燃料開關(guān)測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

仝 靜 施國梁

摘 要:燃料開關(guān)的質(zhì)量直接影響汽車的整體性能。給出一種適用于油/氣雙動力汽車電子燃料切換開關(guān)自動檢測的測試系統(tǒng)的設(shè)計方案與電路實現(xiàn)。該測試系統(tǒng)基于單片機P89LPC938,由單片機查詢測試人員從PC機發(fā)出的檢測命令,并控制燃料開關(guān)進行相應(yīng)功能的檢測,測試完畢后將測試結(jié)果回送給PC機。測試系統(tǒng)與被測燃料開關(guān)之間的通信協(xié)議及通信接口是該系統(tǒng)提出的核心設(shè)計思想。該測試系統(tǒng)可以提高開關(guān)檢測的效率及產(chǎn)品合格率。

關(guān)鍵詞:測試系統(tǒng);燃料開關(guān);PC;P89LPC938

中圖分類號:TP216 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-156-04

Design and Realization of Fuel Switch Testing System

TONG Jing,SHI Guoliang

(Soochow University,Suzhou,215000,China)

Abstract:The quality of fuel switch makes a direct impact on the performance of vehicle,this system introduces how to design and implement an automatic testing system with oil/gas dual-fuel power automotive electronics switch.The test system is based on single chip computer P89LPC938,testing PC-test command sent from the operator,controlling the corresponding testing of the fuel switch,sending the results back to the PC.It is the communication protocol and interface between the testing system and the fuel switch which are core design ideas.This test system can improve efficiency of detection and pass rate of fuel switch.

Keywords:test system;fuel switch;PC;P89LPC938

0 引 言

眾所周知能源危機和大氣污染是未來汽車燃料所要解決的最關(guān)鍵問題。為降低排放,緩解石油能源緊張的局面,氣體燃料受到了世界各國的重視和推廣[1]。大量實車試驗均證實以天然氣(CNG)或液化石油氣(LPG)為燃料,發(fā)動機的NOx,總碳氫THC,CO及CO2的排放較汽油的排放污染明顯減少,且大大節(jié)省了能源[2,3]。

雙燃料汽車技術(shù)的關(guān)鍵之一是油和氣轉(zhuǎn)換控制,燃料開關(guān)正是用于以自動或手動的方式實現(xiàn)燃料間的切換,其品質(zhì)也關(guān)系到汽車的整體性能[4]。本文所針對的燃料開關(guān)具有以下的主要功能:燃料切換、燃料容量顯示、蜂鳴器報警以及指示燈亮度關(guān)于環(huán)境光照度自動調(diào)節(jié)等。為確保燃料開關(guān)的質(zhì)量控制滿足最苛刻的歐洲汽車零部件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),燃料開關(guān)必須百分之百進行測試。傳統(tǒng)測試方法是通過測試人員手工測試,測試速度慢,受人為因素影響,差錯率相對較高,產(chǎn)品質(zhì)量得不到保障。于是有必要研究一種能用計算機實現(xiàn)的自動測試系統(tǒng)。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種能用于對燃料開關(guān)進行完成功能測試、通訊速率自動測定并具有過壓自動保護能力的燃料開關(guān)自動測試系統(tǒng)。

該測試系統(tǒng)基于PC機和單片機P89LPC938,測試人員通過PC機向測試系統(tǒng)發(fā)出測試命令,由單片機識別并處理測試指令,向燃料開關(guān)發(fā)出相應(yīng)的測試信號,以測試對應(yīng)性能。下面將對整個系統(tǒng)及每個模塊進行詳細說明分析。

1 燃料開關(guān)測試系統(tǒng)的組成及工作原理

該測試系統(tǒng)由電源模塊、單片機P89LPC938控制模塊、通信接口模塊及電平轉(zhuǎn)換模塊組成,圖1是測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

