重型汽车发动机自动化测试台的设计

引言

潍坊柴油机厂生产的斯太尔柴油机具有巨大的功率，是我国重型机械和大型货车广泛采用的主要动力机型之一。为了提高质量，在出厂前对每一台斯太尔柴油机进行严格的性能测试。根据《出厂检验规范》，主要测试每台柴油机在一定工况(油门)下的温度、压力、功耗、转速。以及在一定的转速、转距的情况下的功耗、温度、压力等指标。设计重型汽车发动机自动化测试台，通过测试台管理计算机形成操作菜单和测试表格，测试命令，传送到各个单片机测控系统。测试的结果发送到管理计算机进行相应处理和显示。机器出厂前，经过自动化测试台严格的测试，检查是否满足出厂检验规范的要求，满足要求的柴油机可以试机后出厂，对不满足要求的柴油机根据自动化测试台测试数据写出测试分析报告，返回车间进行整改，并对测试的每台机器的形成技术档案。

系统组成

柴油发动机自动化测试台由管理计算机，CAN总线、温度测控单片机系统、压力测控单片机系统、转速测控单片机系统、功耗测控单片机系统组成，如图1。各种单片机测试系统硬件设计原则是，改变软件控制方案或增加其它功能时，不必更换硬件或改动较小；运行稳定可靠，具有较高的性能价格比；操作人员可以方便地调节各种参数。管理计算机装配有PCI总线PCAN总线转换卡。软件由VB和Access数据库实现数据存储和用户操作界面。计算机仿真软件采用SIMULINK软件包。它是MATLAB软件的扩展，可以建立起直观的系统模型。这种系统模型可以用SIMULINK软件包动态的建立和修改，并实时的通过VB和测试系统连接。这对于柴油发动机的试制和查找故障原因非常方便。



图1　系统组成

系统的模型数据通过CAN总线转送到各个单片机测控系统中。

CAN总线

允许CAN网络上任意一个节点作为主节点发送信息，任何节点均可在任何时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点，一点对多点和全局广播方式接收和发送数据。通信介质采用120Ω双绞线，通信速率可达到1Mbps，以帧为单位按优先级高低传送信息，适用于实时性要求比较高的场合。CAN总线驱动器用PCA82C250，采用差分发送、差分接收，PCA82C250有两个信号输出端CANH、CANL。CANH端的2个状态是高电平和高阻态，CANL端的2个状态是是低电平和高阻态。因而由它构成的分布式控制系统，即使多个节点同时向网络发送数据，也不会像RS485那样发生短路现象。

温度测控单片机系统
 
温度测控单片机系统如图2。



图2　温度测控单片机系统

温度传感器采用铂电阻，并进行温度标定。模数传感器采用12位APD传感器AD678，它具有高速、适用于AC和DC信号特性的信号采集，该芯片内部含有采样P保持放大电路，与微处理器兼容的总线接口、参考电压源及时钟发生器。单片机采用P835C91VFA芯片，该芯片具有CAN控制器、CAN接收中断、扩展的验收滤波器、多主机结构、信息识别码(11位或29位)确定总线访问优先级。在CAN总线收发器PCA82C250和CAN控制器之间加入高速光耦6N137进行隔离，以提高抗干扰能力。

压力测控单片机系统

压力测控单片机系统与温度测控单片机系统的硬件不同之处是使用的传感器不同，压力传感器使用压力应变片传感器。

转速测控单片机系统

目前，转速传感器正朝着高灵敏度、高可靠性和全集成化的方向发展，转速测控单片机系统采用飞利浦(Philips)公司生产的KMI15系列磁阻式集成转速传感器。该传感器性能优良，安全性好，稳定性强。KMI15-1芯片内含高性能磁钢、磁敏电阻传感器和IC。它利用IC来完成信号变换功能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为7mA～14mA。由于其外围电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。KMI15-1器件的测量范围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率范围是0～25kHz，而且即使在转动频率接近于零时，它也能够进行测量。传感器与齿轮的最大磁感应距离为2. 9mm(典型值)，由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。该传感器抗干扰能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片内部还有电磁干扰( EMI)滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素的影响。

