胡瑄

（景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)，333000）

0 引言

為了確保汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下，其混合氣均能處于最佳濃度，所以設(shè)置了電噴系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過(guò)傳感器可以有效監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)，如尾氣中的氧含量、空氣流量以及冷卻液溫度等，然后將監(jiān)測(cè)到的相關(guān)參數(shù)以電信號(hào)的方式輸入到發(fā)送機(jī)控制器當(dāng)中，以準(zhǔn)確控制噴油量和時(shí)間。由此可見電噴系統(tǒng)中傳感器的重要作用，所以在檢修汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)傳感器的監(jiān)測(cè)，確保其處于正常工作狀態(tài)。但根據(jù)相關(guān)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的汽車傳感器檢測(cè)設(shè)備還存在一些不足，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感器的綜合檢測(cè)，所以文章設(shè)計(jì)了一種能夠滿足這種檢測(cè)要求的檢測(cè)系統(tǒng)。

1 汽車電噴系統(tǒng)概述

在上個(gè)世紀(jì)60年代，世界整體汽車保有量快速增長(zhǎng)，但由于其中燃油輸送系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，不能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)混合氣，汽車尾氣排放量不斷增加，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，因此，很多國(guó)家開始限制汽車排放。同時(shí)隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，為汽車電控燃油噴射技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的汽車燃油噴射系統(tǒng)為機(jī)械式燃油噴射系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，混合氣控制精度較低，還需要消耗大量的成本在維修和燃油方面。因此，工程師們開發(fā)出了電控燃油噴射系統(tǒng)。同時(shí)，也是為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)化油器存在的弊端，如節(jié)氣門不能靈敏響應(yīng)，很容易發(fā)生氣阻等。電控燃油噴射系統(tǒng)的發(fā)展歷程比較復(fù)雜，經(jīng)過(guò)了多個(gè)汽車公司的不斷完善，才實(shí)現(xiàn)高水平的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各個(gè)傳感器輸送的信息，控制噴油器的壓力，將燃油與空氣混合進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中，并在最佳時(shí)刻點(diǎn)燃可燃混合氣，以使得發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)加濃、自動(dòng)怠速控制、暖機(jī)加濃等功能，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，在很大程度上促進(jìn)了汽車使用性能的提升[1]。另外，汽車是一種效率較高的交通工具，而其動(dòng)力性直接影響著運(yùn)輸效率。所以，對(duì)于汽車的各種性能來(lái)說(shuō)，動(dòng)力性是其中最重要的性能。在使用傳統(tǒng)的普通化油器時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混合氣不能充分燃燒，增加廢棄物的排放量，不僅不能充分發(fā)揮汽車的最佳性能，影響汽車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，也會(huì)浪費(fèi)燃料，加重對(duì)環(huán)境的污染。而電噴系統(tǒng)能夠有效彌補(bǔ)這些不足，對(duì)環(huán)境保護(hù)有很好的影響。當(dāng)傳感器檢測(cè)到混合氣燃燒不完全，不能達(dá)到最佳的空燃比，就會(huì)導(dǎo)致廢氣中碳氧化合物的含量增加，而該系統(tǒng)中的控制程序可以將空燃比調(diào)整到最佳狀態(tài)，進(jìn)而大大降低了廢棄物的排放。

2 汽車電噴系統(tǒng)的組成

當(dāng)前，汽車電控汽油噴射系統(tǒng)的使用已經(jīng)比較普遍。在該系統(tǒng)中，主要通過(guò)控制噴油器的開啟時(shí)間來(lái)控制油量。在汽油噴出之后，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力損失，所以需要將氣管壓力引入到供油調(diào)壓器當(dāng)中，以保持壓差平衡。另外，該系統(tǒng)往往配有發(fā)動(dòng)機(jī)集中控制系統(tǒng)，以獲取更高的噴油控制精度。