該測試系統(tǒng)的工作原理:測試人員在PC機界面選擇要測試的項目,PC機通過串口將此命令發(fā)送給測試系統(tǒng),經(jīng)過RS 232-TTL電平轉(zhuǎn)換后,該指令送至單片機控制模塊,由單片機P89LPC938組成的控制單元識別所收到的測試要求后,從指令集中取出相應(yīng)的命令信號以協(xié)定的通信協(xié)議向燃料開關(guān)發(fā)送命令,如果燃料開頭能夠正確識別所收到的命令,它將回送應(yīng)答信號,同時執(zhí)行該命令所要求的測試項目,如點亮不同的指示燈,發(fā)出不同音調(diào)與音高的報警聲等。待每項測試執(zhí)行完成后,結(jié)果回送給單片機,單片機再經(jīng)由串口將此結(jié)果發(fā)送給PC機進行存儲和顯示。

各模塊的作用如下:

電源模塊:由于不同芯片所要提供的電壓不同,且在此測試系統(tǒng)中,需要5 V及3.3 V,所以電源模塊的電路要產(chǎn)生不同的電壓提供給各芯片。

電平轉(zhuǎn)換模塊:實現(xiàn)PC機與單片機之間的RS 232電平至TTL電平轉(zhuǎn)換。

PC機顯示存儲模塊:測試人員通過PC機發(fā)送測試命令,并將每個燃料開關(guān)的序列號及相應(yīng)的各項功能測試結(jié)果顯示并保存。

通信接口模塊:本文所針對的燃料開關(guān)僅有一根信號線,只能實現(xiàn)半雙工通信,接口模塊的功用就是用于實現(xiàn)單片機全雙工方式與燃料開關(guān)半雙工方式之間的轉(zhuǎn)換。

單片機控制模塊:是整個系統(tǒng)的核心部分,控制整個系統(tǒng)的測試進程。它要識別來自PC機的測試人員所發(fā)出的測試命令,判斷并執(zhí)行相應(yīng)功能的測試;待測試結(jié)束,控制模塊要分析測試結(jié)果是否正常,并反饋給PC機用于向測試人員顯示及數(shù)據(jù)自動入庫保存。

2 測試系統(tǒng)的電路實現(xiàn)

2.1 供電電路

不同芯片對供電電壓的要求也不同,本測試系統(tǒng)中,單片機P89LPC938所需的電壓為3.3 V,而電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232所需要的電壓為5 V,因此,電源模塊的設(shè)計要滿足需求,設(shè)計時就需要兼顧兩者,外部只需提供12 V電壓即可。圖2給出電源電路的電路圖,本系統(tǒng)選用LM7805和LM1117兩個穩(wěn)壓器[5,6]。

2.2 RS 232-TTL電平轉(zhuǎn)換電路

計算機串口是RS 232電平,而一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的信號電壓是TTL電平或CMOS電平,不可以直接將單片機芯片上的串行通信引腳與RS 232的收發(fā)端相連接,必須作適當(dāng)?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換。目前市面上有許多用于此目的的電平轉(zhuǎn)換芯片,本方案采用MAX232芯片。

2.3 單片機與燃料開頭之間的通信接口電路

通信接口模塊要實現(xiàn)的功能是接收單片機P89LPC938發(fā)出的命令信號發(fā)送給燃料開關(guān),它還要將燃料開關(guān)反饋的信號發(fā)送給單片機,從而實現(xiàn)它們二者之間的雙向通信。一般而言,單片機都會有TX與RX二個端口,可以實現(xiàn)同時雙向通信功能,即能實現(xiàn)全雙工信息。但本文所討論的燃料開關(guān)外部僅有三條線:電源,地和信號線,這意味著TX/RX復(fù)用一條數(shù)據(jù)線,至多只能實現(xiàn)半雙工串行通信。為了在測試系統(tǒng)與被測開關(guān)之間建立起可靠的通信聯(lián)系,必須設(shè)計一個全雙工/半雙工轉(zhuǎn)換電路。本文所提出的解決方案如圖3所示。

