重型汽車發動機自動化測試臺的設計

引言

濰坊柴油機廠生產的斯太爾柴油機具有巨大的功率，是我國重型機械和大型貨車廣泛采用的主要動力機型之一。為了提高質量，在出廠前對每一臺斯太爾柴油機進行嚴格的性能測試。根據《出廠檢驗規范》，主要測試每臺柴油機在一定工況(油門)下的溫度、壓力、功耗、轉速。以及在一定的轉速、轉距的情況下的功耗、溫度、壓力等指標。設計重型汽車發動機自動化測試臺，通過測試臺管理計算機形成操作菜單和測試表格，測試命令，傳送到各個單片機測控系統。測試的結果發送到管理計算機進行相應處理和顯示。機器出廠前，經過自動化測試臺嚴格的測試，檢查是否滿足出廠檢驗規范的要求，滿足要求的柴油機可以試機后出廠，對不滿足要求的柴油機根據自動化測試臺測試數據寫出測試分析報告，返回車間進行整改，并對測試的每臺機器的形成技術檔案。

系統組成

柴油發動機自動化測試臺由管理計算機，CAN總線、溫度測控單片機系統、壓力測控單片機系統、轉速測控單片機系統、功耗測控單片機系統組成，如圖1。各種單片機測試系統硬件設計原則是，改變軟件控制方案或增加其它功能時，不必更換硬件或改動較小；運行穩定可靠，具有較高的性能價格比；操作人員可以方便地調節各種參數。管理計算機裝配有PCI總線PCAN總線轉換卡。軟件由VB和Access數據庫實現數據存儲和用戶操作界面。計算機仿真軟件采用SIMULINK軟件包。它是MATLAB軟件的擴展，可以建立起直觀的系統模型。這種系統模型可以用SIMULINK軟件包動態的建立和修改，并實時的通過VB和測試系統連接。這對于柴油發動機的試制和查找故障原因非常方便。



圖1　系統組成

系統的模型數據通過CAN總線轉送到各個單片機測控系統中。

CAN總線

允許CAN網絡上任意一個節點作為主節點發送信息，任何節點均可在任何時刻主動向其它節點發送信息，支持點對點，一點對多點和全局廣播方式接收和發送數據。通信介質采用120Ω雙絞線，通信速率可達到1Mbps，以幀為單位按優先級高低傳送信息，適用于實時性要求比較高的場合。CAN總線驅動器用PCA82C250，采用差分發送、差分接收，PCA82C250有兩個信號輸出端CANH、CANL。CANH端的2個狀態是高電平和高阻態，CANL端的2個狀態是是低電平和高阻態。因而由它構成的分布式控制系統，即使多個節點同時向網絡發送數據，也不會像RS485那樣發生短路現象。

溫度測控單片機系統
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溫度測控單片機系統如圖2。



圖2　溫度測控單片機系統

溫度傳感器采用鉑電阻，并進行溫度標定。模數傳感器采用12位APD傳感器AD678，它具有高速、適用于AC和DC信號特性的信號采集，該芯片內部含有采樣P保持放大電路，與微處理器兼容的總線接口、參考電壓源及時鐘發生器。單片機采用P835C91VFA芯片，該芯片具有CAN控制器、CAN接收中斷、擴展的驗收濾波器、多主機結構、信息識別碼(11位或29位)確定總線訪問優先級。在CAN總線收發器PCA82C250和CAN控制器之間加入高速光耦6N137進行隔離，以提高抗干擾能力。

壓力測控單片機系統

壓力測控單片機系統與溫度測控單片機系統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變片傳感器。

轉速測控單片機系統

目前，轉速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發展，轉速測控單片機系統采用飛利浦(Philips)公司生產的KMI15系列磁阻式集成轉速傳感器。該傳感器性能優良，安全性好，穩定性強。KMI15-1芯片內含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和IC。它利用IC來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉速成正比，電流信號的變化幅度為7mA～14mA。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉速。KMI15-1器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉動頻率范圍是0～25kHz，而且即使在轉動頻率接近于零時，它也能夠進行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應距離為2. 9mm(典型值)，由于與齒輪相距較遠，因此使用比較安全。該傳感器抗干擾能力強，同時具有方向性，它對軸向振動不敏感。另外，芯片內部還有電磁干擾( 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16V。工作溫度范圍寬達-40～+85℃。

