基于處理器的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火線(xiàn)圈測試系統

1.引言
隨著(zhù)汽車(chē)電子點(diǎn)火技術(shù)的廣泛應用，對電子點(diǎn)火系統各部件的要求也隨之提高。 點(diǎn)火線(xiàn)圈作為汽車(chē)電子點(diǎn)火系統的重要部件，其性能直接關(guān)系到汽車(chē)的工況，因此必須準確測試點(diǎn)火線(xiàn)圈各項參數，建立嚴格的產(chǎn)品出廠(chǎng)檢驗標準。據調查，我國汽車(chē)點(diǎn)火線(xiàn)圈系統的國產(chǎn)在線(xiàn)測試設備多以老式設備為主，智能檢測設備較少，而進(jìn)口設備價(jià)格昂貴，且其智能化程度不高。[1]因此研制出具有自動(dòng)化、智能化的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火線(xiàn)圈測試系統是科研人員努力的方向。本文著(zhù)重介紹了這種符合現代化生產(chǎn)要求的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火線(xiàn)圈測試臺的設計方法。
2.系統組成
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火線(xiàn)圈測試臺的原理框圖如圖1所示。汽車(chē)點(diǎn)火線(xiàn)圈測試臺系統的硬件主要由被測件（線(xiàn)圈、負載）、程控信號源、程控電壓源、I/O控制板、數據采集處理系統、工控機等組成。其中負載、程控信號源、程控電壓源用于模擬點(diǎn)火線(xiàn)圈的工況；其他部件由于測量以及控制。根據相關(guān)國家標準，點(diǎn)火線(xiàn)圈的各項參數必須在相應的條件下（不同的測試項目，此條件有可能不同）測得，并且不同信號的線(xiàn)圈的測試條件也不盡相同，所以此處給點(diǎn)火線(xiàn)圈提供工作條件的電壓源和信號源都是可以由上位機中的系統軟件通過(guò)串行通信接口來(lái)設定的。為了能夠測試多頭線(xiàn)圈（四頭、六頭等）的不同次級線(xiàn)包，信號源經(jīng)過(guò)測量控制電路送往被測件。測量控制電路由各種繼電器以及輸入輸出線(xiàn)路組成。繼電器根據IO控制板發(fā)出的控制命令進(jìn)行相應的動(dòng)作，以決定送出哪一路信號源以及將何種被測信號接入數據采集系統。IO控制板、和數據采集卡分別通過(guò)ISA和PCI總線(xiàn)直接與工控機相連。上位機軟件直接對IO端口進(jìn)行操作來(lái)實(shí)現對IO控制板的操作。數據采集與處理系統則通過(guò)驅動(dòng)程序與系統測試軟件進(jìn)行通信。測試人員只需要操作上位機的系統測試軟件就可以點(diǎn)火線(xiàn)圈的各種參數?！?】【3】

圖-1 汽車(chē)點(diǎn)火線(xiàn)圈測試臺的原理框圖
由上述可知，點(diǎn)火線(xiàn)圈測試系統實(shí)質(zhì)就是一個(gè)數據采集與處理的問(wèn)題。因此數據采集卡的設計就自然成為本系統中最主要的問(wèn)題。下面分別介紹個(gè)部分的實(shí)現。
3.硬件實(shí)現
3.1 數據采集卡
分析點(diǎn)火線(xiàn)圈的次級電壓信號可知，信號的最高有效頻寬是5MHz，根據采樣定理知，系統的最高采樣速率至少為10MHz，對如此高的采樣速率，必須要用高速數據采集系統來(lái)測試，才能滿(mǎn)足測試要求?！?】圖-2是本系統中數據采集部分的結構框圖。