■2.1 電噴系統(tǒng)的構(gòu)成

首先為空氣流量傳感器，其可以利用熱線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的空氣質(zhì)量流量進(jìn)行測(cè)量，為了讓熱線和進(jìn)氣溫度存在一定的溫差，可以對(duì)熱線進(jìn)行加熱，再通過(guò)電控單元的測(cè)量，就可以判斷進(jìn)氣的質(zhì)量流量。其次為燃油供給系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括調(diào)壓器和電動(dòng)汽油泵等，其中電動(dòng)汽車泵可以為噴油器提供燃油。最后為空燃比閉環(huán)控制，通過(guò)電控單元對(duì)噴油脈沖寬度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而有效控制混合氣當(dāng)中的空燃比，使其處在催化轉(zhuǎn)換器窗口當(dāng)中。

■2.2 電噴系統(tǒng)的工作流程

在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，根據(jù)冷卻液溫度傳感器輸入信號(hào)，并通過(guò)查表，可以利用電控單元確定實(shí)際噴油量，然后控制噴油器開啟噴油。為了補(bǔ)償燃油量減少的情況，在起動(dòng)之后，一旦進(jìn)入進(jìn)氣管，會(huì)增加燃油量。直到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之后，還是難以形成混合氣，所以要想獲得最好的排放效果，就需要供給相應(yīng)時(shí)間的混合氣，并合理減少其加濃程度。在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度不斷上升的過(guò)程中，需要不斷減少噴油量。電控單元還可以判斷節(jié)氣門的打開速度。大綱發(fā)動(dòng)機(jī)處于加速工況下，為了確保其可以安全度過(guò)這一過(guò)程，應(yīng)加大噴油量，并為其提供混合氣。另外，電控單元還可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)節(jié)氣門已經(jīng)關(guān)閉，但發(fā)動(dòng)機(jī)仍然轉(zhuǎn)速較高，則判斷其處于減速狀態(tài)，在此工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要輸出頻率，所以應(yīng)完全停止噴油[2]。當(dāng)電控單元發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)處于負(fù)荷工況下，其會(huì)加大噴油脈沖寬度，確保發(fā)動(dòng)機(jī)可以發(fā)出最大功率。當(dāng)電控單元發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度處于正常范圍內(nèi)，則可以進(jìn)行空燃比閉環(huán)控制。

3 檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，燃?xì)馄囍饾u得到了大眾的喜愛(ài)，在世界范圍內(nèi)得到普及，主要原因在于其不僅資源豐富，還能清潔排放。而電控噴油裝置也得到了廣泛的應(yīng)用，其可以保障發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)長(zhǎng)期穩(wěn)定，具有優(yōu)越的性能，能夠最大限度地凈化空氣，并且節(jié)省油量。此外，傳感器在汽車電噴系統(tǒng)中的使用也不斷增加，不同的種類之間輸出不同的信號(hào)參數(shù)形式。對(duì)于種類比較多的傳感器，為了有效檢測(cè)其信號(hào)參數(shù)，必須要設(shè)計(jì)一種相應(yīng)的綜合檢測(cè)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)之前，先對(duì)電噴系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行分類，對(duì)不同種類的傳感器進(jìn)行深入分析，總結(jié)其特點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的檢測(cè)方法[3]。同時(shí)，在設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)時(shí)，可以設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)通道。大致將傳感器分為四類，其具體特點(diǎn)如下：其一為旋轉(zhuǎn)類傳感器，主要工作原理為霍爾式，輸出信號(hào)為類似正弦波和正弦波等，主要對(duì)其頻率值進(jìn)行檢測(cè)；其二為模擬量傳感器，如滑膜變阻器，檢測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)其電壓值進(jìn)行檢測(cè)；其三為溫度傳感器，主要為熱敏電阻式，輸出信號(hào)為電阻值等，檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)其電壓值進(jìn)行測(cè)量，也可以對(duì)其高低電平進(jìn)行測(cè)量；其四為壓力傳感器，主要為金屬變形片和半導(dǎo)體應(yīng)變器，檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)其電壓值進(jìn)行測(cè)量，也可以對(duì)其高低電平進(jìn)行測(cè)量。

