO控制板和測(cè)量控制電路
在介紹系統(tǒng)組成的時(shí)候以及說(shuō)明了測(cè)量控制電路的作用和組成。下面簡(jiǎn)要介紹一下IO板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。此處的IO板僅僅由一個(gè)簡(jiǎn)單的并行接口芯片8255A組成，并直接將此板接插在工控機(jī)的ISA擴(kuò)展槽上（如果工控機(jī)上沒(méi)有ISA插槽，也可以直接接PCI插槽）。上位機(jī)軟件對(duì)IO板的操作僅僅是寫(xiě)一些控制字，就可以讓IO板的輸出發(fā)生相應(yīng)的變化，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的測(cè)量控制電路中的繼電器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。我們知道，在Windows 9x的操作系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件可以直接對(duì)接口電路中的寄存器進(jìn)行訪問(wèn)而不需要驅(qū)動(dòng)程序。所以，如果本系統(tǒng)中的上位機(jī)采用Windows 98 做為操作系統(tǒng)，就不需要為IO板編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序了。這正是筆者在此測(cè)試系統(tǒng)的工控機(jī)中使用Windows 98 SE作為操作系統(tǒng)的主要原因之一。
4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件，下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)在介紹各個(gè)部分的硬件實(shí)現(xiàn)的時(shí)候已經(jīng)有所述及，在此不在贅述。
上位機(jī)程序設(shè)計(jì)可分為四大部分：測(cè)試界面的設(shè)計(jì)、用于存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果以及測(cè)試參數(shù)設(shè)置的數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、上位機(jī)與下位機(jī)之間串口通信程序的設(shè)計(jì)、測(cè)量算法的設(shè)計(jì)。
上位機(jī)軟件采用Visual Basic 6.0來(lái)實(shí)現(xiàn)。Visual Basic 6.0是Windows環(huán)境下簡(jiǎn)單、易學(xué)、高效的可視化編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。VB6.0既可使用DLL來(lái)實(shí)現(xiàn)IO端口的輸入輸出功能，又可通過(guò)Mscomm控件或API函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通信，能方便地實(shí)現(xiàn)圖像顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，還能夠充分發(fā)揮VB數(shù)據(jù)庫(kù)功能以及生成用戶界面快等優(yōu)點(diǎn)。因此采用VB6.0來(lái)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)恰到好處。在這里介紹在VB6.0下如何訪問(wèn)插在工控機(jī)I/O插槽中的IO板的端口。
由于VB不能直接對(duì)寄存器進(jìn)行操作,沒(méi)有直接的輸入輸出端口操作語(yǔ)句,而VC++同時(shí)具有匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言的功能與特點(diǎn),如果利用VC++編制一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),庫(kù)中包含對(duì)輸入輸出端口的讀/寫(xiě)函數(shù),然后在VB程序中,通過(guò)聲明DLL中的函數(shù)并提供DLL路徑來(lái)調(diào)用這些函數(shù)完成控制行為，那么在VB中就可以很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)IO口的操作。
5.結(jié)束語(yǔ)
本文所介紹的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)際應(yīng)用于武漢理工大學(xué)汽車電子電氣研究所為廣州飛達(dá)電器公司和北京同享同悅汽車電子有限公司研制的點(diǎn)火線圈測(cè)試臺(tái)上，取得了很好的效果。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文中所論述的點(diǎn)火線圈測(cè)試系統(tǒng)能測(cè)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的所有點(diǎn)火線圈的參數(shù)，達(dá)到替代進(jìn)口設(shè)備，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的目的，并且汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈測(cè)試的準(zhǔn)確性、精確度方面都達(dá)到了較高要求，完善提高了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備的性能.