圖-2 數據采集系統的結構框圖。
采集部分處理器采用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402。它的處理速度可達到100Mbps，具有改進(jìn)型的8位HPI接口，有16Kxl6Bit DARAM，以及4Kx16Bit ROM 存儲空問(wèn)，具有較高的性?xún)r(jià)比。由TMS320C5402內部ROM 不可寫(xiě)，所以外掛一片27040EPROM 作為外部程序區來(lái)存儲程序。因為點(diǎn)火線(xiàn)圈數據采集要求高速度，高精度，以滿(mǎn)足高檔次，大批量生產(chǎn)的要求。同時(shí)為擴大此采集系統的應用領(lǐng)域，A/D轉換器采用美國AD公司的AD9432芯片。該芯片為12bit單路模數轉換器，其最高轉換速率為100MHz。輸入信號模擬帶寬可達500MHz，采樣時(shí)鐘為PECL差分電平輸入，轉換數據為1TTL電平輸出。片內帶有輸入緩存和采樣保持器，12位并行數據輸出。由于A(yíng)D9432要求差分輸入形式，因此對于輸入信號必須經(jīng)過(guò)信號調理電路變換為差分形式?！?】
由于系統需要高速采集數據， 所以高速緩存是系統中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。高速緩存是系統中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節，根據系統的要求可選用CY7C4255。CY7C4255是高速、低功耗8k*18低壓同步先進(jìn)先出（FIFO）存儲器，讀寫(xiě)周期為10ns，具有獨立的18位輸入、輸出接口和讀、寫(xiě)時(shí)鐘信號，可以實(shí)現同步讀寫(xiě)操作。A/D轉換后的數據連續地寫(xiě)入FIFO，DSP根據FIFO 的狀態(tài)來(lái)決定如何讀出數據。DSP讀數并處理此數的速度要比A/D轉換的速度高得多。DSP每次主動(dòng)讀FIFO數據時(shí)，執行的是一個(gè)條件讀指令，即FIFO不空時(shí)(EF=BIO為高)才讀，FIFO空則DSP等待。當DSP處理任務(wù)較重時(shí)，FIFO數據長(cháng)時(shí)間沒(méi)有被讀走，FIFO 半滿(mǎn)或全滿(mǎn)時(shí)，會(huì )向DSP發(fā)出一個(gè)中斷信號，DSP暫停當前工作，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，處理FIFO中的數據。通過(guò)FIFO將采樣數據向內存轉移，這樣不但獲得100MHz左右的高速采樣率，而且使采樣程序的編寫(xiě)大大簡(jiǎn)化。

PCI接口芯片采用PLX公司的PCI9052它是一款面向低端應用的高性能PCI接口芯片。接口芯片和TMS320VC5402的連接較簡(jiǎn)單，在此從略。
采樣系統的軟件設計主要包括DSP中對數據的讀取和處理以及采集卡的設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)兩部分。本文主要在CCS平臺上采用匯編語(yǔ)言實(shí)現DSP的編程。PCI設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)則采用微軟公司為Windows9x 操作系統的驅動(dòng)程序設計的一種構架——VxD。
3.2 程控電壓源和程控信號源
根據各種不同型號線(xiàn)圈的測試條件要求，程控電壓源必須可產(chǎn)生3－25V 連續可調的直流電壓。程控信號源可產(chǎn)生連續可調的霍爾波信號，頻率為0.5－250Hz（最小步進(jìn)1HZ），幅值為0－10V，占空比為1％－99％（最小步進(jìn)1％）。
程控電壓源的設計采取工業(yè)成品加控制板的方式來(lái)實(shí)現，具體來(lái)說(shuō)就是買(mǎi)一個(gè)符合要求的可以方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)（控制）的電壓源，然后根據電壓源的說(shuō)明書(shū)，制作控制板。市面上這種電壓源很多，控制板的制作也較簡(jiǎn)單，在此不加贅述。

