一種改進(jìn)的活塞溫度存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)

夏湖培，蘇新彥，劉培珍，劉 賓

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

一種改進(jìn)的活塞溫度存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)

夏湖培，蘇新彥，劉培珍，劉 賓

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

介紹一種改進(jìn)的活塞溫度存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)增加實(shí)時(shí)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)壓縮算法，很好地解決傳統(tǒng)活塞存儲(chǔ)測(cè)試實(shí)時(shí)性不足及測(cè)試時(shí)間受限的問(wèn)題。測(cè)試系統(tǒng)硬件電路以ATmega168微處理器為核心，以K型熱電偶為傳感器，包含溫度開關(guān)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、多通道溫度測(cè)試模塊、信號(hào)放大及調(diào)理模塊、冷端補(bǔ)償模塊、存儲(chǔ)器模塊等。系統(tǒng)上位機(jī)是以LabVIEW為開發(fā)工具設(shè)計(jì)的軟件，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)的相關(guān)改進(jìn)準(zhǔn)確有效，且能滿足對(duì)活塞長(zhǎng)時(shí)間測(cè)溫的要求，特別是數(shù)據(jù)壓縮算法大大減少存儲(chǔ)器的數(shù)量，縮小電路體積，為小型內(nèi)燃機(jī)的活塞溫度測(cè)試提供便利。

活塞；測(cè)溫；存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)壓縮

0 引 言

目前針對(duì)活塞溫度測(cè)試主要有存儲(chǔ)測(cè)試及無(wú)線遙測(cè)方法。無(wú)線遙測(cè)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)不同工況下的溫度，典型的代表是美國(guó)密歇根技術(shù)學(xué)院及北京理工大學(xué)分別研制的活塞溫度場(chǎng)紅外遙測(cè)系統(tǒng)，但其通信易受發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)復(fù)雜環(huán)境干擾而中斷，從而導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不連續(xù)、不完整，且由于無(wú)線發(fā)射需要較大功率，系統(tǒng)功耗較大[5]。存儲(chǔ)測(cè)試能完整連續(xù)地采集信號(hào)且功耗較低，但其缺點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性不強(qiáng)且測(cè)試時(shí)間受限于存儲(chǔ)器容量；對(duì)此，本研究提出了一種改進(jìn)的活塞溫度存儲(chǔ)測(cè)試方案。通過(guò)添加實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，在保存溫度數(shù)據(jù)的同時(shí)保存時(shí)鐘數(shù)據(jù)，使讀取溫度時(shí)能與測(cè)試時(shí)記錄的相應(yīng)工況對(duì)照，從而改善實(shí)時(shí)性不足的問(wèn)題。針對(duì)測(cè)試時(shí)間的問(wèn)題，除了選擇符合尺寸、耐溫要求的大容量存儲(chǔ)器之外，還根據(jù)溫度數(shù)據(jù)的變化特點(diǎn)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)壓縮算法，在不影響數(shù)據(jù)完整性的前提下減少了溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間從而延長(zhǎng)了測(cè)試時(shí)間。

1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本活塞溫度存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)分為溫度采集存儲(chǔ)部分和電腦端上位機(jī)軟件部分，兩部分通過(guò)RS232串口通信。溫度采集存儲(chǔ)部分由溫度開關(guān)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、多通道溫度測(cè)試模塊、冷端補(bǔ)償模塊、信號(hào)放大及調(diào)理模塊、存儲(chǔ)器模塊和微處理器組成。上位機(jī)軟件采用LabVIEW設(shè)計(jì)，用于讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)總體框圖

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于內(nèi)燃機(jī)活塞長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，且可供安裝電路的空間狹小，因此為保證系統(tǒng)可靠工作，所有器件均要求用耐高溫的小型貼片封裝。系統(tǒng)采用自啟動(dòng)設(shè)計(jì)，用溫度開關(guān)控制是否上電，開啟溫度設(shè)為60℃，當(dāng)溫度低于60℃時(shí)系統(tǒng)處于掉電狀態(tài)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘由I2C總線的軍品級(jí)時(shí)鐘芯片PCA8565提供，使用時(shí)需向相應(yīng)的寄存器寫入當(dāng)前的時(shí)間，然后只需保證供電正常，芯片就能自動(dòng)完成計(jì)時(shí)功能。時(shí)鐘模塊采用單獨(dú)的耐高溫紐扣電池供電，計(jì)時(shí)不受溫度開關(guān)影響。

