電控發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究范文

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電控發(fā)動(dòng)機(jī)在傳感器的作用下在線采集發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，通過采樣得到的實(shí)時(shí)工況信號(hào)被傳輸給相應(yīng)的電控單元，電控單元根據(jù)接收到的發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)其點(diǎn)火提前角進(jìn)行在線調(diào)整。從系統(tǒng)優(yōu)化的角度提供了適合點(diǎn)火的相應(yīng)混合氣體，使得電控發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出狀況最佳。然而由于系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器無法對(duì)其性能進(jìn)行良好的測(cè)試以及故障診斷。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與控制系統(tǒng)，用以測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻、轉(zhuǎn)速以及溫度等，同時(shí)將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給多個(gè)微機(jī)，使得微機(jī)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)用所需信息并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、顯示、診斷等操作。經(jīng)驗(yàn)證表明，本系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮資源共享和信息系統(tǒng)整體功能的效益，為電控發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷、研究試驗(yàn)和教學(xué)培訓(xùn)提供了一種有效手段。

1測(cè)試原理

電控發(fā)動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為以下三個(gè)部分，它們分別是傳感器、電控單元(ECU)以及執(zhí)行器。其中傳感器又可以分為以下幾種：轉(zhuǎn)速傳感器、節(jié)氣門開度傳感器、溫度傳感器、曲軸位置傳感器、空氣流量計(jì)等，其主要功能是為電控單元(ECU)實(shí)時(shí)提供發(fā)動(dòng)機(jī)的工況。電控單元里涵蓋有系統(tǒng)控制所需的專用接口電路，同時(shí)針對(duì)不同工況下的系統(tǒng)運(yùn)作的最佳點(diǎn)火提前角度及與之相對(duì)應(yīng)的混合氣體濃度進(jìn)行了歸納整合，當(dāng)傳感器檢測(cè)到某個(gè)工況時(shí)，電控單元控制對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角以及混合氣體濃度，由執(zhí)行器對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。整個(gè)系統(tǒng)三個(gè)部分緊密結(jié)合，共同控制系統(tǒng)，當(dāng)其中任何一個(gè)部分出現(xiàn)故障或命令發(fā)生錯(cuò)誤則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，因此，要求測(cè)試儀能夠準(zhǔn)確測(cè)試出不同傳感器所輸出的不同信號(hào)，并且準(zhǔn)確模擬出電控發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的相應(yīng)傳感器信號(hào)，用于測(cè)試ECU和執(zhí)行器的性能。

2測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和信號(hào)測(cè)試單元兩個(gè)環(huán)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)以工控機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)控制，為減少控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾同時(shí)保證系統(tǒng)可靠性，工控機(jī)選用ISA總線結(jié)構(gòu)，過程中用到的板卡包括以下3個(gè)：(1)數(shù)據(jù)采集控制板卡PCL-818L，該板卡具有如下工作特性：模擬輸入通道分為8路差分信號(hào)輸入通道或者16路單端輸入通道，輸入信號(hào)又分為單極性或者雙極性，數(shù)字輸入通道與數(shù)字輸出通道均分為16路，另外包括3個(gè)向下計(jì)數(shù)器，2個(gè)12位單片乘法模擬輸出通道；(2)16通道繼電器輸出端子板卡PCLD-785，該板卡和PCLDAS的20芯接口相配合，適合用于數(shù)字輸出；(3)16路光隔離D/I端子板卡PCLD-782，該板卡和PCLDAS卡20芯接口相配合，適合用于數(shù)字輸入。上述三個(gè)個(gè)板卡均提供WindowsDLL驅(qū)動(dòng)程序，其中涉及到了復(fù)雜的I/O訪問，中斷處理以及DMA處理等，利用VB編程軟件可以對(duì)這些驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程仿真，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。測(cè)試的信號(hào)被分為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)兩類，其中數(shù)字信號(hào)又涉及到曲軸轉(zhuǎn)角、怠速開關(guān)以及噴油驅(qū)動(dòng)等，PCLD-782B通道光電隔離板對(duì)系統(tǒng)測(cè)試到的輸入數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并將其傳遞給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)選用的PCID-782B為24/16通道數(shù)字輸入子板，該子板全部輸入通道均具有高于1500VDC的光電隔。而模擬信號(hào)則涉及到空氣流量、電瓶電壓、節(jié)氣門開度等，此處系統(tǒng)選取的板卡為PCL-818HD數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)測(cè)試到的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)被輸入給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

