（森林经理学专业论文）汽车发动机电控系统在线检测的研究.pdf

摘要 随着计算机技术和汽车工业的发展，汽车检测诊断技术也臼益发展起来。本 文针对汽车发动机这一特定研究对象，对汽车发动机的在线检测系统进行了研究 和开发，自行设计了具有信号调理、数据采集等功能的硬件设备，并在可靠的硬 件基础上开发了应用于计算机终端的软件系统。 该系统在低成本的条件下，实现了相对的模块化，主要分为三个模块：模拟 模块、数字模块以及p c 终端模块。本文从系统的需求着手，自上而下地进行了 介绍：系统的整体结构及主要功能；各模块功能和具体实现：各模块之间的接口。 模拟模块上，为了减小干扰对信号的影响，在信号调理部分的设计中重点考 虑了抗干扰设计，通过反复实验，设计出最佳的电路方案，既保证了模拟信号采 集的线性度，又增强了抗干扰能力，提高了测试系统的可靠性。 数字模块的硬件设计从采集需求和一些关键指标着手，设计出较为简洁的数 字电路。软件工具使用了k e i lc 编程语言。该部分重点分析了数字模块与计算 机的通信流程，定制出通信协议，以确保计算机终端在任何时刻都能和数字板进 行通信，且不影响双方其他程序的运行。 p c 终端模块采用了虚拟仪器技术，使用l a b v i e w 图形化编程语言，开发了 具有实时数据采集、信号分析和处理，且有类似于传统仪器操作和显示等功能的 软件系统。 最后，本文还给出了系统测试结果，对系统的优缺点进行了分析，并提出了 改进方法。 这种针对汽车发动机而构建的检测诊断系统，经过实验证明，具有成本低、 效率高、性能稳定的特点，且界面友好，使用方便，具有一定的实用价值。 关键词：在线检测；数据采集；发动机；虚拟仪器技术 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rs c i e n c ea n da u t o m o t i v ei n d u s t r y ， t h et e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l ed e t e c t i n gs y s t e mi s d e v e l o p i n gt o o t h i sd i s s e r t a t i o n a i m sa ta u t o m o b i l e e n g i n e t h i s s p e c i a lo b j e c t ，d e s i g n s a n d e x p l o i t s t h e s i g n a l c o n d i t i o n i n g a n dd a t a a c q u i s i t i o n h a r d w a r e b a s e do nt h i sr e l i a b l e h a r d w a r e ， e x p l o i t st h es o f t w a r ew h i c ha p p l i e st ot h ec o m p u t e r t h i s s y s t e mi m p l e m e n t sar e l a t i v eb l o c k i n gw i t hl o w c o s t t h e r e a r et h r e e b l o c k si nt h i ss y s t e m ：a n a l o gb l o c k 、d i g i t a lb l o c ka n dc o m p u t e rt e r m i n a lb l o c k t h e d i s s e r t a t i o ns t a r t sa tt h er e q u i r e m e n to ft h ew h o l es y s t e m ，i n t r o d u c e df r o ma b o v et o b e l o w ：t h es t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e ma n dm a i nf u n c t i o n s ；t h ef u n c t i o na n dt h e i n t e r f a c eo fe a c hb l o c k o na n a l o gb l o c k ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc o n s i d e rt h ea n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g n t om i n i s hn o i s e t h eo p t i m a lc i r c u i td e s i g ni sf r o mal o to fe x p e r i m e n t s ，s oi tc a n i n s u r et h el i n e a r i t ya