多通道溫度測(cè)試模塊采用K型熱電偶作為傳感器，熱電偶為接觸式測(cè)溫，使用時(shí)將熱電偶的熱端鑲嵌固定在活塞表面，測(cè)溫簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。8路不同的熱電偶信號(hào)通過(guò)雙8路模擬開關(guān)切換。熱電偶的冷端補(bǔ)償采用計(jì)算修正法[6-8]，首先利用LM71數(shù)字溫度傳感器測(cè)出冷端溫度，再通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算出實(shí)際熱電勢(shì)。

圖2 信號(hào)放大及調(diào)理模塊電路原理圖

熱電偶直接測(cè)量的信號(hào)為mV級(jí)，且伴隨拾取噪聲，必須進(jìn)行降噪和放大處理才能AD量化，信號(hào)放大及調(diào)理電路如圖2所示。熱電偶信號(hào)首先通過(guò)前置RFI濾波器濾除高頻共模和差分噪聲，然后通過(guò)儀表放大器來(lái)抑制低頻率共模噪聲，最后由后置RC濾波器濾除殘余噪聲。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)溫范圍為60～500℃，ADC的上參考電壓由外部2.5V基準(zhǔn)電壓芯片提供，500℃的熱電勢(shì)為20.64mV，考慮到冷端熱電勢(shì)，因此將放大器的放大倍數(shù)設(shè)置為G=100。

微處理器芯片采用AVR單片機(jī)ATmega168，AVR單片機(jī)具有高性能、高速度、低功耗的特點(diǎn)。ATmega168內(nèi)部包含SPI、I2C、UART等通用總線接口，方便與外設(shè)連接，且具有內(nèi)部時(shí)鐘振蕩電路和ADC，適合應(yīng)用于對(duì)電路體積要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。系統(tǒng)直接使用單片機(jī)內(nèi)部10b的ADC對(duì)熱電偶的信號(hào)進(jìn)行量化，由于活塞溫度變化相對(duì)較慢[9-10]，故采樣率設(shè)為1Hz。

存儲(chǔ)器的選擇直接關(guān)系到測(cè)試時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)查找大量資料發(fā)現(xiàn)Flash存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量大，但是耐高溫的Flash芯片封裝無(wú)法滿足要求，而E2PROM能滿足封裝及耐溫的要求，但是滿足要求的單片容量最大的只有256 Kb（32768×8b）。以采樣率1Hz，一次需存儲(chǔ)8個(gè)通道的10 b溫度數(shù)據(jù)計(jì)算，則一片E2PROM的存儲(chǔ)時(shí)間為因此，若要求測(cè)試時(shí)間不低于3.5h，則需使用7片E2PROM，而這勢(shì)必增加了電路板體積。對(duì)此，本研究設(shè)計(jì)了針對(duì)溫度存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)壓縮算法，大大減小了溫度數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，使E2PROM減少到4片，很好地解決了電路板體積和測(cè)試時(shí)間的矛盾。

借用吸收外來(lái)詞匯是英語(yǔ)擴(kuò)大其詞匯量的常見手法，科技新詞中的技術(shù)詞和正式詞更是如此。拉丁語(yǔ)和希臘語(yǔ)是英語(yǔ)科技詞匯借用最多的兩種語(yǔ)言。拉丁語(yǔ)和希臘語(yǔ)之所以能成為科技詞匯借用最多的語(yǔ)言，是因?yàn)楝F(xiàn)在沒有哪個(gè)民族用它們作為母語(yǔ)，日常交際也基本不用，因而它們不會(huì)像其他使用中的語(yǔ)言那樣由于社會(huì)的發(fā)展而引起詞義的變化，也就少了因多義引起歧義。到了近現(xiàn)代，隨著母語(yǔ)為非英語(yǔ)的德國(guó)、法國(guó)、日本、意大利、前蘇聯(lián)、中國(guó)等的科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，科技新詞也從這些國(guó)家大量流入英語(yǔ)。 例如： hydropul[德語(yǔ)]液壓；engine[法語(yǔ)]發(fā)動(dòng)機(jī)；design[意]設(shè)計(jì)；taikonaut[漢語(yǔ)]宇航員。

