基于處理器的汽車發(fā)動機點火線圈測試系統(tǒng)

1.引言
隨著汽車電子點火技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對電子點火系統(tǒng)各部件的要求也隨之提高。 點火線圈作為汽車電子點火系統(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)確測試點火線圈各項參數(shù)，建立嚴格的產(chǎn)品出廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)調(diào)查，我國汽車點火線圈系統(tǒng)的國產(chǎn)在線測試設(shè)備多以老式設(shè)備為主，智能檢測設(shè)備較少，而進口設(shè)備價格昂貴，且其智能化程度不高。[1]因此研制出具有自動化、智能化的汽車發(fā)動機點火線圈測試系統(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)動機點火線圈測試臺的設(shè)計方法。
2.系統(tǒng)組成
汽車發(fā)動機點火線圈測試臺的原理框圖如圖1所示。汽車點火線圈測試臺系統(tǒng)的硬件主要由被測件（線圈、負載）、程控信號源、程控電壓源、I/O控制板、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、工控機等組成。其中負載、程控信號源、程控電壓源用于模擬點火線圈的工況；其他部件由于測量以及控制。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，點火線圈的各項參數(shù)必須在相應(yīng)的條件下（不同的測試項目，此條件有可能不同）測得，并且不同信號的線圈的測試條件也不盡相同，所以此處給點火線圈提供工作條件的電壓源和信號源都是可以由上位機中的系統(tǒng)軟件通過串行通信接口來設(shè)定的。為了能夠測試多頭線圈（四頭、六頭等）的不同次級線包，信號源經(jīng)過測量控制電路送往被測件。測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)出的控制命令進行相應(yīng)的動作，以決定送出哪一路信號源以及將何種被測信號接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。IO控制板、和數(shù)據(jù)采集卡分別通過ISA和PCI總線直接與工控機相連。上位機軟件直接對IO端口進行操作來實現(xiàn)對IO控制板的操作。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)則通過驅(qū)動程序與系統(tǒng)測試軟件進行通信。測試人員只需要操作上位機的系統(tǒng)測試軟件就可以點火線圈的各種參數(shù)。【2】【3】

圖-1 汽車點火線圈測試臺的原理框圖
由上述可知，點火線圈測試系統(tǒng)實質(zhì)就是一個數(shù)據(jù)采集與處理的問題。因此數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計就自然成為本系統(tǒng)中最主要的問題。下面分別介紹個部分的實現(xiàn)。
3.硬件實現(xiàn)
3.1 數(shù)據(jù)采集卡
分析點火線圈的次級電壓信號可知，信號的最高有效頻寬是5MHz，根據(jù)采樣定理知，系統(tǒng)的最高采樣速率至少為10MHz，對如此高的采樣速率，必須要用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來測試，才能滿足測試要求。【1】圖-2是本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集部分的結(jié)構(gòu)框圖。

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。它的處理速度可達到100Mbps，具有改進型的8位HPI接口，有16Kxl6Bit DARAM，以及4Kx16Bit ROM 存儲空問，具有較高的性價比。由TMS320C5402內(nèi)部ROM 不可寫，所以外掛一片27040EPROM 作為外部程序區(qū)來存儲程序。因為點火線圈數(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。同時為擴大此采集系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，A/D轉(zhuǎn)換器采用美國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。輸入信號模擬帶寬可達500MHz，采樣時鐘為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，因此對于輸入信號必須經(jīng)過信號調(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)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高速緩存是系統(tǒng)中的一個關(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低壓同步先進先出（FIFO）存儲器，讀寫周期為10ns，具有獨立的18位輸入、輸出接口和讀、寫時鐘信號，可以實現(xiàn)同步讀寫操作。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)連續(xù)地寫入FIFO，DSP根據(jù)FIFO 的狀態(tài)來決定如何讀出數(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每次主動讀FIFO數(shù)據(jù)時，執(zhí)行的是一個條件讀指令，即FIFO不空時(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，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)長時間沒有被讀走，F(xiàn)IFO 半滿或全滿時，會向DSP發(fā)出一個中斷信號，DSP暫停當(dāng)前工作，進入中斷服務(wù)程序，處理FIFO中的數(shù)據(jù)。通過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大大簡化。