傳感器簡化電路如圖3所示。


圖3　傳感器簡化電路

從U2端輸出的電流信號頻率與被測轉速成正比。通過單片機計數即可測定轉速。

功耗測控單片機系統

功耗測控單片機系統使用轉距傳感器采集的信號經過處理和轉速經過運算得到某工況下的功耗。各種單片機測試系統裝配的軟件不同。

PCI總線/CAN總線轉換卡

PCI總線/CAN總線轉換卡是基于PCI總線，集成了CAN通信協議的PC機智能板卡。內置的V20CPU完成了PC機與CANBUS現場網絡之間的數據通信，硬固化在適配器上的驅動程序固件完成數據的解包和打包。該板卡的PCI橋內置16KB雙口SRAM，通過雙口RAM實現PC機與現場測控節點的雙向數據傳送。適配器與PC機最高傳輸速率132MBPS，可以充分滿足CAN網絡高實時性要求，通過該適配器可對工業現場具有CAN通信接口的儀表和設備進行監控。該適配器無需配置，支持即插即用。驅動支持Win98/2000/xp，以DLL方式提供。總線隔離1000VDC。

功能要求

柴油發動機系統龐大，測試點多。自動化測試臺設置有多路溫度測控系統，多路壓力測控系統，根據《出廠檢驗規范》要求，柴油機的測試項目分為：啟動系性能測試，，供油系油壓測試，充電系性能測試，動力性能測試，異響性能測試。在某工況下，某些測控系統在控制軟件下運行，某些測控系統在測試軟件下運行。并進行數據交換。

管理主機把各種工況下的測控數據形成表格存入Access數據表，用VB形成功能菜單。

工況管理，增加、瀏覽、調整工況。常用工況已錄入計算機，日常只作少量調整即可。顯示、打印時以表格的形式顯示、打印數據，直觀方便。

參數管理，增加、瀏覽、調整參數。常用工況下的參數已錄入計算機，日常只作少量調整即可。顯示、打印時以表格的形式顯示、打印數據，直觀方便。參數調整通過SIMULINK軟件包實現動態系統建模生成的PID參數，經過DDE傳到VB形成各種數據傳到相應的單片機測控系統中。

測試任務管理：首先進行工況選擇，參數選擇，啟動測試。每臺機器測試完畢后，形成技術檔案，并可進行瀏覽打印。采用全中文界面，并配有詳細的幫助和提示信息。

自動化測試臺軟件實現

微機軟件實現

用VB編制各種菜單實現在各種工況下，各種參數的測試命令，各種工況下經過測試得到的測試數據以表格的形式存入Access的數據庫的表中。用VB編制與各個單片機測試系統通信軟件。傳送的數據有工況號、溫度、壓力、轉速、軟件模型數據、精度。單片機測試系統軟件采用PID調節，PID參數的調整采用計算機仿真。既計算機采用數值解法求解差分方程的過程。采用這種技術修改PID參數，使系統接近實際情況。計算機仿真軟件采用SIMULINK軟件包是實現動態系統建模、仿真的一個集成環境。他實現了可視化建模，建立直觀的系統模型，并進行仿真；實現了多工作環境間文件互用和數據交換。建模形成的參數以數據的形式傳送到單片機測試系統中去。

在測試過程中對溫度、壓力、功耗、轉速等測試數據，形成測試過程記錄表，記錄機器編號、工況號、時間、軟件模型參量、精度要求。根據生產過程測試表對建立的軟件模型進行修改。根據測試過程記錄表形成每臺機器的測試技術檔案。

單片機測試系統軟件實現

單片機測試系統軟件主要包括數據發送接收軟件，計算機仿真PID調節控制軟件，參數測試軟件，APD控制轉換和數據讀取軟件。并根據實際控制過程記錄表對PID的調節值進行適當修改。

結論

設計的重型汽車發動機自動化測試臺，屬于校企橫向聯合項目。現生產3臺樣機正在試用階段，經過使用，重型汽車發動機自動化測試臺能夠滿足設計要求。使柴油機的測試過程，測試結果準確可靠。完善的全中文界面和詳細的幫助使一線測試者易于學習和掌握操作過程。對經過測試的每臺機器都建有測試檔案，它不僅對即將出廠的機器進行嚴格的把關，還對以后產品的使用與維修起到重要作用。