4 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在完成不同類型檢測(cè)系統(tǒng)分類，并對(duì)其相應(yīng)檢測(cè)方法進(jìn)行分析后，再開始進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，將該系統(tǒng)主要分為兩個(gè)大的模塊，一大模塊為主控平臺(tái)，是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的中央處理單元，主要由ARM處理器、USB接口設(shè)備以及LCD觸摸顯示屏等諸多子模塊構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)主控平臺(tái)

在該模塊中，采用的微處理器是32位 ARM9微控制器LPC3250，其不僅能夠很好地滿足不同操作系統(tǒng)的運(yùn)行要求，還能處理具有高度復(fù)雜性的信息，具有良好的性能，并且還能在較高的CPU頻率下工作。在本設(shè)計(jì)中，操作系統(tǒng)選擇的是嵌入式操作系統(tǒng)WinCE5.0。同時(shí)，LPC3250可以實(shí)現(xiàn)外接存儲(chǔ)器的控制功能，以及LCD顯示觸摸屏的功能，主要因?yàn)槠鋷в卸鄠€(gè)不同的接口功能，包括片內(nèi)靜態(tài)RAM，高達(dá)256KB、觸摸屏接口、NAND Flash接口、USB2.0全速接口等[4]。檢測(cè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器性能優(yōu)劣的判斷，首先要依靠驅(qū)動(dòng)資源，并利用數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)于采集模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)，除妖通過(guò)接口設(shè)備實(shí)現(xiàn)接收，然后與傳感器標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，之后再將比較結(jié)果顯示出來(lái)。在該模塊中，包含多個(gè)子模塊，每個(gè)模塊尤其不同的功能。首先為USB接口設(shè)備模塊，該模塊采用規(guī)范接口，傳輸速率非?？?，可達(dá)到480MBPS，其主要功能為傳輸數(shù)據(jù)和指令。其次為L(zhǎng)CD觸摸顯示屏，其可以用來(lái)選擇不同的功能，也能用來(lái)發(fā)送指令，可以用來(lái)代替常規(guī)鍵盤，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，便于操作，但其主要功能是用來(lái)顯示傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)以及比較結(jié)果。再次為SDRAM 存儲(chǔ)器，該模塊主要是儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鞯臉?biāo)準(zhǔn)參數(shù)，在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，可以從該模塊中找到相應(yīng)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，然后才能進(jìn)行測(cè)量比較。最后為NAND FLASH存儲(chǔ)器，其主要功能為存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的啟動(dòng)和引導(dǎo)。

主控平臺(tái)的另外一大模塊為傳感器信號(hào)采集模塊。該模塊同樣是由多個(gè)子模塊構(gòu)成，包括傳感器信號(hào)檢測(cè)電路和數(shù)據(jù)傳輸控制單元等。在諸多子模塊當(dāng)中，最為主要的是傳感器信號(hào)檢測(cè)電路，通過(guò)相應(yīng)控制操作，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種不同類型傳感器的在線檢測(cè)，如空氣流量傳感器、氧傳感器以及冷卻液溫度傳感器等。同時(shí)，能夠?qū)鞲衅鞯膶?shí)際信號(hào)參數(shù)進(jìn)行讀取，并經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理，將其傳輸?shù)较鄳?yīng)模塊中。由于傳感器類型較多，所以在對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，也不能采取同樣的預(yù)處理方式，預(yù)處理的硬件電路構(gòu)成如圖2所示。因此，在進(jìn)行預(yù)處理之前，需要對(duì)各種類型的傳感器設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)通道。在選擇檢測(cè)通道時(shí)，主要借助單片機(jī)控制數(shù)字開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并由另外一個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以及對(duì)車速信號(hào)的頻率值進(jìn)行測(cè)量，在完成相應(yīng)計(jì)算后，將其結(jié)果上傳到主控平臺(tái)[5]。此外，還有另外幾個(gè)子模塊，首先為傳感器信號(hào)調(diào)理電路，其不僅能夠過(guò)濾實(shí)測(cè)信號(hào)，保障檢測(cè)值的真實(shí)性，還能放大實(shí)測(cè)信號(hào)，確保檢測(cè)值的穩(wěn)定性。其次為A/D轉(zhuǎn)換單元，該模塊能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而保障主控平臺(tái)能夠接受到傳感器的檢測(cè)信號(hào)。最后為數(shù)據(jù)傳輸控制單元，由于系統(tǒng)需要傳輸大量數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)需要借助USB設(shè)備實(shí)現(xiàn)傳輸，因此，為了更好地控制該接口的工作，應(yīng)選用AT89C513單片機(jī)，其擁有80C52X2內(nèi)核，支持不同的USB接口，能夠有效控制該接口的傳輸工作，確保不同模塊之間的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確發(fā)送，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定安全運(yùn)行。