b o u tt h ea n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o n ，b u i l d u pt h ea n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t ya n de n h a n c e t h ed e t e c t i n gs y s t e mr e l i a b i l i t y t h ed e s i g no f d i g i t a lb l o c ks t a r t sw i t hal o to fk e yi n d e x ，i no r d e rt od e s i g na c o m p a c td i g i t a lc i r c u i t t oc u s t o m i z eac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h ec o m m u n i c a t i o n f l o wa n a l y s i si sn e e d e d ，s ot h ec o m p u t e ra n dt h ed i g i t a lc i r c u i tc a nc o m m u n i c a t ea l l t h et i m ew i t h o u td i s t u r b i n gt h ep r o g r a mr u n n i n ge a c ho t h e r o nt h i sp a r tt h ek e i lc p r o g r a m m i n gl a n g u a g ei su s e d c o m p u t e rt e r m i n a l b l o c k a d o p t e d t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，u s e d g r a p h i c s m o d ep r o g r a m m i n g l a n g u a g e l a b v i e w e x p l o i t e d a n a p p l i c a t i o n o i l c o m p u t e r t h i sa p p l i c a t i o nh a v e r e a l - t i m ed a t a a c q u i s i t i o n 、s i g n a la n a l y s i s a n d d i s p o s a lf u n c t i o n s ，c a no u t p u ta so s c i l l o g r a p hm o d e a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o ng a v ear e s u l to ft h i s d e t e c t i n gs y s t e m ，a n a l y z e dt h e m e r i t sa n dd e m e r i t so ft h es y s t e ma n da d v i s e dm e n dm e t h o d s t h e s y s t e m h a sl o w - c o s t 、h i g h e f f i c i e n c ya n d r e l i a b l ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r s ， a n dc a nb eu s e sc o n v e n i e n t l yw i t hf r i e n d l yi n t e r f a c e al o to f e x p e r i m e n t sp r o v e d t h a tt h i sa u t o m o b i l ee n g i n ed e t e c t i n gs y s t e mh a sd e f i n i t ea p p l i e dw o r t h i n e s s k e y w o r d s ：o n l i n e d e t e c t i n g ；d a t aa c q u i s i t i o n ；e n g i n e v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y 致谢 审7 4 9 4 4 近三年的学习生活为我完成硕士论文课题的研究工作打下了良好的基础，在 此期间许多人给了我无私的支持、关怀和帮助。 首先感谢我的导师封维忠副教授。从课题的选题、总体设计到具体细节- 的研 究，封老师都给了我无私的帮助，没有封老师的支持、鼓励和精心指导也就没有 我的研究成果。在整个研究生阶段，封老师不仅在学业上对我严格要求，悉心传 授，在生活上也给予我无微不至的关怀和帮助。