汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、點(diǎn)火控制系統(tǒng)信號(hào)模擬與故障診斷儀器的設(shè)計(jì)

金立娟

(黑龍江省交通發(fā)展股份有限公司哈大分公司)

1 診斷儀器儀器設(shè)計(jì)

1.1 診斷儀的設(shè)計(jì)要求

(1)模擬汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中傳感器的信號(hào)，控制診斷儀中執(zhí)行元件的工作。(2)可以脫離汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)模擬電控燃油噴射、電子點(diǎn)火過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子控制系統(tǒng)部件檢測(cè)。(3)設(shè)置電路接線轉(zhuǎn)接板，通過(guò)轉(zhuǎn)接板可以與同一車(chē)系不同車(chē)型的ECU連接，從而檢測(cè)ECU工作是否正常。(4)診斷儀具有診斷檢測(cè)端子，可以與試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行連接，進(jìn)行隨車(chē)故障診斷。(5)根據(jù)車(chē)載診斷系統(tǒng)協(xié)議，提供標(biāo)準(zhǔn)車(chē)載診斷端子，可以方便的與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

1.2 診斷儀的設(shè)計(jì)路線

(1)選擇參照車(chē)型，結(jié)合其發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況選擇一個(gè)具有代表性的發(fā)動(dòng)機(jī)。(2)采集發(fā)動(dòng)機(jī)上的數(shù)據(jù)流，通過(guò)整理建立一個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)特定工況傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)。(3)根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)流分析各傳感器信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。(4)根據(jù)曲線圖用單片機(jī)匯編語(yǔ)言模擬各種傳感器信號(hào)，使模擬信號(hào)能夠正確控制噴油器、火花塞等執(zhí)行器的正常工作。(5)診斷儀控制演示面板的設(shè)計(jì)。

1.3 診斷儀的設(shè)計(jì)

1.3.1 檢測(cè)車(chē)輛選型、定型

為了保證診斷儀具有一定適用性，同時(shí)具有較強(qiáng)的同車(chē)系內(nèi)不同車(chē)型的互換診斷性能。根據(jù)國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)車(chē)系保有率，選擇具有代表意義的大眾車(chē)系，并在傳感器信號(hào)分析過(guò)程中，選擇了大眾5氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，收集整理信號(hào)的變化規(guī)律，進(jìn)行進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.3.2 控制系統(tǒng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集

為使診斷儀真實(shí)模擬汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中電子控制信號(hào)的變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于電子控制系統(tǒng)的元件測(cè)試功能。需要從所選發(fā)動(dòng)機(jī)上大量采集所需的數(shù)據(jù)流，通過(guò)數(shù)據(jù)流分析各傳感器信號(hào)的特點(diǎn)，從而能控制信號(hào)的精度。在發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，使用大眾車(chē)系專(zhuān)用診斷測(cè)試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。受到測(cè)試條件的限制，考慮到由于汽車(chē)運(yùn)行工況的不唯一，同時(shí)運(yùn)行條件的變化對(duì)執(zhí)行元件也會(huì)產(chǎn)生不同的執(zhí)行結(jié)果等因素，因此在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，進(jìn)行了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)自由加減速工況數(shù)據(jù)的測(cè)試，在水溫達(dá)到正常即80℃時(shí)開(kāi)始采集，電腦會(huì)自動(dòng)記錄，每隔1.3s記錄一次，控制節(jié)氣門(mén)拉索，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡∷倨鹁徛黾拥? 500r/min左右，反復(fù)多次測(cè)試，得到比較準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)。并在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與整理。將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，摒棄突變信號(hào)，建立不同測(cè)試條件下的傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)流的分析處理

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍為800～920r/min。此時(shí)，各傳感器信號(hào)比較穩(wěn)定;隨著轉(zhuǎn)速的增加，各傳感器信號(hào)開(kāi)始變化。從所測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，轉(zhuǎn)速越高，在同一段時(shí)間內(nèi)，曲軸相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度越大，如果混合氣的燃燒速率不變，最佳點(diǎn)火提前角則應(yīng)線性增加。但轉(zhuǎn)速升高時(shí)，由于混合氣的壓力與溫度的提高以及擾流的增加，使燃燒速度隨之加快，故最佳點(diǎn)火提前角應(yīng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而增大，但不是線性關(guān)系。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，無(wú)論是空氣流量計(jì)還是進(jìn)氣歧管壓力傳感器，都不能精確測(cè)量進(jìn)氣量。因此，啟動(dòng)時(shí)，ECU一般不根據(jù)吸入的空氣質(zhì)量來(lái)計(jì)算噴油時(shí)間，而是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的實(shí)際溫度由ROM內(nèi)存儲(chǔ)的水溫—噴油時(shí)間圖查出基本噴油脈寬，然后再根據(jù)進(jìn)氣溫度信號(hào)和蓄電池電壓信號(hào)，進(jìn)行進(jìn)氣溫度修正和蓄電池電壓修正，以此得到啟動(dòng)時(shí)的噴油脈寬。