2.2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件仿真部分采取的是VisualBasic語言，VB語言相比于其他環(huán)境具有操作便捷、簡(jiǎn)潔易懂、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，適合本課題的開發(fā)使用。根據(jù)軟件可實(shí)現(xiàn)的功能將系統(tǒng)大致分成以下四個(gè)模塊，它們分別是：系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)信號(hào)在線實(shí)時(shí)采集與顯示模塊、系統(tǒng)信號(hào)數(shù)據(jù)記錄以及數(shù)據(jù)報(bào)表模塊、系統(tǒng)終端幫助模塊[9]。整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖2所示。

2.2.1初始化模塊系統(tǒng)初始化模塊主要用于設(shè)置系統(tǒng)軟件參數(shù)初始值以及完成不同功能的板卡軟件設(shè)計(jì)，在本系統(tǒng)中板卡功能主要涉及到A/D轉(zhuǎn)換、定時(shí)/計(jì)數(shù)器測(cè)試頻率、測(cè)量波形脈寬等。課題采用了ISA總線結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及控制等處理，驅(qū)動(dòng)程序由生產(chǎn)廠商為用戶提供，此類DLL可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的I/O訪問、DMA處理等。除了軟件參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)還需要對(duì)各個(gè)硬件進(jìn)行初始化，通過訪問主界面中的工具/初始化欄可以調(diào)用“初始化參數(shù)模塊”來實(shí)現(xiàn)。

2.2.2實(shí)時(shí)信號(hào)采集與顯示模塊系統(tǒng)信號(hào)在線實(shí)時(shí)采集與顯示模塊主要用于完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中的點(diǎn)火、轉(zhuǎn)角、噴油、節(jié)氣門開度、轉(zhuǎn)速等環(huán)節(jié)信號(hào)的采集、檢測(cè)以及波形顯示[10]。點(diǎn)火以及噴油等脈寬測(cè)試中，設(shè)置軟件板卡內(nèi)部某一條通道為內(nèi)部時(shí)鐘狀態(tài)，當(dāng)待測(cè)信號(hào)達(dá)到門控端口時(shí)，信號(hào)低電平，則計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，反之，當(dāng)信號(hào)為高電平，則計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，由于計(jì)數(shù)發(fā)生在內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)發(fā)出的瞬間，因此，計(jì)數(shù)的結(jié)果即為內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)出的個(gè)數(shù)，而待測(cè)信號(hào)的脈寬則可以通過換算得到。轉(zhuǎn)速測(cè)試中，采用的是與分電器轉(zhuǎn)軸相連接的光電脈沖式傳感器，當(dāng)分電器旋轉(zhuǎn)一周，相應(yīng)的脈沖傳感器輸出一個(gè)脈沖，為使得計(jì)數(shù)器在方式0下計(jì)數(shù)，設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器的中斷時(shí)間間隔為1s，門控端始終處于高電平狀態(tài)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)達(dá)到CLK端口，經(jīng)過1s的中斷時(shí)間后信號(hào)被鎖存，待測(cè)的轉(zhuǎn)速可以通過換算而得到。經(jīng)測(cè)試后的信號(hào)波形以及相關(guān)測(cè)試得出的數(shù)據(jù)均可由VB中的繪圖功能繪制并顯示在界面中。在對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集、分析、處理之后，對(duì)顯示界面上的信號(hào)波形以及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出與之對(duì)應(yīng)的信號(hào)曲線如圖3(a)所示，圖3(b)為FLUKE美國(guó)專用汽車信號(hào)檢測(cè)儀檢測(cè)出的系統(tǒng)點(diǎn)火信號(hào)波形圖，從圖中可以看出，兩信號(hào)曲線走向基本相同。

2.2.3數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)報(bào)表模塊數(shù)據(jù)記錄以及報(bào)表模塊主要用來建立并維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)需要實(shí)時(shí)地查閱調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)信息。VB中提供了16種數(shù)據(jù)通道在線采集，每個(gè)數(shù)據(jù)所用的采集時(shí)間可精確到秒，利用報(bào)表設(shè)計(jì)器可以建成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的報(bào)表文件。

2.3系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

由于電控發(fā)動(dòng)機(jī)所處的工作條件相當(dāng)惡劣，不可避免的會(huì)出現(xiàn)很多干擾因素，對(duì)此，需要著力解決系統(tǒng)抗干擾問題，在本課題中，主要采取了如下兩種抗干擾措施，分別是硬件抗干擾、軟件抗干擾。

2.3.1硬件抗干擾(1)測(cè)量電路選用的是具有預(yù)處理功能的8254頻率測(cè)量電路，有效抑制了轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)的噪音干擾。(2)測(cè)量所用計(jì)算機(jī)選用的是具有強(qiáng)抗擾能力的PC工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。(3)測(cè)量過程中為防止干擾進(jìn)入系統(tǒng)，選用的技術(shù)為光電隔離，有效地防止了干擾源從通道進(jìn)入系統(tǒng)。

