基于VXI的发动机多参数测控系统模块设计.docx

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基于VXI的发动机多参数测控系统模块设计

基于VXI的发动机多参数测控系统

院别:

控制工程学院

课程名称:

测控系统设计

实验教室:

6109

***************************************

小组成员（姓名，学号）:

汪洋令2011071070

唐鑫2011071046

彭维竹2011071047

朱余双2011071058

实验日期：

2014年12月01日

评分：

论文总页数：

31页

简介

VXI总线以其标准化、通用化、系列化、模块化等显著特点，在电子测量、航空航天、工业等领域得到了广泛应用。

发动机——是将某一种形式的能量转换为机械能的机器。

其功用是将液体或气体的化学能通过燃烧后转化为热能，再把热能通过膨胀转化为机械能并对外输出动力。

汽车的动力来自发动机。

根据所用的燃料不同,常见的发动机可分为汽油发动机（简称汽油机）和柴油发动机（简称柴油机）两种。

汽油机以汽油为燃料，柴油机以柴油为燃料。

发动机是汽车的心脏，为汽车的行走提供动力，关系着汽车的动力性、经济性、环保性。

简单来说，发动机就是一个能量转换机构，即将汽油（柴油）或天然气的热能，通过在密封汽缸内燃烧气体膨胀，推动活塞作功，转变为机械能，这是发动机最基本的原理。

发动机的所有结构都是为能量转换服务的，发动机伴随着汽车走过了100多年的历史，无论是在设计、制造、工艺还是在性能、控制方面都有很大的提高，但其基本原理仍然没有改变。

发动机多参数测控系统组成

发动机自动测控系统是为满足各种不同类型的柴油机、汽油机、天然气、液化气发动机性能试验和出厂试验而精心设计的大型测控系统。

它可与国内外各种不同的水力、电涡流、电力测功机配套，用于控制和测量发动机的转速、转矩、功率、燃油/燃气消耗量、温度、压力、流量等各种不同类型的参数。

发动机自动测控系统由测控仪、油门励磁（水门）驱动仪、数据采集仪、智能油耗仪、油门执行器、多参数显示屏、DW/DWD系列电涡流测功机、系统软件等组成。

发动机多参数的测控设计

1、各功能电路需求分析

1.1、转速测量

汽车发动机转速时选择正确的换挡时机提供参考，通过测量发动机的转速，及时监控转速及工作状况，使发动机保持额定转速，以减少发动机的磨损并减少油耗。

为精确测量发动机转速，同时要满足非接触测量，我们将采用霍尔式电子点火系统来测量发动机转速，其工作原理如图1-1所示，霍尔式信号发生器的触发叶轮和分火头制成一体，由分电器带动。

一般有发动机配器机构凸轮轴驱动，四冲程发动机转速与分电器凸轮轴转速比为2:

1。

通过测量出点火信号的周期T，乘以发动机冲程就是凸轮轴转速，再乘以2就是发动机转速。

当出发叶轮转动时，每当叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的空气间隙时，磁场便被触发叶轮的叶片旁路挡住而不能作用于霍尔元件上，因此，霍尔元件不产生霍尔电压，当触发叶轮离开永久磁铁与霍尔元件之间的空气间隙时，永久磁铁3的磁通便通过导磁板5作用于霍尔元件2上，此时霍尔元件便产生霍尔电压U。

对信号进行处理转换形成矩形脉冲信号。

这样通过测量矩形脉冲型号的周期就可以得出发动机的转速。

图1-1霍尔式电子点火系统工作原理

根据柴油机转动特点，霍尔传感器必须满足以下条件：

电源电压范围宽；

开关速度快,无瞬间抖动；

工作频率宽（DC~100KHz）；

寿命长、体积小、安装方便；

能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口。

1.2、转矩测量

采用磁电式转矩仪来测量发动机的转矩，其工作原理如图1-2所示，它是依据扭力轴在受扭后产生的扭转角大小来测量外加转矩的，弹性轴转动受扭后，相距L的2只外齿轮扭转一个角度，发出的两列磁电脉冲信号产生相位差。

