于海征， 馮國勝， 袁新華， 鄧曉龍， 李鵬飛

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

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基于DSPF2812的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

于海征， 馮國勝， 袁新華， 鄧曉龍， 李鵬飛

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

在研究現(xiàn)有的幾種發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種以T型測速方法為原理，以DSPF2812為控制核心的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的測量原理以及實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量的軟件編程方法和信號調(diào)理電路設(shè)計，同時應(yīng)用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)對信號的監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲，最后對該測量系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，在實(shí)際測試中取得了良好的效果。該系統(tǒng)具有測速精度高、測速范圍廣以及實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn)，為汽車發(fā)動機(jī)性能研究、故障處理以及后續(xù)的分析提供了重要的參考依據(jù)，同時該系統(tǒng)還可以應(yīng)用到電機(jī)測速等其它測速領(lǐng)域，具有較高的實(shí)用價值。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；測量 ；DSPF2812；T型法測速；LabVIEW

0 引言

發(fā)動機(jī)是汽車總體構(gòu)造的核心部分，為了獲取汽車發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況，需要對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試，并精確記錄轉(zhuǎn)速值[1]。汽車發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)對車輛進(jìn)行后續(xù)的檢測、維修和保養(yǎng)提供了重要的參考依據(jù)，所以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測量、實(shí)時監(jiān)測以及數(shù)據(jù)存儲具有重要的意義和價值。為實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速快速、準(zhǔn)確的測量，本設(shè)計以T型法測速為原理，通過應(yīng)用DSPF2812的捕獲單元采集發(fā)動機(jī)的噴油脈沖信號來實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量和計算，同時采用新的軟件編程方法，在確保發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測試精度的基礎(chǔ)上增大了所測轉(zhuǎn)速的范圍，最后通過應(yīng)用LabVIEW軟件與DSPF2812的串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測和存儲。

1 測量原理及總體設(shè)計

1.1 測量原理

圖1 T法測速原理示意圖

數(shù)字測速具有測速精度高、分辨能力強(qiáng)、受器件影響小等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字測速方法主要有M法測速、T法測速以及M/T法測速3種[2]。與其它兩種測速方法相比，T型法測速具有原理簡單以及軟件編程方法易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，同時能夠保證一定的測量精度。本設(shè)計將T型測速方法應(yīng)用于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，同時在軟件編程方法上進(jìn)行了改進(jìn)，與現(xiàn)有的應(yīng)用DSP實(shí)現(xiàn)T型測速方法相比，在保證測量精度的基礎(chǔ)上增大了轉(zhuǎn)速的測量范圍。

T法測速，又被稱為測周法測速，原理是通過測量被測信號兩個輸出脈沖之間的間隔時間T來計算轉(zhuǎn)速。測量時間T是以發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號的上升邊沿作為計數(shù)器計數(shù)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，應(yīng)用高頻脈沖的計數(shù)個數(shù)計算出來的，其原理示意圖如圖1所示。

1.2 總體設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)兩個噴油脈沖信號之間高速時鐘脈沖數(shù)的測量，本設(shè)計采用DSPF2812為控制核心。DSPF2812的CPU主頻高達(dá)150 Hz，時鐘周期為6.67 ns，具有高性能的32位中央處理器[3]，具有兩個相同的事件管理器模塊EVA和EVB，每個EV模塊具有2個通用定時器、3個全比較單元以及3個捕獲單元。通過對發(fā)動機(jī)的噴油脈沖信號進(jìn)行調(diào)理，得到可測的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號并傳輸給DSPF2812的輸入捕獲單元，運(yùn)用DSPF2812的計數(shù)器T1在發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號的一個周期內(nèi)對已知頻率為f0的高頻時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，得出M2的值，最后通過M2和f0的值來計算轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速值通過串口發(fā)送到LabVIEW軟件，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計框圖

2 信號調(diào)理電路設(shè)計

圖3 發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號

通過示波器觀察，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)車的發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號存在反向脈沖，并且脈沖的幅值過高，如圖3所示。由于DSPF2812的捕獲單元不能輸入負(fù)電壓并且脈沖信號的峰值電壓不能過高，所以發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號的反向脈沖必須濾掉，同時為了避免汽車發(fā)動機(jī)主回路中對控制回路的弱電信號產(chǎn)生干擾，必須對主回路和控制回路進(jìn)行隔離。依據(jù)本設(shè)計的測量原理，下面給出以DSPF2812為控制核心的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的信號調(diào)理電路設(shè)計(如圖4所示)。