2.3.2軟件抗干擾(1)采取數(shù)字濾波的方式濾除測(cè)試過程中的干擾信號(hào)，減小系統(tǒng)測(cè)試誤差，提高精度。(2)在測(cè)試進(jìn)行中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤措施，有效地避免了一些突發(fā)事件，如電源突變導(dǎo)致程序無法正常運(yùn)行的情況。(3)在系統(tǒng)程序控制過程中采取軟件冗余手段。

3網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控發(fā)動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)接收查詢、數(shù)據(jù)顯示等五大模塊組成。其功能是采集電控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的各種數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過網(wǎng)絡(luò)傳送給多臺(tái)計(jì)算機(jī)，以直觀圖或?qū)Ρ鹊男问斤@示出來，達(dá)到資源共享，為系統(tǒng)的分析、故障診斷提供參考。系統(tǒng)采用客戶端／服務(wù)器(C/S)的設(shè)計(jì)思想，即數(shù)據(jù)采集與處理在一臺(tái)性能較好的服務(wù)器上進(jìn)行，數(shù)據(jù)查詢顯示在成本較低的多客戶端上進(jìn)行。這樣可以節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行的成本，有效地提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能。

3.1服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)服務(wù)器端程序的設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集(OnComm函數(shù))、數(shù)據(jù)處理(AssembleData()函數(shù))和數(shù)據(jù)發(fā)送(Send-Data()函數(shù))三個(gè)模塊程序的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集采用的是VB語言中的MSCOMM控件，在串口的作用下把下位機(jī)中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給上位機(jī)。數(shù)據(jù)處理模塊(AssembleData())將數(shù)據(jù)按要求組裝成實(shí)際的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)庫訪問組件(ADO)按一定的格式寫入數(shù)據(jù)庫;同時(shí)，處理好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(SendData())在網(wǎng)絡(luò)上以廣播的形式發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊采用的則是Winsock控件中的UDP協(xié)議，Winsock控件為TCP和UDP的訪問創(chuàng)造了良好的條件和便捷的途徑，在對(duì)其屬性進(jìn)行設(shè)置調(diào)整并調(diào)用方法之后，可以與另外一個(gè)計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)雙向傳輸。UDP協(xié)議是一種無連接協(xié)議，采用UDP協(xié)議可以確保服務(wù)器能夠穩(wěn)定運(yùn)行，不至于因?yàn)榭蛻舳说墓收隙黄韧Ｖ惯\(yùn)行。服務(wù)器端每次接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，調(diào)用組裝數(shù)據(jù)函數(shù)AssembleData()將各個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組裝成一個(gè)字符串，通過數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)SendData()將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3.2客戶機(jī)程序設(shè)計(jì)客戶機(jī)程序設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是針對(duì)數(shù)據(jù)的接收與顯示。數(shù)據(jù)的接收依然是采用Winsock控件UDP協(xié)議，在Winsock控件中調(diào)用其中的GetData()函數(shù)則可以得到服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)字符串。在此基礎(chǔ)上，程序根據(jù)工作人員選擇需要查看的參數(shù)，按照規(guī)范的數(shù)據(jù)包格式自動(dòng)出示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示在電腦屏幕上。啟用歷史數(shù)據(jù)查詢程序的客戶機(jī)則是通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問組件ADO直接從服務(wù)器的開放數(shù)據(jù)庫中取得歷史數(shù)據(jù)，并且顯示在屏幕終端。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)的基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各種參數(shù)，如點(diǎn)火時(shí)刻、轉(zhuǎn)速、溫度等的測(cè)試，并且可通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送到多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，每個(gè)微機(jī)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)取接收到的各種數(shù)據(jù)信息，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)、分析、處理、故障診斷等，最終達(dá)到資源共享。系統(tǒng)采用的服務(wù)器客戶端結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看，從而進(jìn)行異地故障排查。最終測(cè)試證明本系統(tǒng)可以大幅度提高系統(tǒng)的抗干擾能力及其可靠性。戶需求，優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有利于司機(jī)掌握更多的列車狀態(tài)、操控車輛，有助于檢修人員更好地維護(hù)車輛、排查故障，保障運(yùn)營(yíng)秩序。通過與其他網(wǎng)絡(luò)形式對(duì)比分析，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理，符合使用需求。

作者：吳濤 范育奇 周晨 陳金威 單位：江蘇省吳中中等專業(yè)學(xué)校 南京師范大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院