图1-2磁电式转矩仪工作原理

在柴油发动机中，测量转矩需要尽可能满足以下特点：

短轴，高强度，惯性质量小，能承受高速旋转；

非接触测量，高频响，高精度，高分辨率；

抗过载能力高；

集成数字电路，抗干扰能力强；

顺时针旋转或逆时针旋转；

通过电脑可以对传感器参数进行设置。

1.3、功率测量

测功机也称测功器，主要用于测试发动机的功率，也可作为、减速机、变速箱的加载设备，用于测试它们的传递功率。

主要分为水力测功机、电涡流测功机、电力测功机，由于电涡流测功机控制性能和响应速度明显优于水力测功机，而价格又远低于电力测功机。

故我们采用电涡流测功机。

1.4、燃油/燃气消耗量

采用智能油耗仪ET2500，其实物如图1-3所示，来测量发动机燃油/燃气的消耗量，智能油耗仪ET2500是诚邦公司精心设计的ET2000系列发动机自动测控系统中的一个子系统，ET2500智能油耗仪采用一体化设计技术，油耗变送器和显示仪表集于一体，可以独立的完成发动机燃油消耗的测量。

图1-3ET2500智能油耗仪实物

性能指标：

测量范围：

O~2kg共10个规格；

测量精度：

±0.4％F.S；

测量时间：

1~99S任意设定；

外型尺寸：

lkg以下160×270×370mm（深、宽、高）、

　　　　　2kg以上450×350×500mm（深、宽、高）；

外接油管规格：

透明耐油胶管Φ12×1.5（1kg以下），Φ20×1.5（2g以上）。

1.5、温度测量

气道温度检测设计，气道从结构上来说是一个结构非常复杂的部件。

选择热电偶和变送器以达到结构和测温量程的要求。

汽车尾气余热发电气道温度检测系统，其原理如图1-4所示，如图中虚线框所示T1到T11为美国omega热电偶测温线，分度号T型，绝缘层耐温480℃

变送器是T型智能温度变送器，输入、输出、电源三相隔离。

图1-4汽车尾气余热发电气道温度检测系统

根据柴油机的参数要求，我们采用XC-K-20-SLE热电偶线|K型高温热电偶线|美国omega陶瓷纤维热电偶线。

详细参数：

外敷绝缘层耐温-73℃-980℃；

外覆绝缘层材质：

陶瓷纤维；

线芯材质镍铬合金/镍铝合金；

线芯直径2x0.813mm；

线芯绝缘层标记红为负极/黄为正极；

长度每卷1000英尺/305米。

可按客户需要剪断,焊接,加插头或绕线轴零售。

此K型高温热电偶线可适合任何K型进口及国产的温度记录仪表使用。

1.6、压力测量

首先需要考虑的是压力传感器，压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。

本次设计采用的是。

。

。

原理图如图1-5所示，具有体积小,量程大等优点,应用领域有汽车的胎压测量,工业方面的空气压力车龄,消费品方面的高度计,和医疗电子方面的血压计等。

MD-PS002的原理如图1-5所示。

图1-5MD-PS002原理

+IN和-IN为传感器提供恒流源或者是恒压源, 可以是5V恒压源,或者是1mA的恒流源。

-OUT和+OUT提供输出电压,150KP的压力传感器输出电压的方位是60-100mV。

2、各功能电路设计方案

2.1、转速测量

我们选用HAL3144E，其电特性如表1和表2所示，磁特性如表3所示。

它是一款采用双极性工艺技术的单极性霍尔效应传感器IC，响应速度快，灵敏度高，具有略高的工作温度范围及可靠性，它由反向电压器、电压调整器、霍尔电压发生器、信号放大器、施密特触发器和集电极开路的输出级组成。

