基于MSP430的無(wú)載測功系統的設計研究

 　　1無(wú)載測功系統概述

　　發(fā)動(dòng)機輸出的有效功率是發(fā)動(dòng)機的重要性能指標之一，通過(guò)這項指標，可以定性的評價(jià)發(fā)動(dòng)機的技術(shù)狀況，并定量的獲得發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性。目前發(fā)動(dòng)機有效功率的檢測方法有穩態(tài)檢測和動(dòng)態(tài)檢測兩種。

　　穩態(tài)測功是指當發(fā)動(dòng)機在節氣門(mén)開(kāi)度一定，轉速一定和其他參數保持不變的穩定狀態(tài)下，用機械測功器、電渦流測功器、水利測功器或在底盤(pán)測功試驗臺上測定發(fā)動(dòng)機功率的方法。利用這種方法測出的數據比較準確可靠，主要在發(fā)動(dòng)機設計、制造、定型及院校和科研部門(mén)做性能試驗時(shí)使用。其特點(diǎn)是測功一次費時(shí)費力較多，成本較高，且需要大型、固定安裝的測功器（這種測功儀器的費用通常是很高的），因而在一般的運輸、維修和交通監理部門(mén)中采用不多。并且，除底盤(pán)測功試驗臺外，其他測功器也不適合對汽車(chē)進(jìn)行不解體檢測。

　　動(dòng)態(tài)測功是在發(fā)動(dòng)機節氣門(mén)開(kāi)度和轉速均變動(dòng)的狀態(tài)下測定發(fā)動(dòng)機功率的方法。由于動(dòng)態(tài)測功時(shí)無(wú)須對發(fā)動(dòng)機施加外部負荷，因而又稱(chēng)為無(wú)負荷測功或無(wú)外載測功。動(dòng)態(tài)測功的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加負荷，不需大型設備，既可以在臺架上進(jìn)行，也可以就車(chē)進(jìn)行，因而大大提高了檢測的方便性和迅速性，特別適用于檢測在用車(chē)輛發(fā)動(dòng)機的功率，適合于維修檢測等部門(mén)。

　　本系統采用光電傳感器對發(fā)動(dòng)機的轉速信號進(jìn)行采集和處理，通過(guò)TI公司的MSP430F1232結合測試算法進(jìn)行研究。

　　2系統設計

　　為保證儀器對速度的測試精度，儀器擬采用光電傳感器進(jìn)行信號采集，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行曲線(xiàn)擬合以提高測試精度。

　　2.1系統硬件設計

　　硬件處理單元原理如圖1所示。系統主要由微處理器、光電傳感器、信號采集及處理電路、鍵盤(pán)、LCD顯示、串行數據傳輸等部分組成。

　　2.1.1 MCU是該測功系統的核心，由它完成數據采樣處理及優(yōu)化，包括鍵盤(pán)輸入、數據處理、液晶顯示、以及PC機通信等功能。該系統采用的是TI公司的MSP430F1232混合信號控制器，其內部有8K FLASH ROM，3個(gè)雙向并行I/O 口，其中P1和P2口都具有中斷功能（相當于14個(gè)外部中斷）以及16位定時(shí)器A（帶3個(gè)通道），8通道10位最大轉換速度為200kspsA/D轉換器，串行通信接口等。另外該微處理器具有超低功耗的特點(diǎn)，在系統供電方面具有很大的優(yōu)勢。

圖1  智能化信號處理單元原理框圖

　　2.1.2 數據采集及處理電路：利用光電傳感器檢測轉速信號，輔以電路進(jìn)行整形處理。

　?。?）轉速傳感器的類(lèi)型很多，因光電傳感器[1]具有線(xiàn)性度好、分辨率高、噪音小和精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以我們選擇光電轉速傳感器來(lái)進(jìn)行轉速的檢測。在本系統中選用60齒的齒盤(pán)進(jìn)行轉速測量，齒盤(pán)每轉一齒將產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，這就意味著(zhù)齒輪轉一周將產(chǎn)生60個(gè)脈沖信號。