特别是他平易近人的态度、渊博 的学识和务实的工作作风，是我所收获到的一笔最珍贵的精神财富。导师对我的 教育，使我开阔了视野，增长了见识，同时也提高了自己的实际工作能力、团队 合作能力和表达能力。在此，向我的导师表示我最真诚的谢意! 衷心感谢蔡伟义老师，感谢蔡老师提供了测试场地，以及给予本论文的指导。 感谢在三年的学习生活中给予我很多帮助的刘云飞、阮锡根、刘砚一、薛联 风、徐慧等老师，周又平、韩燕、张冲等同学，他们给了我许多的关心和支持， 是我学习和生活中的良师益友。 最后衷心感谢我的家人和朋友在我多年的求学路上给予我的关怀和鼓励，使 我得以顺利完成论文。 杨婕 二o o 五年四月 1 1 课题来源及产生背景 第一章绪论 随着电子技术的飞速发展，汽车工业的发展也越来越快。特别是从7 0 年代 开始，微电子控制单元在汽车上应用后，给汽车工业带来了划时代的变化。进入 9 0 年代，汽车电子装置的应用范围进一步扩大。现代新型汽车已经广泛地采用 了电子控制技术。 随着改革开放的不断深入，我国汽车工业和电子技术正在迅猛发展。同时也 带来了这些系统和装置的维修保养问题，然而，国内维修行业多采用国外的专用 检测仪器，尽管国内也通过仿制开发了此类仪器，但是兼容性不高，比较单一。 在教学领域，当前许多教学单位遇到了诸如汽车技术实践教学设备台数少、技术 落后的问题。针对这些问题，选择了在汽车电控系统中具有典型代表性的发动机 电控系统作为在线检测的研究对象，这种选择在检测和教学上都有重要的意义。 传感器( s e n s o r ) 、电子控制单元( e c u ) 、执行器三部分组成了汽车电子控 制系统。由于汽车通常工作在高温、振动、信号干扰甚至潮湿等极为不利的环境 下，微机控制系统易受损坏，以致时常出现不同特征的故障。电控发动机的控制 系统在汽车微机系统中具有典型的代表性，突出地体现在技术含量高、故障发生 率大、故障面广、故障特征典型四方面。因此对其检测维修显得尤为重要。电子 控制单元接收到的传感器信号一般是模拟信号或数字信号，因此，通过采集传感 器和执行装置的信号波形，在计算机屏幕上显示，同时提供标准波形供检测人员 对比分析，从而可判断出故障原因，这种诊断系统故障的方法较为简便有效。而 国内利用虚拟仪器技术对汽车控制系统检测的开发还很少，需要进一步研究。 1 2 国内外研发动态 随着电子计算机技术、自动化技术、传感器技术的不断发展，汽车检测诊断 仪器己向多功能、小型化、数字化、智能化和综合型方向发展。出现了集检测、 控制自动化、数据采集自动化、检测结果直接输出等多功能的现代检测技术和设 备，例如：国外生产的汽车制动检测仪、全自动前照灯检测仪、发动机分析仪、 发动机诊断仪、计算机四轮定位仪等检测设备，都具有较先进的全自动功能。随 着计算机技术在汽车检测技术领域的应用进一步向深度和广度发展，汽车检测诊 断领域也出现了集检测工艺、操作、数据采集和打印、存储、显示等功能于一体 的系统软件，使汽车检测实现了全自动化，这样不仅可避免人为的判断错误，提 高检测准确性，而且可以把受检汽车的技术状况储存在计算机中，既可作为下次 检验参考，也可供处理交通事故参考。 国外部分汽车发动机检测设备已是机电一体化、智能化的综合体，产品具有 质量好、工艺精、使用方便、性能可靠的特点，并且产品已形成系列化、标准化、 规范化。例如德国博世公司推出的f s a 5 6 0 型发动机综合检测仪，美国大熊公司 的b e a r 2 0 0 、b e a r 一4 0 0 型全电脑发动机诊断检测系统，都代表了当前世界的 领先水平。以f s a 5 6 0 为例，它的核心是一台奔腾级的多媒体电脑，它的硬盘中 存储了数千种车型的技术资料，并且可以不断升级。为了与不同车型的控制系统 相连接，它还备有多神转换接头，几乎可以连接所有车型的喷油、点火、a b s 、 安全气囊、自动变速器和其它故障诊断接口。f s a 5 6 0 的转换接头就有数百种之 多，它不仅具有一般读码器的全部功能，还可以代替万用表等维修常见设备。 我国通过进口或仿制、消化国外产品，在检测诊断技术上取得了较为长足的 发展。国内较为先进的有金德公司“p c 9 8 ”、“修车王”和“电眼睛”等，以金 德k 8 0 多功能诊断仪为例，它不但具有解码器功能，还可检测发动机各系统的工 作状态和运行参数，实时采集点火、喷油、电控系统及其传感器的数据等，同时 具有数值测定、性能分析、波形存储及回放等功能，为发动机的技术状态判断和 故障诊断提供了科学依据。 但是由于这类仪器的价格比较昂贵，因而限制了其使用范围。所以在我国目 前的汽修行业中，比较普遍使用的汽车电子系统现场检测诊断仪器主要是：普通 汽车解码器和专用汽车微机系统诊断仪。这些仪器的多为低成本的传统仪器，比 较依赖于硬件，且硬件是技术的关键，如一些检测设备是通过解码仪与汽车专门 设置的故障检测端口连接，读取相应的数据，测试过程比较复杂，技术含量不高， 检测数据不能动态显示。一些发动机综合测试仪，由于产品性能不稳定，品种较 少，更新慢等原因，并未能在汽车维修行业中普遍使用。