3 溫度數(shù)據(jù)壓縮算法設(shè)計(jì)

3.1 溫度數(shù)據(jù)的獲取

熱電偶信號(hào)E經(jīng)放大調(diào)理后進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)AD量化，量化公式如下，其中G=100，VREF=2.5V：

冷端補(bǔ)償?shù)碾妱?shì)值需先通過(guò)數(shù)字溫度傳感器測(cè)出冷端溫度，然后在單片機(jī)內(nèi)部查找熱電偶分度表得出冷端熱電勢(shì)E′，再根據(jù)式（1）算出其量化值?；钊膶?shí)際溫度所等效的熱電勢(shì)為熱端電勢(shì)值與冷端電勢(shì)值之和。

3.2 壓縮算法設(shè)計(jì)

實(shí)際溫度所等效的熱電勢(shì)值為10b，而E2PROM存儲(chǔ)器為8b，故一個(gè)完整的溫度數(shù)據(jù)需用2個(gè)字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)，其中存儲(chǔ)高位的字節(jié)只有2位有效位，其他6位均為0，因此如何減小高位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)是壓縮的關(guān)鍵。

通過(guò)分析可知高2位的數(shù)據(jù)只有00、01、10和11這4種情況，且變化的概率較低，因此可以只在高位數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)才存入存儲(chǔ)器中，否則只存低8位數(shù)據(jù)。同時(shí)為了區(qū)別高位和低位，必須在高位數(shù)據(jù)前添加用于標(biāo)志的數(shù)據(jù)字節(jié)，標(biāo)志字節(jié)必須是溫度數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)的組合。由于活塞溫度的變化是一個(gè)相對(duì)較緩慢的過(guò)程，數(shù)據(jù)不可能在1 s內(nèi)發(fā)生巨大變化，因此可以設(shè)置一組大、小數(shù)據(jù)的連續(xù)變化作為標(biāo)志字節(jié)。

因?yàn)槔?、熱端熱電?shì)量化公式相同，可計(jì)算出實(shí)際熱電勢(shì)變化量ΔE為

根據(jù)式（2），系統(tǒng)設(shè)0×80，0×00，0×80為標(biāo)志字節(jié)組。0×80與0×00對(duì)應(yīng)最小的ΔADC=0×80，計(jì)算得ΔE最小為3.125mV，對(duì)應(yīng)溫度變化量約為70℃，而實(shí)際情況下這是不可能出現(xiàn)的，故該標(biāo)志字節(jié)是準(zhǔn)確可用的。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)以每8個(gè)通道為1幀，為防止通道的誤讀，還需為每幀數(shù)據(jù)添加幀頭，幀頭的設(shè)置與標(biāo)志字節(jié)類似，設(shè)為0×80，0×FF，0×80。數(shù)據(jù)壓縮算法流程如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

圖3 數(shù)據(jù)壓縮算法流程

圖4 程序流程圖

由于系統(tǒng)屬于存儲(chǔ)測(cè)試，所以單片機(jī)程序分為數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)讀取、擦除兩部分，程序流程圖如圖4所示。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)部分完成對(duì)活塞內(nèi)多通道溫度數(shù)據(jù)的采集和壓縮存儲(chǔ)功能，其中實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)只需在系統(tǒng)開始進(jìn)入采集存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)保存一次，之后的時(shí)間節(jié)點(diǎn)可根據(jù)數(shù)據(jù)的幀數(shù)計(jì)算出。當(dāng)完成測(cè)試后重啟測(cè)試系統(tǒng)，則系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取、擦除的進(jìn)程，上位機(jī)讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及顯示，擦除命令用于清除存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)，使單片機(jī)下次啟動(dòng)后進(jìn)入采集進(jìn)程。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)是以LabVIEW作為開發(fā)工具設(shè)計(jì)的用于接收及處理單片機(jī)數(shù)據(jù)的軟件。上位機(jī)通過(guò)串口讀取存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、解壓及顯示。

