基于MSP430的無載測功系統(tǒng)的設(shè)計研究

1無載測功系統(tǒng)概述

發(fā)動機輸出的有效功率是發(fā)動機的重要性能指標之一，通過這項指標，可以定性的評價發(fā)動機的技術(shù)狀況，并定量的獲得發(fā)動機的動力性。目前發(fā)動機有效功率的檢測方法有穩(wěn)態(tài)檢測和動態(tài)檢測兩種。

穩(wěn)態(tài)測功是指當發(fā)動機在節(jié)氣門開度一定，轉(zhuǎn)速一定和其他參數(shù)保持不變的穩(wěn)定狀態(tài)下，用機械測功器、電渦流測功器、水利測功器或在底盤測功試驗臺上測定發(fā)動機功率的方法。利用這種方法測出的數(shù)據(jù)比較準確可靠，主要在發(fā)動機設(shè)計、制造、定型及院校和科研部門做性能試驗時使用。其特點是測功一次費時費力較多，成本較高，且需要大型、固定安裝的測功器（這種測功儀器的費用通常是很高的），因而在一般的運輸、維修和交通監(jiān)理部門中采用不多。并且，除底盤測功試驗臺外，其他測功器也不適合對汽車進行不解體檢測。

動態(tài)測功是在發(fā)動機節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速均變動的狀態(tài)下測定發(fā)動機功率的方法。由于動態(tài)測功時無須對發(fā)動機施加外部負荷，因而又稱為無負荷測功或無外載測功。動態(tài)測功的優(yōu)點是不需要外加負荷，不需大型設(shè)備，既可以在臺架上進行，也可以就車進行，因而大大提高了檢測的方便性和迅速性，特別適用于檢測在用車輛發(fā)動機的功率，適合于維修檢測等部門。

本系統(tǒng)采用光電傳感器對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號進行采集和處理，通過TI公司的MSP430F1232結(jié)合測試算法進行研究。

2系統(tǒng)設(shè)計

為保證儀器對速度的測試精度，儀器擬采用光電傳感器進行信號采集，通過最小二乘法進行曲線擬合以提高測試精度。

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件處理單元原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由微處理器、光電傳感器、信號采集及處理電路、鍵盤、LCD顯示、串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠纸M成。

2.1.1 MCU是該測功系統(tǒng)的核心，由它完成數(shù)據(jù)采樣處理及優(yōu)化，包括鍵盤輸入、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、以及PC機通信等功能。該系統(tǒng)采用的是TI公司的MSP430F1232混合信號控制器，其內(nèi)部有8K FLASH ROM，3個雙向并行I/O 口，其中P1和P2口都具有中斷功能（相當于14個外部中斷）以及16位定時器A（帶3個通道），8通道10位最大轉(zhuǎn)換速度為200kspsA/D轉(zhuǎn)換器，串行通信接口等。另外該微處理器具有超低功耗的特點，在系統(tǒng)供電方面具有很大的優(yōu)勢。

圖1  智能化信號處理單元原理框圖

2.1.2 數(shù)據(jù)采集及處理電路：利用光電傳感器檢測轉(zhuǎn)速信號，輔以電路進行整形處理。

（1）轉(zhuǎn)速傳感器的類型很多，因光電傳感器^[1]具有線性度好、分辨率高、噪音小和精度高等優(yōu)點，所以我們選擇光電轉(zhuǎn)速傳感器來進行轉(zhuǎn)速的檢測。在本系統(tǒng)中選用60齒的齒盤進行轉(zhuǎn)速測量，齒盤每轉(zhuǎn)一齒將產(chǎn)生一個脈沖信號，這就意味著齒輪轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生60個脈沖信號。

（2）信號調(diào)理電路：傳感器輸出的信號是一系列不規(guī)則的信號，不利于單片機進行信號提取，通過此調(diào)理電路，經(jīng)低通濾波（RIN2、CIN1和RIN3、CIN2）除掉一部分毛刺，再由施密特觸發(fā)器74HC14將信號整形為規(guī)則的方波信號。電路設(shè)計為兩路輸入信號（其中一路為備用接口單元），通過端口引腳將數(shù)據(jù)送入單片機（如圖2所示）。