圖3中兩個二極管起保護作用,若Fuel Switch輸入電壓過高,D1的嵌位作用會使RX端的電壓仍維持在5 V左右,若Fuel Switch輸入電壓為負,D2的嵌位作用會使TX端的電壓仍維持在0 V左右。

當(dāng)測試系統(tǒng)的TX端發(fā)送高電平時,A點為高電平,燃料開關(guān)Fuel Switch信號線也將接收到高電平,同時,測試系統(tǒng)的RX端也會接收到高電平。同理,當(dāng)測試系統(tǒng)的TX端發(fā)送低電平時,燃料開關(guān)Fuel Switch信號線也將接收到低電平,同時,測試系統(tǒng)的RX端也會接收到低電平。

當(dāng)燃料開關(guān)向測試系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答信息時,測試系統(tǒng)的發(fā)送端TX置高電平,則接收端RX將收到燃料開關(guān)發(fā)送的信息。

如果燃料開關(guān)與測試系統(tǒng)同時發(fā)送信息時將出錯,因此,測試系統(tǒng)的串口是處于全雙工狀態(tài),而燃料開關(guān)的信號端是處于半雙工狀態(tài),這樣就實現(xiàn)了全雙工至半雙工的轉(zhuǎn)換。

3 測試系統(tǒng)控制模塊

控制模塊是整個測試系統(tǒng)的核心部分,它利用單片機P89LPC938來控制測試系統(tǒng)。

P89LPC938有最少23個I/O口,選擇片內(nèi)振蕩和片內(nèi)復(fù)位時可多達26個I/O口;8輸入多路10位A/D轉(zhuǎn)換器;2個模擬比較器,可選擇輸入和參考源;2個16位定時/計數(shù)器(每一個定時器均可設(shè)置為溢出時觸發(fā)相應(yīng)端口輸出或作為PWM輸出)[7]。

該模塊要完成的任務(wù)是對燃料開關(guān)的功能進行測試、過壓保護與監(jiān)測以及頻率檢測。下面對這三個部分做詳細講述。

3.1 燃料開關(guān)功能測試

上面提到燃料開關(guān)的主要功能是燃料容量顯示、蜂鳴器報警,燃料切換及指示燈亮度調(diào)節(jié)等。要保證產(chǎn)品的質(zhì)量,需要對燃料開關(guān)進行全功能測試。

測試人員通過PC機向控制單元發(fā)送功能測試命令,所有命令組成了一個指令集,單片機根據(jù)檢測到的命令信號來判斷需要對產(chǎn)品的哪項功能進行檢測,據(jù)此把執(zhí)行該功能的命令序列發(fā)送給燃料開關(guān)。因此,每條指令信息中要包含該項功能測試的全部信息。單片機通過通信接口的TX發(fā)送端向燃料開關(guān)發(fā)送上述命令序列,產(chǎn)品收到有命令信號序列后,會先進行校驗以確保收到的命令是正確的。一旦確認收到的正確的命令,開關(guān)產(chǎn)品會反饋命令確認信號給測試系統(tǒng),測試系統(tǒng)因此可以確定所發(fā)出的命令序列已經(jīng)被正確執(zhí)行,從而實現(xiàn)一些有效測試。

根據(jù)設(shè)計要求,一個命令序列由四個字節(jié)組成,分別是CMD命令,數(shù)據(jù)D1,數(shù)據(jù)D2和校驗信號C。CMD命令用于標(biāo)識需要執(zhí)行的指令類型,即是哪一項功能檢測,D1,D2提供執(zhí)行該命令所必須的輔助數(shù)據(jù),例如如果需要測試報警若能,數(shù)據(jù)字節(jié)可以用來指定以什么頻率、音調(diào)、音高、持續(xù)時間等參數(shù),校驗字節(jié)用于燃料開關(guān)確認該命令序列是否有效以免通信錯誤造成誤動作。