發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號通過二極管M7，將反向脈沖過濾，并應(yīng)用光耦隔離避免主回路對控制回路的干擾以及避免由于輸入輸出端使用不同的地而產(chǎn)生干擾。發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號經(jīng)輸入端2進(jìn)入，輸入端1接發(fā)動機(jī)信號地，輸出端接DSP的捕獲單元，當(dāng)輸入端為高電平時，輸出端為0 V，當(dāng)輸入端為低電平時，輸出端為3.3 V。發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號經(jīng)調(diào)理后的波形如圖5所示，經(jīng)調(diào)理后的發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號能夠滿足DSP捕獲單元捕獲脈沖信號的要求。

圖4 信號調(diào)理電路

圖5 調(diào)理后的噴油脈沖信號

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)速測量軟件設(shè)計

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

本設(shè)計應(yīng)用DSP的通用定時器T1進(jìn)行高速時鐘的累加，將捕獲引腳CAP1定義為功能引腳，允許定時器溢出中斷和捕捉中斷，系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號由CAP1引腳輸入，當(dāng)捕獲單元捕捉到上升沿時，計數(shù)寄存器T1的當(dāng)前值就存入捕獲單元的2級FIFO堆棧中，同時產(chǎn)生一個捕獲中斷請求，之后進(jìn)入捕捉中斷處理子程序。在捕獲中斷子程序中通過讀取2級堆棧棧頂?shù)闹挡①x給變量CAPK1，同時利用CAPK2變量記錄后一次捕捉時刻T1的值，傳統(tǒng)計算方法不考慮溢出的問題，兩個相鄰上升沿的高頻脈沖計數(shù)次數(shù)即為CAPK2與CAPK1與值之差，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較大，尤其是在轉(zhuǎn)速較低時在兩次捕獲中斷之間定時器T1可能發(fā)生溢出，所以傳統(tǒng)計算方法所能測量的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍受到限制，為確保測量準(zhǔn)確，本設(shè)計在軟件編程中考慮了定時器T1的溢出問題。

通過對系統(tǒng)初始化以及事件管理器模塊初始化，設(shè)定高速時鐘脈沖頻率f0為1.171 875 MHz，開定時器上溢中斷和捕獲中斷。在定時器T1溢出中斷子程序中用變量R記錄定時器的溢出次數(shù)，由于轉(zhuǎn)速的計算需要記錄兩次的時間和溢出次數(shù)，程序中采用每兩次中斷計算一次轉(zhuǎn)速值，應(yīng)用CAPK1記錄FIFO棧底中的值，在第一次進(jìn)入中斷時將CAPK1的值賦給CAPK2，第二次中斷時由測得的CAPK1、CAPK2以及R的值可以得到兩個上升沿之間定時器T1的高頻脈沖次數(shù)M2，最后根據(jù)定時器T1的時鐘頻率f0和M2計算可以得到發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，程序中中斷的次數(shù)由變量i2確定。與傳統(tǒng)的編程方法相比，本方法考慮了定時器的溢出問題，同時在記錄定時器的值時采用讀取FIFO棧底的值而不是讀取棧頂?shù)闹?，這樣可以實(shí)現(xiàn)更大的測速范圍，經(jīng)測試，最低測量頻率可達(dá)1 Hz。中斷服務(wù)子程序的流程圖如圖7所示。捕獲中斷子程序代碼如圖8所示。

圖7 中斷服務(wù)子程序流程圖

3.2 信號監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲

在DSPF2812配套的CCS編程軟件中可以實(shí)現(xiàn)對所測轉(zhuǎn)速信號查看，但是該種方法可讀性和實(shí)時性較差，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號的實(shí)時監(jiān)測以及數(shù)據(jù)存儲，本設(shè)計采用DSP 和上位機(jī)之間通過串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。LabVIEW是一種基于數(shù)字流的編程語言，其特點(diǎn)是圖形化模塊化，將 DSP 運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)通過 RS232 串口發(fā)送至 PC，采用LabVIEW對串口收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、處理和存儲[4]。