圖2信號調(diào)理電路

2.1.3鍵盤輸入及LCD接口電路^[2]

     按鍵屬于矩陣式設(shè)計，它由4個行線和4個列線組成。如圖3所示，一個4*4的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個16按鍵的鍵盤；設(shè)置十個數(shù)字鍵，用來輸入轉(zhuǎn)速閾值和轉(zhuǎn)動慣量等值，復(fù)位鍵和清零鍵各占一位，其余為備用鍵。

LCD顯示部分采用的是具有漢字顯示功能的LCD模塊，OCMJ128*64能顯示8*4行漢字，可用來顯示當前所測速度、加速度以及求得的瞬時功率和所需輸入的轉(zhuǎn)動慣量等信息。

圖3鍵盤及LCD接口電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1無載測功系統(tǒng)模型建立^[3]

本測功系統(tǒng)是基于動力學(xué)的方法分析建立的，原理為：當發(fā)動機與傳動系統(tǒng)分開時，將發(fā)動機從怠速或某一低轉(zhuǎn)速急加速至節(jié)氣門(油門)最大開度，此時發(fā)動機產(chǎn)生的動力克服各種阻力矩和本身運動件的慣性力矩，迅速達到空載最大轉(zhuǎn)速，形成一定比例的飛升曲線。對于某一結(jié)構(gòu)的發(fā)動機，其運動件及附件的轉(zhuǎn)動慣量可以認為是一定值，因而只要測出發(fā)動機在指定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)急加速時的平均加速度，即可得知發(fā)動機的動力性;或者說通過測量某一定轉(zhuǎn)速時的瞬時加速度，就可以確定發(fā)動機功率的大小，瞬時加速度越大，表明發(fā)動機功率越大。發(fā)動機功率表示為:Pe=Te*n/9549

式中:

Pe-----發(fā)動機有效功率(kW):

n-------發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min);

Te------發(fā)動機轉(zhuǎn)矩(N*m)

根據(jù)有關(guān)文獻可得出功率模型為：Pe=C₂*n*(dn/dt),其中：C2=k*(π/30)*(J/9549),k為動態(tài)測量時功率的修正系數(shù)，可通過臺架對比試驗得出；J是一個未知量，一般情況下出廠說明書中會給出該參數(shù)，可直接將其代入。因此，測定瞬時功率問題轉(zhuǎn)化為求轉(zhuǎn)速^[5]和角加速度或曲軸轉(zhuǎn)速變化率的問題。

轉(zhuǎn)速的測量有測周法和測頻法^[4]：測頻法是在固定的時間內(nèi)，對傳感器發(fā)出的脈沖信號進行記數(shù)；測周期法是在k個（k>=1）轉(zhuǎn)速脈沖信號周期內(nèi)，對具有恒定頻率f(周期T)的標準時鐘脈沖信號進行計數(shù)。進行低速測量時，測周法的精度較高，而相對于較高的轉(zhuǎn)速測量，測頻法精度優(yōu)于測周法，本系統(tǒng)采用的是測頻法。假設(shè)在一定的時間T內(nèi)，測速脈沖計數(shù)器計取的脈沖數(shù)為m，轉(zhuǎn)速n計算公式：n=60m／pT，p為發(fā)動機轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即碼盤的孔數(shù)。

2.2.2數(shù)據(jù)采集過程

     動態(tài)數(shù)據(jù)采集過程，實質(zhì)上是對飛升曲線直線段的捕捉的過程，其準確性在很大程度上決定測試結(jié)果的可靠性。該過程定時器A為時基發(fā)生器，產(chǎn)生10ms信號。每10ms對轉(zhuǎn)速進行掃描，同時記錄數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)個數(shù)C。對于數(shù)據(jù)序列，每隔[C/8]個數(shù)據(jù)點取一個數(shù)據(jù)，構(gòu)成8個數(shù)據(jù)組合，為后續(xù)dn/dt的求解做準備。這種數(shù)據(jù)采集方法能夠確切的表達出直線飛升過程，使提取的數(shù)據(jù)均勻分布，提高計算結(jié)果的準確性。