圖－3 程控信號源系統框圖
從上述所給指標可以看出，該程控信號發(fā)生器頻率變化范圍寬，對穩定度和精度的要求都很高一而且有一定自動(dòng)化的要求。這些都是模擬電路難以達到的，所以我們采用了單片機控制的全數字電路，系統框圖見(jiàn)圖－3。
要產(chǎn)生脈沖波形有很多方法，但關(guān)鍵是如何使占空比可變。在此，采用軟件控制單片機的一位輸出口，定時(shí)對它置位和清零的方法來(lái)實(shí)現，這樣就可以方便地調整占空比，同時(shí)頻率也是可變的。經(jīng)過(guò)計算可以發(fā)現，當頻率為250Hz，占空比為1％ 時(shí)，信號保持高電平的時(shí)間為40μS，因此MCS-51單片機的速度能達到要求?！?】
3.3 IO控制板和測量控制電路
在介紹系統組成的時(shí)候以及說(shuō)明了測量控制電路的作用和組成。下面簡(jiǎn)要介紹一下IO板的設計與實(shí)現。此處的IO板僅僅由一個(gè)簡(jiǎn)單的并行接口芯片8255A組成，并直接將此板接插在工控機的ISA擴展槽上（如果工控機上沒(méi)有ISA插槽，也可以直接接PCI插槽）。上位機軟件對IO板的操作僅僅是寫(xiě)一些控制字，就可以讓IO板的輸出發(fā)生相應的變化，從而驅動(dòng)相應的測量控制電路中的繼電器進(jìn)行相應的動(dòng)作。我們知道，在Windows 9x的操作系統中，應用軟件可以直接對接口電路中的寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)而不需要驅動(dòng)程序。所以，如果本系統中的上位機采用Windows 98 做為操作系統，就不需要為IO板編寫(xiě)驅動(dòng)程序了。這正是筆者在此測試系統的工控機中使用Windows 98 SE作為操作系統的主要原因之一。
4.系統軟件設計
系統軟件包括上位機軟件和下位機軟件，下位機軟件的設計在介紹各個(gè)部分的硬件實(shí)現的時(shí)候已經(jīng)有所述及，在此不在贅述。
上位機程序設計可分為四大部分：測試界面的設計、用于存儲測量結果以及測試參數設置的數據庫的設計、上位機與下位機之間串口通信程序的設計、測量算法的設計。
上位機軟件采用Visual Basic 6.0來(lái)實(shí)現。Visual Basic 6.0是Windows環(huán)境下簡(jiǎn)單、易學(xué)、高效的可視化編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統。VB6.0既可使用DLL來(lái)實(shí)現IO端口的輸入輸出功能，又可通過(guò)Mscomm控件或API函數實(shí)現串口通信，能方便地實(shí)現圖像顯示和數據存儲，還能夠充分發(fā)揮VB數據庫功能以及生成用戶(hù)界面快等優(yōu)點(diǎn)。因此采用VB6.0來(lái)實(shí)現本系統恰到好處。在這里介紹在VB6.0下如何訪(fǎng)問(wèn)插在工控機I/O插槽中的IO板的端口。
由于VB不能直接對寄存器進(jìn)行操作,沒(méi)有直接的輸入輸出端口操作語(yǔ)句,而VC++同時(shí)具有匯編語(yǔ)言和高級語(yǔ)言的功能與特點(diǎn),如果利用VC++編制一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫,庫中包含對輸入輸出端口的讀/寫(xiě)函數,然后在VB程序中,通過(guò)聲明DLL中的函數并提供DLL路徑來(lái)調用這些函數完成控制行為，那么在VB中就可以很方便的實(shí)現對IO口的操作。
5.結束語(yǔ)
本文所介紹的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火線(xiàn)圈測試系統的實(shí)現方法，實(shí)際應用于武漢理工大學(xué)汽車(chē)電子電氣研究所為廣州飛達電器公司和北京同享同悅汽車(chē)電子有限公司研制的點(diǎn)火線(xiàn)圈測試臺上，取得了很好的效果。
本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：本文中所論述的點(diǎn)火線(xiàn)圈測試系統能測量國家標準中規定的所有點(diǎn)火線(xiàn)圈的參數，達到替代進(jìn)口設備，填補國內空白的目的，并且汽車(chē)發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火線(xiàn)圈測試的準確性、精確度方面都達到了較高要求，完善提高了國內現有設備的性能.