　?。?）信號調理電路：傳感器輸出的信號是一系列不規則的信號，不利于單片機進(jìn)行信號提取，通過(guò)此調理電路，經(jīng)低通濾波（RIN2、CIN1和RIN3、CIN2）除掉一部分毛刺，再由施密特觸發(fā)器74HC14將信號整形為規則的方波信號。電路設計為兩路輸入信號（其中一路為備用接口單元），通過(guò)端口引腳將數據送入單片機（如圖2所示）。

圖2信號調理電路

　　2.1.3鍵盤(pán)輸入及LCD接口電路[2]

　　按鍵屬于矩陣式設計，它由4個(gè)行線(xiàn)和4個(gè)列線(xiàn)組成。如圖3所示，一個(gè)4*4的行列結構可以構成一個(gè)16按鍵的鍵盤(pán)；設置十個(gè)數字鍵，用來(lái)輸入轉速閾值和轉動(dòng)慣量等值，復位鍵和清零鍵各占一位，其余為備用鍵。

　　LCD顯示部分采用的是具有漢字顯示功能的LCD模塊，OCMJ128*64能顯示8*4行漢字，可用來(lái)顯示當前所測速度、加速度以及求得的瞬時(shí)功率和所需輸入的轉動(dòng)慣量等信息。

圖3鍵盤(pán)及LCD接口電路

　　2.2 系統軟件設計

　　2.2.1無(wú)載測功系統模型建立[3]

　　本測功系統是基于動(dòng)力學(xué)的方法分析建立的，原理為：當發(fā)動(dòng)機與傳動(dòng)系統分開(kāi)時(shí)，將發(fā)動(dòng)機從怠速或某一低轉速急加速至節氣門(mén)(油門(mén))最大開(kāi)度，此時(shí)發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的動(dòng)力克服各種阻力矩和本身運動(dòng)件的慣性力矩，迅速達到空載最大轉速，形成一定比例的飛升曲線(xiàn)。對于某一結構的發(fā)動(dòng)機，其運動(dòng)件及附件的轉動(dòng)慣量可以認為是一定值，因而只要測出發(fā)動(dòng)機在指定轉速范圍內急加速時(shí)的平均加速度，即可得知發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性;或者說(shuō)通過(guò)測量某一定轉速時(shí)的瞬時(shí)加速度，就可以確定發(fā)動(dòng)機功率的大小，瞬時(shí)加速度越大，表明發(fā)動(dòng)機功率越大。發(fā)動(dòng)機功率表示為:Pe=Te*n/9549

　　式中:

　　Pe-----發(fā)動(dòng)機有效功率(kW):

　　n-------發(fā)動(dòng)機轉速(r/min);

　　Te------發(fā)動(dòng)機轉矩(N*m)

　　根據有關(guān)文獻可得出功率模型為：Pe=C2*n*(dn/dt),其中：C2=k*(π/30)*(J/9549),k為動(dòng)態(tài)測量時(shí)功率的修正系數，可通過(guò)臺架對比試驗得出；J是一個(gè)未知量，一般情況下出廠(chǎng)說(shuō)明書(shū)中會(huì )給出該參數，可直接將其代入。因此，測定瞬時(shí)功率問(wèn)題轉化為求轉速[5]和角加速度或曲軸轉速變化率的問(wèn)題。

　　轉速的測量有測周法和測頻法[4]：測頻法是在固定的時(shí)間內，對傳感器發(fā)出的脈沖信號進(jìn)行記數；測周期法是在k個(gè)（k>=1）轉速脈沖信號周期內，對具有恒定頻率f(周期T)的標準時(shí)鐘脈沖信號進(jìn)行計數。進(jìn)行低速測量時(shí)，測周法的精度較高，而相對于較高的轉速測量，測頻法精度優(yōu)于測周法，本系統采用的是測頻法。假設在一定的時(shí)間T內，測速脈沖計數器計取的脈沖數為m，轉速n計算公式：n=60m／pT，p為發(fā)動(dòng)機轉一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數，即碼盤(pán)的孔數。