2.2.3用最小二乘法計算dn/dt

 之所以采用最小二乘法來求dn/dt是為了避免操作方法(如猛加油門過程)不合理而造成的誤差。加油門時必須一踩到底，使轉(zhuǎn)速響應(yīng)過程接近于二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線(飛升曲線)，否則，飛升曲線直線段不理想，由此計算出的結(jié)果誤差很大。采用最小二乘法后，能夠減弱操作給飛升曲線帶來的影響，進而使得操作方法給實驗帶來的誤差變小。此外，應(yīng)選擇合理的工況進行測試，以保證測量的準確性。

    由發(fā)動機的飛升特性可知，轉(zhuǎn)速n和時間t之間存在著良好的線性關(guān)系，即n=b+at,式中a=dn/dt。通過測定某一時刻轉(zhuǎn)速值，經(jīng)過曲線擬合，即可求出dn/dt。

由上面分析可知，其矩陣表示形式為：

2.2.4主程序結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化程序結(jié)構(gòu)^[6]，由主程序模塊、數(shù)據(jù)采樣處理模塊、鍵盤掃描及處理模塊、顯示模塊組成。系統(tǒng)的主要流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

2.2.5測試方法

    系統(tǒng)采用怠速加速法實現(xiàn)發(fā)動機無載測功。發(fā)動機在怠速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，然后突然將節(jié)流閥開到最大位置，發(fā)動機轉(zhuǎn)速猛然上升，當轉(zhuǎn)速達到所確定的測試轉(zhuǎn)速(測瞬時功率)時，儀表顯示出所測功率值。此后應(yīng)立即松開加速踏板，以避免發(fā)動機長時間高速運轉(zhuǎn)。記下或打印出讀數(shù)后，按“清零”鍵使指示裝置清零。為保證測試結(jié)果可靠，一般重復(fù)測量3-5次取其平均值。該測試方法既適用于汽油機(化油器式)，又適用于柴油機。

3 試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果

     根據(jù)2.2.5節(jié)的方法實現(xiàn)實驗過程，以兩缸機為例進行實驗，測得實驗數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)采集過程采集的數(shù)據(jù)按2.2.2節(jié)的方法進行處理，以減小實驗數(shù)據(jù)處理過程的誤差。本試驗中取J = 0.025 kg*m² ，將其帶入系統(tǒng)模型可求得轉(zhuǎn)速、加速度和瞬時功率。如此重復(fù)3-5次，求平均值。數(shù)據(jù)如表一所示。

從實驗結(jié)果來看，平均誤差在3%以內(nèi)，證明實驗方法正確、理論可行。通過實際檢驗，該系統(tǒng)有如下優(yōu)點:

            a.傳感器接入簡便，系統(tǒng)操作簡單；

            b.性能穩(wěn)定，故障率低，測量精度高；

            c.適用范圍廣，可用于大部分柴、汽油機功率檢測。

表一：實驗數(shù)據(jù)

4  結(jié)束語

   隨著我國汽車業(yè)的迅猛發(fā)展，勢必對車輛性能檢測提出更高更快更準確的要求，而發(fā)動機輸出功率作為車輛性能檢測中的一項重要指標，對車輛檢測起著重要的作用。本系統(tǒng)的設(shè)計成功可提高以往這種儀器存在的不穩(wěn)定性，減小誤差，適合于汽車檢測部門和檢驗中心，方便快捷地對發(fā)動機進行不解體檢測。

   另外，由于該儀器的制造成本較低，其材料成本不到500元，而具有類似功能的儀器市場價格約2-3千元，以市場年需求量2千臺計，每臺售價1500元，則年產(chǎn)量約300多萬元，因此具有較好的經(jīng)濟效益。