下面以燃料容量顯示為例,給出測試的過程:

(1) 測試人員從PC機通過串口向測試系統(tǒng)發(fā)送燃料容量顯示檢測信號。燃料開關(guān)是用多個LED燈指示燃料的容量,“volume”代表容量測試命令。

(2) 單片機P89LPC938通過串口接收到“volume”命令,從指令集中提取相應(yīng)的指令信號。圖4給出單片機向燃料開關(guān)發(fā)出的一條燃料容量顯示指令。

CMD為0000 0001,表明此指令為燃料容量顯示功能測試指令。當(dāng)對蜂鳴器報警功能進行測試時,CMD為0000 0010;對燃料切換功能進行測試時,對應(yīng)的CMD為0000 0011;對指示燈亮度調(diào)節(jié)功能進行測試時,CMD為0000 0100等,它們在開關(guān)設(shè)計時就做出了約定。

D1為0000 1000,表示對LED4進行測試,即D1的每個位對應(yīng)一個LED,置1時表示對相應(yīng)的LED進行測試。該字節(jié)對于不同的測試內(nèi)容具有不同的意義,如對蜂鳴器報警功能測試時,D1指示蜂鳴器報警次數(shù),即0000 0101表示報警5次;對燃料切換功能測試時D1為0或1,分別代表一種燃料;在指示燈亮度調(diào)節(jié)功能測試時D1又被用于表示顯示元件的亮度,如1111 1111表示最大亮度。

D2通常會是對D1所指對象量的進一步規(guī)定。對于圖4所示的燃料容量測試,D2的值為0000 1001表示LED4將閃爍9次。其他測試狀態(tài)也相似,例如對蜂鳴器報警功能而言,D2表示對蜂鳴器基頻信號的分頻數(shù)。

C是校準(zhǔn)字節(jié),0000 0001表示對數(shù)據(jù)D1,D2做異或處理。

(3) 單片機將上述命令信號發(fā)送給燃料開關(guān)的信號端,通過校驗,燃料開關(guān)判斷信號是否有效,如果有效就會將單片機發(fā)送來的信號進行處理后重新發(fā)送給單片機作為測試指令已經(jīng)被確認的反饋。若無效,將放棄此次測試。

(4) 測試人員判斷LED功能完好后可以通過PC機保存測試結(jié)果。

其他功能測試的實現(xiàn)與上述過程相仿,不再贅述。

3.2 過壓保護

燃料開關(guān)外部需+12 V電壓供電,經(jīng)產(chǎn)品內(nèi)部電源電路轉(zhuǎn)化為+5 V電壓給單片機提供電壓,因此如果其電源電路出現(xiàn)故障,或受到汽車內(nèi)其他電器設(shè)備的電壓干擾使提供給單片機的電壓過高[8,9],或由于其他形式的制造缺陷,都有可能使被測開關(guān)的電源異常,這會損壞燃料開關(guān),進而損壞與相連接的測試系統(tǒng)。因此,需要設(shè)計一個過壓保護與檢測電路,檢測燃料開關(guān)內(nèi)的單片機的電源電壓,當(dāng)此電壓正常時(+5 V±2%),測試系統(tǒng)可以繼續(xù)對其檢測,但當(dāng)此電壓過高,則自動切斷燃料開關(guān)的外部電源,達到保護燃料開關(guān)的目的。圖5即為該保護電路。

測試系統(tǒng)外部由+12 V電源供電,雙二極管D1的作用是防止電壓反接;由于汽車內(nèi)干擾很多,雙三極管T1構(gòu)成一個鉗位電路,使T2的集電極電壓穩(wěn)定在+12 V左右;Z1為電源芯片,提供+13 V電壓;T2是電源電路的開關(guān)三極管,當(dāng)基極為高電平,POWER端輸出+12 V左右,當(dāng)基極為低電平,POWER端輸出為0 V;三極管Q1控制T2的基極電壓,即控制了整個電源電路的通斷,當(dāng)Q1基極為高電壓,三極管Q1導(dǎo)通,則T2的基極為低電壓,T2斷開,POWER輸出電壓為0 V,當(dāng)Q1基極提供低電壓,三極管斷開,T2基極電壓為+13 V,T2導(dǎo)通,則POWER輸出端提供+12 V電壓。POWER輸出端連接到燃料開關(guān)的電源端。