圖2 傳感器信號(hào)檢測(cè)電路

5 檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)下相關(guān)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，以及驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)。此外，主要還有數(shù)據(jù)傳輸模塊的軟件設(shè)計(jì)，該模塊主要包括響應(yīng)設(shè)備請(qǐng)求以及設(shè)備枚舉等。其中設(shè)備枚舉是USB主機(jī)對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行配置的過(guò)程，以及其單片機(jī)獲取USB設(shè)備信息的過(guò)程，在完成這部分操作后，等待單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集的指令，在USB設(shè)備接收到該指令后，再開始進(jìn)行采樣。在完成采樣后，單片機(jī)利用A/D轉(zhuǎn)換模塊獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)收集后，再關(guān)閉采樣通道。之后單片機(jī)將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送至寄存器當(dāng)中，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)送入主控平臺(tái)，這樣才完成數(shù)據(jù)傳送。通過(guò)主控平臺(tái)發(fā)送的信號(hào)，可以判斷傳送是否成功，一旦成功，則可以將寄存器中的內(nèi)容清除干凈，準(zhǔn)備迎接下一次的數(shù)據(jù)傳輸，若傳送失敗，則需要繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。此外，主控平臺(tái)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)由多個(gè)不同的程序所組成，包括傳感器信號(hào)采集模塊控制程序以及USB裝置控制程序等[6]。首先，通過(guò)傳感器信號(hào)采集模塊控制程序的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集模塊指令的發(fā)送，能夠控制其信號(hào)采集和傳輸。其次，通過(guò)USB裝置控制程序的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)USB接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Э刂?。再次，通過(guò)傳感器標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)查表程序的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器性能優(yōu)劣的判斷，該程序能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的查找，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。最后，通過(guò)LCD顯示程序的設(shè)計(jì)，能夠顯示出來(lái)被檢測(cè)傳感器實(shí)際參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的對(duì)比結(jié)果。

由于電噴系統(tǒng)的工作條件比較惡劣，所以為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)對(duì)軟件進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。首先，可以通過(guò)設(shè)置開門狗的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)程序運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。主要依靠開門狗定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視，在程序正常運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)有一段代碼不斷刷新定時(shí)器寄存器當(dāng)中的值，在這種狀態(tài)下，只要程序沒(méi)有出現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤，看門狗定時(shí)器便不會(huì)發(fā)揮作用，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，其會(huì)及時(shí)刷新，使得程序復(fù)位[7]。其次，應(yīng)盡量采用算術(shù)對(duì)一些重要信號(hào)的平均值進(jìn)行計(jì)算，以免由于受到干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)誤差，造成較大的失誤。同時(shí)，在編寫一些比較重要的程序段時(shí)，應(yīng)增加一些標(biāo)志位語(yǔ)句，這樣在之后就可以據(jù)此判斷該程序段的執(zhí)行是否正確，一旦發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)錯(cuò)誤執(zhí)行的情況，將會(huì)重新執(zhí)行該段程序。最后，在編寫中斷修理程序時(shí)，應(yīng)確保優(yōu)先級(jí)較低的中斷源能夠正常執(zhí)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一款以 ARM9處理器和單片機(jī)作為核心的檢測(cè)系統(tǒng)，并且使用了具有更高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而使得該系統(tǒng)具有更高的檢測(cè)精度，并且檢測(cè)效率更快，并且在很大程度上縮小了設(shè)備的體積，便于攜帶，而且節(jié)省了大量的成本，這種汽車電噴系統(tǒng)傳感器在線檢測(cè)系統(tǒng)更加符合社會(huì)需求。