其内部电路如图2-1所示。

表1HAL3144E霍尔效应传感器电特性

表2HAL3144E霍尔效应传感器极限参数

表3HAL3144E霍尔效应传感器磁特性

图2-1HAL3144E霍尔效应传感器内部电路

2.2、转矩测量

我们选用ST公司的非接触式转矩测量仪RWT410，其实物如图2-2所示，它高精度（可达0.25%），高分辨率（可达0.02%），具有300%抗过载能力。

TorqSenseRWT410/420系列，是一种内置集成电路，数字扭矩传感器，采用了最新的非接触式扭矩传感技术（SurfaceAcousticWaveTechnology），节约成本，并配有USB和RS232接口。

图2-2RWT410转矩测量仪实物

2.3、功率测量

测功机作电动机运行时：

电枢绕组内通入电流，在定子，励磁绕组的磁场作用下，转子受到一个电磁驱动力矩的作用而旋转（反拖），该驱动力矩的反力矩作用于定子，通过测力机构测出，其参数标准如表4所示。

因此，直流电力测功机不仅可以作为发电机运转测量发动机的转矩，还可以作为电动机运转反拖发动机，测量发动机的摩擦损失。

测功机功率计算功率P=扭矩*转速/计算臂长。

计算臂长为0.9550米。

其实物如图2-3所示。

图2-3电涡流式测功机实物

我们采用杭州易登科技有限公司的DW系列测功机来测量柴油机的功率，它具有以下特点：

对涡流测功机进行定电流、定速度、定转矩

最高转速约为最大功率的2.5%

突加负载与突减负载适应性0.5-1s

结构简单、运行稳定、价格低廉、使用维护方便；

采用水冷却，噪音低、振动小；

输入转速范围宽，可用于变频调速等各类电动机及动力机械的型式试验。

表4DW系列测功机的参数标准

DW系列电涡流测功机功率特性曲线如图2-4所示；

DW系列电涡流测功机负荷特性曲线如图2-5所示。

图2-4DW系列电涡流测功机功率特性曲线

图2-5DW系列电涡流测功机负荷特性曲线

测功机是根据作用力矩与反作用力矩大小相等方向相反的原理来测量扭矩，因此所测扭矩可以通过作用在测功器上的旋转力矩（即制动器外壳反力矩）来指示。

电涡流测功机主要由旋转部分（感应体）、摆动部分（电枢和励磁部分）、测力部分和校正部分组成。

其结构简图见图2-6和图2-7。

由结构简图可知，感应体形状犹如直齿轮，产生涡流地方在导磁涡流环的孔壁上。

励磁绕组通上直流电后，则围绕励磁绕组产生一个闭合磁通。

当感应体被原动机带动旋转时，气隙磁密随感应体的旋转而发生周期性变化，在涡流环孔壁表面及一定深度范围内将产生涡流电势，并产生涡流，该涡流所形成的磁场又与气隙磁场相互作用，就产生了制动转矩。

该转矩通过外环及传力臂传至测力装置上，由力传感器将力的大小转换成电信号输出，从而达到测转矩的目的。

转速测量采用非接触式的磁电式转速传感器，将转速信号转换成电信号。

图2-6测功机剖面图

图2-7测功机安装使用

2.4、燃油/燃气消耗量

ET2500智能油耗仪油路结构如图2-8所示。

图2-8ET2500智能油耗仪油路结构

ET2500智能油耗仪的仪表采用定时间测重量的方法，测量时间可以用键盘设置，范围是1-9999S。

测量结果以4位浮点数的形式显示，单位为kg/h。

ET2500智能油耗仪的供油部分通过一个常闭式二位二通电磁阀控制充油和放油过程，当油桶油面在下限0V时，电磁阀处于打开状态，燃油箱在向发动机供油的同时也向油桶充油，当油桶油面到上限2V时，电磁阀关闭，截断油箱向发动机供油，同时发动机所需的燃油由油桶供给，当油桶的油面到设定的某个位置时，仪表开始记时，测试完毕。

