重型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)

引言

濰坊柴油機(jī)廠生產(chǎn)的斯太爾柴油機(jī)具有巨大的功率，是我國(guó)重型機(jī)械和大型貨車(chē)廣泛采用的主要?jiǎng)恿C(jī)型之一。為了提高質(zhì)量，在出廠前對(duì)每一臺(tái)斯太爾柴油機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的性能測(cè)試。根據(jù)《出廠檢驗(yàn)規(guī)范》，主要測(cè)試每臺(tái)柴油機(jī)在一定工況(油門(mén))下的溫度、壓力、功耗、轉(zhuǎn)速。以及在一定的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距的情況下的功耗、溫度、壓力等指標(biāo)。設(shè)計(jì)重型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)，通過(guò)測(cè)試臺(tái)管理計(jì)算機(jī)形成操作菜單和測(cè)試表格，測(cè)試命令，傳送到各個(gè)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。測(cè)試的結(jié)果發(fā)送到管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理和顯示。機(jī)器出廠前，經(jīng)過(guò)自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)嚴(yán)格的測(cè)試，檢查是否滿足出廠檢驗(yàn)規(guī)范的要求，滿足要求的柴油機(jī)可以試機(jī)后出廠，對(duì)不滿足要求的柴油機(jī)根據(jù)自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)寫(xiě)出測(cè)試分析報(bào)告，返回車(chē)間進(jìn)行整改，并對(duì)測(cè)試的每臺(tái)機(jī)器的形成技術(shù)檔案。

系統(tǒng)組成

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)由管理計(jì)算機(jī)，CAN總線、溫度測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)、壓力測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)、功耗測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)組成，如圖1。各種單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原則是，改變軟件控制方案或增加其它功能時(shí)，不必更換硬件或改動(dòng)較?。贿\(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較高的性能價(jià)格比；操作人員可以方便地調(diào)節(jié)各種參數(shù)。管理計(jì)算機(jī)裝配有PCI總線PCAN總線轉(zhuǎn)換卡。軟件由VB和Access數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和用戶操作界面。計(jì)算機(jī)仿真軟件采用SIMULINK軟件包。它是MATLAB軟件的擴(kuò)展，可以建立起直觀的系統(tǒng)模型。這種系統(tǒng)模型可以用SIMULINK軟件包動(dòng)態(tài)的建立和修改，并實(shí)時(shí)的通過(guò)VB和測(cè)試系統(tǒng)連接。這對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的試制和查找故障原因非常方便。

圖1　系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線轉(zhuǎn)送到各個(gè)單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中。

CAN總線
允許CAN網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，任何節(jié)點(diǎn)均可在任何時(shí)刻主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。通信介質(zhì)采用120Ω雙絞線，通信速率可達(dá)到1Mbps，以幀為單位按優(yōu)先級(jí)高低傳送信息，適用于實(shí)時(shí)性要求比較高的場(chǎng)合。CAN總線驅(qū)動(dòng)器用PCA82C250，采用差分發(fā)送、差分接收，PCA82C250有兩個(gè)信號(hào)輸出端CANH、CANL。CANH端的2個(gè)狀態(tài)是高電平和高阻態(tài)，CANL端的2個(gè)狀態(tài)是是低電平和高阻態(tài)。因而由它構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)，即使多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，也不會(huì)像RS485那樣發(fā)生短路現(xiàn)象。

溫度測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)
溫度測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)如圖2。

圖2　溫度測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)

溫度傳感器采用鉑電阻，并進(jìn)行溫度標(biāo)定。模數(shù)傳感器采用12位APD傳感器AD678，它具有高速、適用于AC和DC信號(hào)特性的信號(hào)采集，該芯片內(nèi)部含有采樣P保持放大電路，與微處理器兼容的總線接口、參考電壓源及時(shí)鐘發(fā)生器。單片機(jī)采用P835C91VFA芯片，該芯片具有CAN控制器、CAN接收中斷、擴(kuò)展的驗(yàn)收濾波器、多主機(jī)結(jié)構(gòu)、信息識(shí)別碼(11位或29位)確定總線訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)。在CAN總線收發(fā)器PCA82C250和CAN控制器之間加入高速光耦6N137進(jìn)行隔離，以提高抗干擾能力。