根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以作出點(diǎn)火提前角、空氣質(zhì)量流量、噴油時(shí)間、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、氧傳感器電壓分別和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖曲線。如圖1、圖2。

圖1 點(diǎn)火提前角與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

圖2 空氣質(zhì)量流量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

1.3.4 車(chē)用傳感器信號(hào)的模擬、設(shè)計(jì)

(1)信號(hào)模擬:基于測(cè)試結(jié)果，分析不同車(chē)用傳感器信號(hào)的特點(diǎn)，將車(chē)用傳感器信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)模擬。

①線性模擬，隨機(jī)變化:處理過(guò)程中將溫度傳感器、位置傳感器等信號(hào)在正常工作范圍內(nèi)進(jìn)行線性變化模擬其變化規(guī)律。②線性模擬、運(yùn)行工況匹配:將空氣流量信號(hào)線性模擬過(guò)程中盡可能與發(fā)動(dòng)機(jī)自由加減速工況變化實(shí)際需求一致。③標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出，連續(xù)變化:模擬車(chē)輛曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)與轉(zhuǎn)角信號(hào)，考慮到實(shí)際檢測(cè)過(guò)程分析結(jié)果的真實(shí)，只建立了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速?gòu)?00～3500 RPM之間的變化。④反饋傳感器信號(hào)模擬變化:主要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中反饋用的傳感器的控制信號(hào)，診斷儀主要輸出連續(xù)反饋信號(hào)，進(jìn)行不同控制修正。變化過(guò)程含正常及故障規(guī)律。

(2)信號(hào)設(shè)計(jì)

①線性信號(hào)設(shè)計(jì);②轉(zhuǎn)速信號(hào)設(shè)計(jì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬輸出為60-2脈沖波形，在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出波形的頻率不同。

其中，在一個(gè)周期內(nèi)每輸出58個(gè)對(duì)稱脈沖以后，有兩個(gè)脈沖寬度的低電平。此波形用定時(shí)器控制輸出。溢出時(shí)間的計(jì)算方法如下。

曲軸每轉(zhuǎn)兩圈為一個(gè)周期，這樣對(duì)應(yīng)于Nr/min的周期T為

周期T(ms):

溢出時(shí)間t(ms):

定時(shí)器初值TC:

在轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬中，采用了AT89C51芯片，12MHZ晶振，設(shè)計(jì)過(guò)程中加有按鍵復(fù)位電路。系統(tǒng)主要程序的設(shè)計(jì)包括如下。

a主程序:主程序在剛上電時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后讀一次鍵開(kāi)關(guān)狀態(tài)，由鍵位值決定程序的執(zhí)行方式。當(dāng)p1.0口為高電平時(shí)，執(zhí)行自增程序;當(dāng)p3.0口為高電平時(shí)，執(zhí)行自減程序。在此程序中，最低轉(zhuǎn)速為600r/min，最高轉(zhuǎn)速為3500r/min，當(dāng)p1.0和p3.0都為低電平時(shí)，p1.2口輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)速的波形信號(hào)，從而控制執(zhí)行器的工作。b初始化程序:在系統(tǒng)初始化時(shí)，將所用的定時(shí)器初值從ROM表中裝入寄存器R3和R4中。c自增功能程序:自增程序中使用了定時(shí)器1，控制轉(zhuǎn)速的增加，每隔2s，轉(zhuǎn)速增加50r/min，當(dāng)增到上限3500r/min時(shí)，便不再增加。d自減功能程序:類(lèi)似于自增程序，每隔2s，轉(zhuǎn)速減少50r/min，當(dāng)減到600r/min時(shí)，便不再減小。e子程序:子程序中使用了定時(shí)器0，以p1.2口為輸出口，控制輸出60-2脈沖信號(hào)。

1.3.5 診斷儀控制面板設(shè)計(jì)