仪表显示该段测量时间内燃油消耗的重量，同时电磁阀开启，进入下一个测量过程。

ET2500智能油耗仪仪表控件分布如图2-9所示。

ET2500智能油耗仪称重部分采用了高精度电阻应变式荷重传感器，高稳定、高精度稳压电源和载波自稳零运算放大器，模拟输出电压0-2V。

2V对应油桶内油量满上限。

0V对应油桶内油量空下限。

对应于满量程的电压变化量为2.000V。

图2-9ET2500智能油耗仪仪表控件分布

2.5、温度测量

热电偶工作原理：

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动 势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）； 冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

热电偶工作如图2-10所示。

图2-10热电偶工作

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。

热电偶测温电路设计我们采用AD595芯片，AD595是完整的单芯片仪表放大器和热电偶冷结补偿器。

通过将冰点基准源与预校准放大器相结合，该器件可直接从热电偶信号产生高电平（10mV/°C）输出。

引脚绑定选项使本产品可用作线性放大器补偿器或采用固定或远程设定点控制的开关输出设定点控制器。

它可用于直接放大补偿电压，从而成为提供低阻抗电压输出的独立摄氏温度传感器。

AD594/AD595内置一个热电偶故障报警器，可指示一个或两个热电偶引脚是否断开。

报警输出具有灵活的格式，包括TTL驱动能力，其内部电路如图2-11所示。

图2-11AD595内部电路

AD595的输出的信号电压与K型热电偶输入的电动势关系式如下：

，其中V1-V2为热电偶产生的热电势EK1，而0.04×T2为冰点补偿电压，电压单位皆为mV，温度单位为°C。

如果是以线性的关系来近似热电偶的温度与电压关系，直接把AD595的输出电压除以10来转成温度值（即10mV/°C），将有不可避免的误差，测量温度漂移如图2-12所示。

图2-12AD595测量温度漂移

如果我们能保证

中的V2是准确的也就解决了以上问题。

再添加一块独立的AD595作为V2的测量者即可解决问题。

将这块AD595的1、14脚短接，这样芯片输出的始终是AD595所处T2温度环境的电压值。

此时第二块AD595输出公式为

（V1-V2=0因为热电偶短接），其中Vout2是可以通过AD采集得到的，反求得

，根据K型热电偶分度表查出T2摄氏度下对应的V2，将正确的V2带入

中，

反求得

，

式中Vout可以在第一块AD595上通过AD转换采集到，再根据K型热电偶分度表查出V1热电势下对应的T1温度值，这样最终就得到了测量端的真实温度值。

K型热电偶+AD595温度测量电路设计如图2-13所示。

K型热电偶+AD595A/D转换电路如图2-14所示。

K型热电偶+AD595电源稳压电路如图2-15所示。

图2-13K型热电偶+AD595温度测量电路设计

图2-14A/D转换电路

图2-15电源稳压电路

2.6、压力测量

（1）放大电路设计

被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小，无法进行A/D转换，必须对这些模拟电信号进行放大处理。

为使电路简单便于调试，本设计采用二级运算放大器，因为传感器输出的较大共模电压，而有效的信号来源于差模信号。

所以放大电路采用差模放大电路，压力测量放大电路设计如图2-16所示。

图2-16压力测量放大电路设计

差模信号经过该放大电路后放大约100倍,共模信后得到了有效的抑制。

（2）模数转换器

模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。

能够完成这一任务的器件称之为模数转换器，简称A/D转换器。

本次设计的中A/D转换器的任务是将放大器输出的模拟信号转换为数字量进行输出，其模数转换器接口如图2-17所示。

图2-17模数转换器接口

这里A/D转换器采用ADC0804, ADC0804的8位并行接口A/D转换器。

最高工作频率为400MHz,无论是分辨率还是速度都满足本次设计的需求。

2.7、MCU的选择

本设计采用单CPU结构，由一个CPU同时管理VXI接口和测量操作。

采用国内最流行的单片机89C51系列的单片机，该系列的单片机可以有32个I/O引脚，全部监控程序可以在芯片内部固化，无须扩展外围接口电路，这样可以大大提高模块工作的可靠性，简化模块电路，保证一个C尺寸的模块可以容纳全部电路。