KMI15-1的体积较小，其最大外形尺寸为8×6×21mm ，能可靠固定在齿轮附近。

KMI15采用+12V电源供电(典型值)，最高不超过16V。工作温度范围宽达-40～+85℃。

传感器简化电路如图3所示。


图3　传感器简化电路

从U2端输出的电流信号频率与被测转速成正比。通过单片机计数即可测定转速。

功耗测控单片机系统

功耗测控单片机系统使用转距传感器采集的信号经过处理和转速经过运算得到某工况下的功耗。各种单片机测试系统装配的软件不同。

PCI总线/CAN总线转换卡

PCI总线/CAN总线转换卡是基于PCI总线，集成了CAN通信协议的PC机智能板卡。内置的V20CPU完成了PC机与CANBUS现场网络之间的数据通信，硬固化在适配器上的驱动程序固件完成数据的解包和打包。该板卡的PCI桥内置16KB双口SRAM，通过双口RAM实现PC机与现场测控节点的双向数据传送。适配器与PC机最高传输速率132MBPS，可以充分满足CAN网络高实时性要求，通过该适配器可对工业现场具有CAN通信接口的仪表和设备进行监控。该适配器无需配置，支持即插即用。驱动支持Win98/2000/xp，以DLL方式提供。总线隔离1000VDC。

功能要求

柴油发动机系统庞大，测试点多。自动化测试台设置有多路温度测控系统，多路压力测控系统，根据《出厂检验规范》要求，柴油机的测试项目分为：启动系性能测试，，供油系油压测试，充电系性能测试，动力性能测试，异响性能测试。在某工况下，某些测控系统在控制软件下运行，某些测控系统在测试软件下运行。并进行数据交换。

管理主机把各种工况下的测控数据形成表格存入Access数据表，用VB形成功能菜单。

工况管理，增加、浏览、调整工况。常用工况已录入计算机，日常只作少量调整即可。显示、打印时以表格的形式显示、打印数据，直观方便。

参数管理，增加、浏览、调整参数。常用工况下的参数已录入计算机，日常只作少量调整即可。显示、打印时以表格的形式显示、打印数据，直观方便。参数调整通过SIMULINK软件包实现动态系统建模生成的PID参数，经过DDE传到VB形成各种数据传到相应的单片机测控系统中。

测试任务管理：首先进行工况选择，参数选择，启动测试。每台机器测试完毕后，形成技术档案，并可进行浏览打印。采用全中文界面，并配有详细的帮助和提示信息。

自动化测试台软件实现

微机软件实现

用VB编制各种菜单实现在各种工况下，各种参数的测试命令，各种工况下经过测试得到的测试数据以表格的形式存入Access的数据库的表中。用VB编制与各个单片机测试系统通信软件。传送的数据有工况号、温度、压力、转速、软件模型数据、精度。单片机测试系统软件采用PID调节，PID参数的调整采用计算机仿真。既计算机采用数值解法求解差分方程的过程。采用这种技术修改PID参数，使系统接近实际情况。计算机仿真软件采用SIMULINK软件包是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。他实现了可视化建模，建立直观的系统模型，并进行仿真；实现了多工作环境间文件互用和数据交换。建模形成的参数以数据的形式传送到单片机测试系统中去。

在测试过程中对温度、压力、功耗、转速等测试数据，形成测试过程记录表，记录机器编号、工况号、时间、软件模型参量、精度要求。根据生产过程测试表对建立的软件模型进行修改。根据测试过程记录表形成每台机器的测试技术档案。

单片机测试系统软件实现

单片机测试系统软件主要包括数据发送接收软件，计算机仿真PID调节控制软件，参数测试软件，APD控制转换和数据读取软件。并根据实际控制过程记录表对PID的调节值进行适当修改。

结论

设计的重型汽车发动机自动化测试台，属于校企横向联合项目。现生产3台样机正在试用阶段，经过使用，重型汽车发动机自动化测试台能够满足设计要求。使柴油机的测试过程，测试结果准确可靠。完善的全中文界面和详细的帮助使一线测试者易于学习和掌握操作过程。对经过测试的每台机器都建有测试档案，它不仅对即将出厂的机器进行严格的把关，还对以后产品的使用与维修起到重要作用。