壓力測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)
壓力測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)與溫度測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)的硬件不同之處是使用的傳感器不同，壓力傳感器使用壓力應(yīng)變片傳感器。

轉(zhuǎn)速測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)
目前，轉(zhuǎn)速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發(fā)展，轉(zhuǎn)速測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)采用飛利浦(Philips)公司生產(chǎn)的KMI15系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器性能優(yōu)良，安全性好，穩(wěn)定性強(qiáng)。KMI15-1芯片內(nèi)含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和IC。它利用IC來(lái)完成信號(hào)變換功能，其輸出的電流信號(hào)頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比，電流信號(hào)的變化幅度為7mA～14mA。由于其外圍電路比較簡(jiǎn)單，因而很容易配二次儀表測(cè)量轉(zhuǎn)速。KMI15-1器件的測(cè)量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率范圍是0～25kHz，而且即使在轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近于零時(shí)，它也能夠進(jìn)行測(cè)量。傳感器與齒輪的最大磁感應(yīng)距離為2. 9mm(典型值)，由于與齒輪相距較遠(yuǎn)，因此使用比較安全。該傳感器抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)具有方向性，它對(duì)軸向振動(dòng)不敏感。另外，芯片內(nèi)部還有電磁干擾( EMI)濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。

KMI15-1的體積較小，其最大外形尺寸為8×6×21mm ，能可靠固定在齒輪附近。

KMI15采用+12V電源供電(典型值)，最高不超過(guò)16V。工作溫度范圍寬達(dá)-40～+85℃。

傳感器簡(jiǎn)化電路如圖3所示。

圖3　傳感器簡(jiǎn)化電路

從U2端輸出的電流信號(hào)頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。通過(guò)單片機(jī)計(jì)數(shù)即可測(cè)定轉(zhuǎn)速。

功耗測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)
功耗測(cè)控單片機(jī)系統(tǒng)使用轉(zhuǎn)距傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理和轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到某工況下的功耗。各種單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)裝配的軟件不同。

PCI總線/CAN總線轉(zhuǎn)換卡
PCI總線/CAN總線轉(zhuǎn)換卡是基于PCI總線，集成了CAN通信協(xié)議的PC機(jī)智能板卡。內(nèi)置的V20CPU完成了PC機(jī)與CANBUS現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信，硬固化在適配器上的驅(qū)動(dòng)程序固件完成數(shù)據(jù)的解包和打包。該板卡的PCI橋內(nèi)置16KB雙口SRAM，通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)傳送。適配器與PC機(jī)最高傳輸速率132MBPS，可以充分滿足CAN網(wǎng)絡(luò)高實(shí)時(shí)性要求，通過(guò)該適配器可對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有CAN通信接口的儀表和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。該適配器無(wú)需配置，支持即插即用。驅(qū)動(dòng)支持Win98/2000/xp ，以DLL方式提供。總線隔離1000VDC。

功能要求

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)龐大，測(cè)試點(diǎn)多。自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)設(shè)置有多路溫度測(cè)控系統(tǒng)，多路壓力測(cè)控系統(tǒng)，根據(jù)《出廠檢驗(yàn)規(guī)范》要求，柴油機(jī)的測(cè)試項(xiàng)目分為：?jiǎn)?dòng)系性能測(cè)試，，供油系油壓測(cè)試，充電系性能測(cè)試，動(dòng)力性能測(cè)試，異響性能測(cè)試。在某工況下，某些測(cè)控系統(tǒng)在控制軟件下運(yùn)行，某些測(cè)控系統(tǒng)在測(cè)試軟件下運(yùn)行。并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