上位機(jī)讀取熱電勢(shì)數(shù)據(jù)后，根據(jù)K型熱電偶分度表的最小二乘法擬合的曲線公式[11]，計(jì)算出相應(yīng)的溫度值并顯示。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)確性

系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶溫度計(jì)一同測(cè)試高溫箱內(nèi)的溫度變化以檢驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。為保證測(cè)試點(diǎn)溫度一致，所有熱電偶都粘貼于同一塊大小為30mm× 30mm×10mm的鐵塊上，將鐵塊置于高溫箱內(nèi)。同時(shí)為保證溫度開關(guān)開啟，應(yīng)使系統(tǒng)處于高于60℃的環(huán)境。測(cè)試時(shí)記錄標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器的溫度變化及對(duì)應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以便與系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比。

表1選取了一組系統(tǒng)在300℃上下的測(cè)試值和對(duì)應(yīng)時(shí)刻記錄的標(biāo)準(zhǔn)值，由表可知系統(tǒng)測(cè)試誤差低于1℃，滿足對(duì)活塞測(cè)溫的準(zhǔn)確度要求。

表1 測(cè)試值與標(biāo)準(zhǔn)值比較 ℃

5.2 活塞測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

將裝有測(cè)溫系統(tǒng)的活塞安裝于某型單缸機(jī)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)分別測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1000，1800，2200r/min 3個(gè)不同工況下的溫度，并在測(cè)試的同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)時(shí)刻。測(cè)試結(jié)束后通過(guò)上位機(jī)讀取測(cè)試數(shù)據(jù)，圖5為通道1在轉(zhuǎn)速由1 500 r/min上升至1800r/min的測(cè)試結(jié)果。

外界記錄的對(duì)應(yīng)工況時(shí)間為10：47：32至11：23：43，由圖可知，在該工況下第1通道溫度從305℃緩慢增加至355℃，溫度變化較為平滑。

實(shí)驗(yàn)采集開始時(shí)間為09：49：17，最后一幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)間為14：13：03，共工作4.4h，完全滿足對(duì)活塞長(zhǎng)時(shí)間測(cè)溫的要求。

圖5 活塞溫度測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的活塞溫度存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性及測(cè)試時(shí)長(zhǎng)方面存在的一些問(wèn)題，提出了增加時(shí)鐘電路和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)壓縮算法的方法，并最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性和可行性。該系統(tǒng)也可廣泛應(yīng)用于其他安裝空間有限的高溫溫度測(cè)試場(chǎng)合。

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An improved testing system for piston temperature storage

XIA Hupei，SU Xinyan，LIUPeizhen，LIU Bin
（State Key Laboratory for Electronic Testing Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

An improved testing system for piston temperature storage was introduced.It has well solved the real-time deficiency and inspection time restriction of traditional piston temperaturestoring tests by adding a real-time chip and designing a data compression algorithm.Apart from an ATmega 168 microprocessor as the core part and a K-type thermocouple as the sensor，the system is chiefly composed of a temperature switch，a real-time clock module，a multi-channel testing module，signal amplifying and conditioning modules，a cold junction compensation module and amemorymodule.In theuppercomputer，apieceofsoftwarewasdeveloped bya development tool Labview to analyze，process and display testing data.The experimental results show that the system improvement is accurate and effective and the data compression algorithm has greatly reduced memory chip numbers and circuit sizes in particular，helping test the piston temperatures of mini-type internal-combustion engines.

piston；temperature test；storage；data compression

A

：1674-5124（2015）05-0063-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.016

2014-09-09；

：2014-11-10

夏湖培（1991-），男，江西鷹潭市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)殡娮訙y(cè)試技術(shù)。