其主控电路设计如图2-18所示，其PCB如图2-19所示。

图2-18MCU主控电路设计

图2-19MCUPCB

3、VXI模块接口设计

3.1、VXI总线通信协议

VXI总线器件根据它们所支持的通信协议可分为四种级别：

消息基器件、寄存器基器件、存储器器件、扩展器件。

消息基器件是带有通信能力的本地智能器件，支持VXI总线组态和通信协议。

只有这种器件是命令者和/或命令基从者器件。

消息基器件具有一组标准的A16操作寄存器组，即通信寄存器组。

这些寄存器，其地址是相对于器件的A16基地址的。

一组寄存器保留给将来选用的协议，这些寄存器的定义将与协议寄存器中保留的定义有关。

所有消息基器件必须具备协议、响应和数据低位寄存器。

信号、数据扩展、数据高位、A24指针和A32指针寄存器是可选用的。

如表5所示。

表5寄存器寻址

与寄存器基器件相比，消息基器件除实现器件基本的寄存器配置,实现VXI的Plug&play规范外，还必须支持字串行命令协议，需要本地智能以支持这些协议。

我们选用K60单片机作为本地微处理器（CPU），采用基本的逻辑芯片来实现接口电路。

用来完成消息基命令的翻译和处理。

通过使用大规模可编程逻辑器件，使得复杂的消息基接口设计得极为简洁。

消息基接口设计如图3-1所示。

图3-1消息基接口设计

3.2、VXI总线接口设计

本模块仅使用VXI总线PI连接器，与VXI总线接口电路有关的连线共62根。

其中数据线D00~D15用于各寄存器组的读、写数据传输。

地址线A00~A15。

地址修改线AM0~AM5（AM2未用）。

长字线LWORD*,数据选通线DS0*、DS1*、（双功能）、中断认可线IACK*，读/写线WRITE*用于寻址及读、写控制逻辑。

数据传输认可线DTACK*用作挂钩线，完成数据的异步传输。

SYSRESET*线用于上电复位，SYSFAIL*用于指示模块自检及工作状态。

BG0IN*-BG3IN*和BG0OUT*-BG3OUT*用于总线允许菊花链传递。

IACKIN*、IACKOUT*用于中断认可菊花链传递。

IRQ1*~IRQ7*用于模块的VXI总线申请中断。

+5V向本模块各IC芯片提供电流。

3.2.1、地址译码电路设计

地址译码电路如图3-2所示，由图可见，当AIN14、AIN5、AM0*、AM3*、AM5*、LWORD*、IACK*为高，AM1*、AM4*为低时，选中图中的74LS688比较器。

与此同时，模块选择电路图3-3中地址线AIN06~AIN13与逻辑地址开关设定值相比较，如相等，则图中的74LS688的19脚输出信号G*有效，表明选中本模块；否则，本模块不做任何响应。