管理主機(jī)把各種工況下的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)形成表格存入Access數(shù)據(jù)表，用VB形成功能菜單。

工況管理，增加、瀏覽、調(diào)整工況。常用工況已錄入計(jì)算機(jī)，日常只作少量調(diào)整即可。顯示、打印時(shí)以表格的形式顯示、打印數(shù)據(jù)，直觀方便。

參數(shù)管理，增加、瀏覽、調(diào)整參數(shù)。常用工況下的參數(shù)已錄入計(jì)算機(jī)，日常只作少量調(diào)整即可。顯示、打印時(shí)以表格的形式顯示、打印數(shù)據(jù)，直觀方便。參數(shù)調(diào)整通過(guò)SIMULINK軟件包實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模生成的PID參數(shù)，經(jīng)過(guò)DDE傳到VB形成各種數(shù)據(jù)傳到相應(yīng)的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中。

測(cè)試任務(wù)管理：首先進(jìn)行工況選擇，參數(shù)選擇，啟動(dòng)測(cè)試。每臺(tái)機(jī)器測(cè)試完畢后，形成技術(shù)檔案，并可進(jìn)行瀏覽打印。采用全中文界面，并配有詳細(xì)的幫助和提示信息。

自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)

微機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)
用VB編制各種菜單實(shí)現(xiàn)在各種工況下，各種參數(shù)的測(cè)試命令，各種工況下經(jīng)過(guò)測(cè)試得到的測(cè)試數(shù)據(jù)以表格的形式存入Access的數(shù)據(jù)庫(kù)的表中。用VB編制與各個(gè)單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)通信軟件。傳送的數(shù)據(jù)有工況號(hào)、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、軟件模型數(shù)據(jù)、精度。單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件采用PID調(diào)節(jié)，PID參數(shù)的調(diào)整采用計(jì)算機(jī)仿真。既計(jì)算機(jī)采用數(shù)值解法求解差分方程的過(guò)程。采用這種技術(shù)修改PID參數(shù)，使系統(tǒng)接近實(shí)際情況。計(jì)算機(jī)仿真軟件采用SIMULINK軟件包是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個(gè)集成環(huán)境。他實(shí)現(xiàn)了可視化建模，建立直觀的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真；實(shí)現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。建模形成的參數(shù)以數(shù)據(jù)的形式傳送到單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中去。

在測(cè)試過(guò)程中對(duì)溫度、壓力、功耗、轉(zhuǎn)速等測(cè)試數(shù)據(jù)，形成測(cè)試過(guò)程記錄表，記錄機(jī)器編號(hào)、工況號(hào)、時(shí)間、軟件模型參量、精度要求。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程測(cè)試表對(duì)建立的軟件模型進(jìn)行修改。根據(jù)測(cè)試過(guò)程記錄表形成每臺(tái)機(jī)器的測(cè)試技術(shù)檔案。

單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送接收軟件，計(jì)算機(jī)仿真PID調(diào)節(jié)控制軟件，參數(shù)測(cè)試軟件，APD控制轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取軟件。并根據(jù)實(shí)際控制過(guò)程記錄表對(duì)PID的調(diào)節(jié)值進(jìn)行適當(dāng)修改。

結(jié)論

設(shè)計(jì)的重型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)，屬于校企橫向聯(lián)合項(xiàng)目?，F(xiàn)生產(chǎn)3臺(tái)樣機(jī)正在試用階段，經(jīng)過(guò)使用，重型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。使柴油機(jī)的測(cè)試過(guò)程，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。完善的全中文界面和詳細(xì)的幫助使一線測(cè)試者易于學(xué)習(xí)和掌握操作過(guò)程。對(duì)經(jīng)過(guò)測(cè)試的每臺(tái)機(jī)器都建有測(cè)試檔案，它不僅對(duì)即將出廠的機(jī)器進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)，還對(duì)以后產(chǎn)品的使用與維修起到重要作用。