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的連接較簡單，在此從略。
采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括DSP中對數(shù)據(jù)的讀取和處理以及采集卡的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)兩部分。本文主要在CCS平臺上采用匯編語言實現(xiàn)DSP的編程。PCI設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)則采用微軟公司為Windows9x 操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序設(shè)計的一種構(gòu)架——VxD。
3.2 程控電壓源和程控信號源
根據(jù)各種不同型號線圈的測試條件要求，程控電壓源必須可產(chǎn)生3－25V 連續(xù)可調(diào)的直流電壓。程控信號源可產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的霍爾波信號，頻率為0.5－250Hz（最小步進1HZ），幅值為0－10V，占空比為1％－99％（最小步進1％）。
程控電壓源的設(shè)計采取工業(yè)成品加控制板的方式來實現(xiàn)，具體來說就是買一個符合要求的可以方便地進行二次開發(fā)（控制）的電壓源，然后根據(jù)電壓源的說明書，制作控制板。市面上這種電壓源很多，控制板的制作也較簡單，在此不加贅述。

圖－3 程控信號源系統(tǒng)框圖
從上述所給指標(biāo)可以看出，該程控信號發(fā)生器頻率變化范圍寬，對穩(wěn)定度和精度的要求都很高一而且有一定自動化的要求。這些都是模擬電路難以達到的，所以我們采用了單片機控制的全數(shù)字電路，系統(tǒng)框圖見圖－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的一位輸出口，定時對它置位和清零的方法來實現(xiàn)，這樣就可以方便地調(diào)整占空比，同時頻率也是可變的。經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率為250Hz，占空比為1％ 時，信號保持高電平的時間為40μS，因此MCS-51單片機的速度能達到要求?！?】
3.3 IO控制板和測量控制電路
在介紹系統(tǒng)組成的時候以及說明了測量控制電路的作用和組成。下面簡要介紹一下IO板的設(shè)計與實現(xiàn)。此處的IO板僅僅由一個簡單的并行接口芯片8255A組成，并直接將此板接插在工控機的ISA擴展槽上（如果工控機上沒有ISA插槽，也可以直接接PCI插槽）。上位機軟件對IO板的操作僅僅是寫一些控制字，就可以讓IO板的輸出發(fā)生相應(yīng)的變化，從而驅(qū)動相應(yīng)的測量控制電路中的繼電器進行相應(yīng)的動作。我們知道，在Windows 9x的操作系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件可以直接對接口電路中的寄存器進行訪問而不需要驅(qū)動程序。所以，如果本系統(tǒng)中的上位機采用Windows 98 做為操作系統(tǒng)，就不需要為IO板編寫驅(qū)動程序了。這正是筆者在此測試系統(tǒng)的工控機中使用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
系統(tǒng)軟件包括上位機軟件和下位機軟件，下位機軟件的設(shè)計在介紹各個部分的硬件實現(xiàn)的時候已經(jīng)有所述及，在此不在贅述。
上位機程序設(shè)計可分為四大部分：測試界面的設(shè)計、用于存儲測量結(jié)果以及測試參數(shù)設(shè)置的數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、上位機與下位機之間串口通信程序的設(shè)計、測量算法的設(shè)計。
上位機軟件采用Visual Basic 6.0來實現(xiàn)。Visual Basic 6.0是Windows環(huán)境下簡單、易學(xué)、高效的可視化編程語言開發(fā)系統(tǒng)。VB6.0既可使用DLL來實現(xiàn)IO端口的輸入輸出功能，又可通過Mscomm控件或API函數(shù)實現(xiàn)串口通信，能方便地實現(xiàn)圖像顯示和數(shù)據(jù)存儲，還能夠充分發(fā)揮VB數(shù)據(jù)庫功能以及生成用戶界面快等優(yōu)點。因此采用VB6.0來實現(xiàn)本系統(tǒng)恰到好處。在這里介紹在VB6.0下如何訪問插在工控機I/O插槽中的IO板的端口。
由于VB不能直接對寄存器進行操作,沒有直接的輸入輸出端口操作語句,而VC++同時具有匯編語言和高級語言的功能與特點,如果利用VC++編制一個動態(tài)鏈接庫,庫中包含對輸入輸出端口的讀/寫函數(shù),然后在VB程序中,通過聲明DLL中的函數(shù)并提供DLL路徑來調(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現(xiàn)對IO口的操作。
5.結(jié)束語
本文所介紹的汽車發(fā)動機點火線圈測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，實際應(yīng)用于武漢理工大學(xué)汽車電子電氣研究所為廣州飛達電器公司和北京同享同悅汽車電子有限公司研制的點火線圈測試臺上，取得了很好的效果。
本文作者創(chuàng)新點：本文中所論述的點火線圈測試系統(tǒng)能測量國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的所有點火線圈的參數(shù)，達到替代進口設(shè)備，填補國內(nèi)空白的目的，并且汽車發(fā)動機點火線圈測試的準(zhǔn)確性、精確度方面都達到了較高要求，完善提高了國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備的性能.