在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，考慮到教學(xué)演示操作功能的操作方便性和整體美觀性以及臺(tái)架整體的利用，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)斜面操作、立面觀看演示的臺(tái)架。臺(tái)架上安裝了轉(zhuǎn)向輪，移動(dòng)很方便，還設(shè)計(jì)了防塵檔板，形狀顯得更加美觀大。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的定型

(1)臺(tái)架的總體結(jié)構(gòu)。根據(jù)人體工程學(xué)原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了一塊大約30°的斜面操作板，還有一塊功能演示板。操作臺(tái)兩垂邊分別是150mm，500mm;操作臺(tái)下邊離地高度是900mm，操作臺(tái)上邊至上邊緣的高600mm，上立體是長(zhǎng)寬高800mm×250mm×600mm，整個(gè)臺(tái)架高1650mm，寬750mm，長(zhǎng)800mm。(2)臺(tái)架的總體布置。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的下方有主機(jī)和顯示器、蓄電池和油箱以及一些附加件。在操作面板上裝有89C51芯片盒、轉(zhuǎn)接板、診斷端子、控制開(kāi)關(guān)、電源開(kāi)關(guān)、數(shù)碼顯示管，在功能演示面板上有噴油裝置、點(diǎn)火裝置以及油量流量計(jì)和點(diǎn)火時(shí)刻表。(3)臺(tái)架的校核。實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，估計(jì)各器件與臺(tái)架總重為100kg，所以選擇了2mm厚的鋼板，為了便于焊接選擇45號(hào)鋼，臺(tái)架上最重的是主機(jī)和顯示器，油箱，臺(tái)架自重，所以四個(gè)轉(zhuǎn)向輪周?chē)俏ｋU(xiǎn)點(diǎn)，之后采用力學(xué)原理進(jìn)行校核，直到支撐架符合要求，所選材料合格。

3 運(yùn)行調(diào)試

3.1 程序的調(diào)試

在程序的調(diào)試當(dāng)中，使用了偉福系列E51/S仿真器和RIGOL DS 5062C型示波器。在程序調(diào)試前，先把仿真器與電腦主機(jī)箱連接好，接通電源，把示波器與89C51芯片的p1.2引腳連接。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，設(shè)置仿真器，選擇E51/S型仿真頭。調(diào)入所編程序，進(jìn)行編譯，然后執(zhí)行程序。在這里，由于沒(méi)有外部扳鍵，在程序中用軟件控制p1.0或p3.0的位狀態(tài)。當(dāng)p1.0與p3.0位都為低電平時(shí)，自動(dòng)捕捉所得到的信號(hào)波形輸出的頻率保持在一定幅度內(nèi)不變;當(dāng)置p1.0位為高電平時(shí)，波形的輸出頻率每隔2秒鐘會(huì)增加一點(diǎn)，當(dāng)增到某一頻率時(shí)將不再增加;相反，當(dāng)置p3.0位為高電平時(shí)，波形的輸出頻率將會(huì)逐漸減小，當(dāng)降到某一最小頻率時(shí)將保持不變。其中，由于扳鍵的抖動(dòng)、連接電路的穩(wěn)固性和儀器本身的精度，在波形輸出時(shí)會(huì)出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，屬正常情況。

3.2 外部電路的調(diào)試

將調(diào)試無(wú)誤的程序?qū)懭?9C51芯片的ROM中，接好上電復(fù)位電路和按鍵復(fù)位電路，并將扳鍵開(kāi)關(guān)與p1.0和p3.0口按照電路圖接好，將信號(hào)輸出口p1.2口與汽車(chē)電腦入口端子相連，并將汽車(chē)電腦的控制端子與點(diǎn)火裝置、噴油器接好。開(kāi)啟電源，芯片在上電時(shí)自動(dòng)復(fù)位，如果開(kāi)關(guān)在空擋位置，則噴油、點(diǎn)火裝置在怠速工況下工作;如果開(kāi)關(guān)置在p1.0處，則噴油、點(diǎn)火逐漸加快，當(dāng)?shù)侥骋粫r(shí)刻將不再增快;如果開(kāi)關(guān)置在p3.0處，則噴油、點(diǎn)火速度逐漸減緩，當(dāng)?shù)侥骋粫r(shí)刻就會(huì)保持不變。在工作的任意時(shí)刻，可以通過(guò)復(fù)位開(kāi)關(guān)進(jìn)行硬件復(fù)位。

4 結(jié)論

(1)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射、電子點(diǎn)火，以滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的轉(zhuǎn)接板可以與同一車(chē)系不同車(chē)型的電腦連接，從而檢測(cè)汽車(chē)電腦工作是否正常。