DSP通過SCI模塊與LabVIEW的VISA模塊實(shí)現(xiàn)串口通信，SCI采用查詢方式進(jìn)行發(fā)送，通過更改寄存器的值，將波特率設(shè)置為9 600，8位數(shù)據(jù)位，一位停止位。在實(shí)際的通信過程中，考慮到 DSP 的串行緩沖區(qū)和 PC的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)位最大是 8 位，而要發(fā)送的轉(zhuǎn)速信號值為16位，在發(fā)送過程中采用將高8位和低8位進(jìn)行依次發(fā)送[5]，在LabVIEW接收程序中再將數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，通過計算得到實(shí)際的轉(zhuǎn)速值，但由于高、低8位的依次發(fā)送造成了接收時的不明確，無法確定接收的數(shù)據(jù)是高8位還是低8位，為解決這一問題，在發(fā)送軟件中加入了辨識位AB、CD，所以只需要在接收程序中加入辨識位的判斷即可確定高、低8位。DSP的SCI發(fā)送程序代碼如下：

圖8 捕獲中斷子程序代碼

LabVIEW接收程序中，通過VISA庫中的串口通信函數(shù)設(shè)定VISA資源名稱、波特率、停止位、數(shù)據(jù)位以及校驗(yàn)位，并且確保與DSP發(fā)送程序中設(shè)定的值相同，否則無法完成接收。在接收程序中首先判斷辨識位，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行重組并計算，得到轉(zhuǎn)速值。LabVIEW程序前面板如圖9。

圖9 LabVIEW程序前面板

4 測試結(jié)果分析

應(yīng)用DSPF2812的捕獲單元模塊測量發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號的方法可以計算出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時可以保證較高的精度，該方法在極端情況下會產(chǎn)生1個計數(shù)脈沖的檢測誤差[6]，如圖10。

圖10 檢測誤差分析

為測試本系統(tǒng)的可行性，首先在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用信號發(fā)生器模擬發(fā)動機(jī)噴油脈沖信號，為便于觀察測量結(jié)果，文中將測得的頻率值換算成轉(zhuǎn)速值，經(jīng)測試該系統(tǒng)可行。最后將本系統(tǒng)應(yīng)用于哈弗H6和福特?？怂沟溶囆瓦M(jìn)行了實(shí)際測試，所測得的轉(zhuǎn)速值與實(shí)際轉(zhuǎn)速值之間的誤差很小。函數(shù)發(fā)生器的模擬測量值以及實(shí)際測量值的數(shù)據(jù)如表1所示。通過對測量結(jié)果進(jìn)行分析可得，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測量和記錄汽車發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

表1 函數(shù)發(fā)生器的模擬轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的測量結(jié)果

5 結(jié)論

基于DSPF2812的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)通過采集發(fā)動機(jī)的噴油脈沖信號實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，硬件電路設(shè)計簡單，便于調(diào)試，在保證測量精度的前提下增大了測量范圍，并且在實(shí)際測試中取得了較好的效果。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測量、實(shí)時監(jiān)測以及數(shù)據(jù)存儲，為發(fā)動機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測、故障檢測提供了數(shù)據(jù)參考。同時本系統(tǒng)具有測量精度較高、測速范圍廣以及便于調(diào)試等特點(diǎn)，也可以將其應(yīng)用到電機(jī)速度測量等其它測速領(lǐng)域，具有較高的實(shí)用價值。

[1]李益華，周黎明．汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)研究[J].工業(yè)控制計算機(jī),2010,23(4):34-35.

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Design of the Measurement System for Engine Speed Based on DSPF2812

Yu Haizheng, Feng Guosheng, Yuan Xinhua, Deng Xiaolong, Li Pengfei

(School of Mechanical Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

On the basis of a study of several theories of measuring the engine speed, a system of testing the engine speed based on the theory of T is designed, in which DSPF2812 is regarded as the controller and the measuring principle, system hardware and software are given. LabVIEW is used to achieve the data processing and displaying. Good performance is obtained in actual measurement. The system has high speed measuring precision, wide speed range and the characteristics of real time, which can provide an important reference for researching the engine, solving problems and analysis. In addition, the system can be used for other fields, such as measuring the speed of motors, which has a good practicability.

engine speed; measurement; DSPF2812; theory of T; LabVIEW

2015-04-01 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.14

河北省自然科學(xué)基金(E2014210050)；石家莊市科研計劃項(xiàng)目(141081011A)；河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目(C2015005019)

于海征(1990-)，男，碩士研究生,主要從事車輛電子控制的研究。E-mail: yuhaizheng1111@163.com

U464.12+<3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：="" a="" class="emphasis_bold">3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 2095-0373(2016)02-0072-063 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：="" a=""

2095-0373(2016)02-0072-06

A 文章編號： 2095-0373(2016)02-0072-06

于海征，馮國勝，袁新華，等.基于DSPF2812的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2016,29(2):72-77.