將燃料開關(guān)的電源電路輸出端引出,連接到單片機P89LPC938的AD06轉(zhuǎn)換口,不斷檢測此電壓值,由于P89LPC938的工作電壓為+3.3 V,而燃料開關(guān)的電壓最小為0 V,最大為+11 V,所以要將此電壓用電阻分壓后再進行轉(zhuǎn)換。這里選用100 Ω和470 Ω的電阻,則AD06端最小輸入為0 V,最大輸入為+2.1 V,不超過單片機的工作電壓,在被測為+5 V時,AD06輸入端電壓為0.877 V,單片機通過比較,判斷被測電壓是否為安全電壓。若為安全電壓,單片機的I/O口P2.7置0,即保護電路的Q1基極為低電平,保護電路導(dǎo)通,可以正常對燃料開關(guān)進行測試;若被測電壓高于+5 V,單片機將P2.7腳置1,則保護電路斷開,燃料開關(guān)立即斷電,由于通電時間較短,不會對燃料開關(guān)造成損害。

3.3 頻率檢測

燃料開關(guān)是以數(shù)字通信方式與其他組件進行協(xié)同工作的,異步通信的工作頻率則取自其中單片機的內(nèi)部時鐘,由于制造離散度及環(huán)境溫度等的影響,實際的工作頻率會發(fā)生漂移。為確保通信的可靠性,需要確認燃料開關(guān)工作在適當(dāng)?shù)念l率范圍內(nèi),故需要對其實際的通信頻率檢測與確認。要測試時鐘信號的頻率,可以通過測試一定區(qū)間內(nèi)脈沖的個數(shù)來實現(xiàn),測試時間越長,精度越高。本測試系統(tǒng)用D觸發(fā)器和單片機的計數(shù)、定時功能來完成此檢測。圖6即為此頻率檢測電路。

系統(tǒng)選用由兩個D觸發(fā)器集成的芯片74AHC74[10],其工作性質(zhì)如表1所示。只用其中一個D觸發(fā)器,其時鐘脈沖由單片機P89LPC938提供,將被測時鐘TEST CLK連接到1D

端,1Q端接至單片機的計數(shù)器T0端,T1作為定時器使用。

開始測試時,測試人員設(shè)置測試時間,即設(shè)置T1的計數(shù)值(取1 s),系統(tǒng)時鐘SCK作為D觸發(fā)器的時鐘脈沖,在SCK的上升沿檢測TEST CLK的信號,如果1Q/T0為0→1,說明被測波形為一次上升沿,當(dāng)1Q端再次檢測到0→1,即為TEST CLK一個周期。計數(shù)器T0在每個下降沿加1,計下1 s內(nèi)下降沿個數(shù)即可求出T0的頻率,從而求得被測頻率。在計數(shù)的開始或結(jié)束時可能會丟掉一個周期,會對頻率的推算帶來誤差,但由于計數(shù)的基數(shù)很大,這個誤差可以忽略不計。

4 結(jié) 語

運行結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識別PC機發(fā)出的命令,并發(fā)送給燃料開關(guān),系統(tǒng)也可以接收到燃料開關(guān)的測試結(jié)果。該測試系統(tǒng)人機界面友好,操作方便,檢測快速,并大大提高了測試效率與產(chǎn)品合格率。

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作者簡介 仝 靜 女,1986年出生,江蘇徐州人,碩士研究生。研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

施國梁 男,1963年出生,浙江人,蘇州大學(xué)副教授。研究方向為嵌入式系統(tǒng)及數(shù)字信號處理。