图3-2地址译码电路

图3-3模块选择电路

由于本模块没有块传输能力，故用数据选通线DS0*、DS1*作为地址选通信号来获取地址信息。

当DS0*的下降沿到来时，由8D锁存器74LS574将AIN01~AIN05、WRITE*和G*锁存起来，提供给后续电路进一步译码。

3.2.2数据接口电路设计

在VXI总线规范中，为每个器件在A16地址空间分配了64个字节的寄存器作为各器件的配置寄存器和通信寄存器。

本模块采用两片双端口RAMIDT7130作为12和VXI总线联系的公用缓冲区。

考虑到VXI总线的驱动能力及缓冲隔离要求，数据线D00~D15经两片双向缓冲器74LS245分别接到双端口RAMIDT7130的I/0L上，见图3-4所示。

双端口RAMIDT7130的容量为8K（1K乘以8BIT），与TTL电平兼容，存取时间快，功耗低，集成度高。

它是一个存储体，有两套独立的地址、数据和控制总线。

我们设计中将IDT7130的左端口由VXI总线控制，右端口由12单片机控制，用片内的BUSY线来解决两端同时访问的冲突问题。

当出现某一存储单元被两个端口同时访问时，片内的逻辑自动作优先判断，并在相应的BUSY引脚上以低电平表示该端口的访问被延迟。

VXI总线用AIN0~AIN5的地址码来对双端口RAM寻址，用DS0*、DS1*对两片端口RAM进行片选，用WRITE*线进行读写控制。

图3-4数据线接口电路

3.2.3、VXI板卡插槽设计

VXI总线C型板卡插槽共96针，管脚定义如图3-5所示。

图3-5VXI板卡插槽电路

3.2.4信号采集处理芯片MCU电路设计

信号的采集和处理我们采用飞思卡尔的MK60DN512ZVLQ10芯片进行信号的采集和处理，它是基于ARM4的芯片，管脚共计144针，扩展能力强，自带256K的FALSH，带有一个可选择的单精度浮点处理单元，运算速度快。

我们使用K60进行信号的采集和处理，然后与12单片机通信，再由12与VXI总线通信。

其外围电路设计如图3-6所示。

图3-6MK60DN512ZVLQ10芯片电路设计

3.3、VXI总线接口板卡设计

VXI板卡多参数采集模块总体电路原理图如图3-7所示，根据VXI的C型板卡的尺寸233mm×340mm，我们绘制了VXI板卡电路PCB如图3-8所示。

图3-7VXI多参数采集模块板卡原理图

图3-8VXI板卡PCB

4、软件设计

4.1驱动程序设计

虚拟仪器系统的仪器驱动程序包括两个基本的概念模型:

第一个是仪器驱动程序外部接口模型，表示仪器驱动程序如何与外部软件系统接口。

图4-1、4-2表示为仪器驱动程序的外部接口模型所示。

图4-1仪器驱动程序的外部接口

第二个是仪器驱动程序内部设计模型，定义了仪器驱动程序的内部结构。

仪器驱动程序内部设计模型的模块化结构建立在成熟的技术基础上，利用模块化方法，用户在软件应用时具有准确控制仪器所需要的最小模块。

利用这种模型，用户通过初始化设备来开始仪器有关的业务。

然后，它们能反复调用应用函数和部件函数来控制仪器的操作。

最后一步，用户关闭设备，终止与设备的通信。

例如，用户能一开始就使所有仪器初始化，配置多个仪器，然后同时触发几个仪器。

函数主体

应用函数

图4-2仪器驱动程序的外部接口

图4-2中表示了仪器驱动程序的内部模型，它给出了仪器驱动程序的内部结构。

驱动程序的函数主体包含两级，第一级是一组部件函数，它们是控制仪器特定功能的软件模块。

第二级是一组应用函数，它们表示如何使用所有子系统功能来完成面向应用的仪器操作。

仪器驱动程序的部件函数包括初始化、配置、工作/状态、数据、实用和关闭函数。

初始化函数是访问仪器驱动程序时调用的第一个函数，它也被用于初始化软件连接，也可以执行一些必要的操作，使仪器处于默认的上电状态或其他状态。

关闭函数是最后调用的，它只是简单地关闭仪器的软件连接。

组状函数时候一些软件例行程序，它对仪器进行配置，以便执行所希望的操作。

动作/状态函数使仪器执行一项操作或者报告正在执行的或已挂起的操作状态。

这些操作包括激活触发系统，输出激励信号及报告测量结束等。

数据函数用来从仪器取回数据或向仪器发出数据。

要处理不同类型的信息或使用不同的数据传送技术，需要许多相应的数据函数。

实用函数包括许多标准的仪器操作。

例如执行复位，自检以及进行错误处理等。

应用函数是面向测试的高级函数。

这些是标准的仪器驱动函数，当用户需要驱动程序的单一函数接口时，可以通过它们函数本身的程序接口调用这些函数。

这些函数同时指出如何一起使用部件函数。

在大多数情况下，这些例行程序通过配置，触发和从仪器读取数据来完成整个测试操作。

应用函数提供了多次函数调用，因此用户可以使用仪器的函数子集。

如果用户需要简单的单一函数接口，这种统一的接口可由应用函数提供，如果用户需要更大的灵活性和更多的函数，驱动程序的部件函数可以作为独立的模块使