总体而言，我国自行设 计和生产的仪器与国外的仪器在外观、可靠性、元器件配套、设计手段、速度、 成本、售价等指标上存在差距，从而缺乏市场竞争力。而国外的产品虽然有诸多 优点，但是存在价格偏高，操作界面为外文的弊病。 虚拟仪器有着传统仪器不可比拟的优势，只要在硬件上投入少量成本，其它 软件则基于计算机，操作界面也和现实中的传统仪器一样简单方便，这种开发费 用低且维护方便。在国内，开发通用计算机与硬件相结合的应用于汽车检测诊断 的虚拟仪器还处于研究阶段。国内一些科研机构、高校也在研究和开发此类产品， 其成果也在汽车发动机检测、控制等方面得到了应用，但是还未能形成大规模的 市场。因此，这一领域还需我们进一步研究。 1 3 课题的特色 一、良好的抗干扰性能。由于汽车的工作环境比较恶劣且带有随机性，如：外界 的机械振动，车内的电气设备所产生的干扰，室外的环境温差等，这些非正常因 素都会影响数据采集的准确性。所以本论文针对这一难点，在设计时重点考虑了 硬件上抗干扰电路的设计，并采用了多种抗干扰方法，以确保信号采集的准确性， 增强了仪器的抗干扰性能。 2 二、自行设计了数据采集卡( 即数字电路板) 。根据汽车电控系统传感器信号的特 征，在满足系统需求的情况下，设计了数据采集卡，节约了购买现成数据采集卡 的资金，减少了系统的成本。 三、采用了虚拟仪器技术。选择计算机与仪器硬件搭建系统平台，充分利用了计 算机的存储、运算和显示的功能，通过软件实现信号的数据分析处理，并且可以 通过计算机终端对测量进行控制。这种区别于传统方法的虚拟仪器技术具有强大 的灵活性，其操作平台具有个性化的特点，直观好用。采用这一技术大大缩小了 仪器硬件的成本和体积，使得仪器的开发周期缩短。 四、本仪器具有性价比高的特点。从硬件的信号调理、数据采集，到最后计算机 软件的形成，其中的每一部分均自行设计，减小了系统的成本，且使系统性能稳 定可靠。 五、本仪器具有较强的实用价值。本仪器的体积较小，方便携带，且能够和普通 电脑或手提电脑配合使用，可以作为汽车检修以及教学实验的辅助设备，具有较 强的实用价值和推广价值。 2 1 系统总体需求 第二章系统需求分析 本系统的开发是针对汽车电控系统的，主要实现汽车电控系统中各传感器上 电信号的采集和分析。 本系统应根据汽车上传感器信号的特征来设计，由于考虑到实用，应在兼顾 各个指标的基础上尽量减少成本。 本系统应能采集多路信号，且能实现对信号的实时监视，对信号的存储以及 对信号的分析。 本系统应有一定的抗干扰性，以适应在汽车发动机运转这一噪声较大的环境 下所进行的信号采集工作。 本系统应有一定的通用性和灵活性，以适应汽车上各种各样信号的采集和分 析工作。 2 2 系统各功能需求划分 根据以上的系统总体需求，我们给出本系统应有的一些主要功能 一、对多路信号的实时采集和显示。 l 二、根据要求，能对采集到的信号进行存储。 三、对所采集的信号能有一定的分析和处理功能。 2 3 系统各功能详细描述 对以上的功能划分给出各个功能的详细描述。 一、 信号的实时采集和显示。 1 - 对于实时采集的数据应有一定的滤出噪声的功能以防止干扰。 2 对某一路信号监视的时候，应可容易的切换成对另一路信号的监视，以 达到对多路信号的监视功能。如果有可能，可考虑在一个界面上实现对 两路信号的同时监视。 3 可灵活设置一些参数，如采样频率，采样通道号，串口参数的设置等， 以适应对不同信号的采集要求。 4 在实时显示的过程中，应可动态改变界面显示的环境，主要是横轴、纵 轴的精度，信号显示的放大、缩小、颜色变换等，以方便用户观察信号。 二、 信号的存储。 1 可对实时显示的信号进行存储。 2 能对连续一段时间的信号进行存储+ 这个时间的长短可根据客户需求进 行设置。 4 3 能对存储过的历史数据进行读取。 4 能存储一些标准的信号波形和信号参量。 三、信号的分析。 1 有简单的实时分析功能，例如可在界面上实时显示信号的峰峰值，频率 等。 2 可进行采集信号和标准信号的简单对比。 3 对信号的历史数据可进行较深层次的分析，如频域分析等。 其中，功能一和二是本系统的基础，也是最主要的需求。功能三的实现需要 对汽车上各种参数的测试有一定的了解，开发出与其相适应的分析软件，由于时 间、资源有限，此功能在开发时未提出更详细的需求。 2 4 系统各关键指标的需求 本系统作为汽车发动机电控系统在线检测研究的初级阶段，主要考虑应满足 对汽车发动机电控系统大多传感器的采集需求。利用示波器采集汽车发动机电控 系统传感器信号，找出大部分信号的共同特点，给出如下一些关键指标： 一、所采集信号在0 1 0 0 h z 之间，系统的采集频率应大于1 k h z ，所以系统的最 小计时时间应小于l m s 。 二、所采信号电压幅度0 - 4 0 v 之间。 三、系统在硬件上应有一定的抗干扰技术，以确保系统的抗干扰性能。 四、系统应至少能同时采集4 路信号。 五、应能对每一路信号连续采集，并可存储历史数据。 3 1 系统框架分析 第三章系统体系结构分析 根据以上对系统需求的分析，可得知本系统应有：对汽车上模拟信号的处理 部分，模拟信号到数字信号的转换部分，显示、控制和存储部分以及相应的接口。 给出系统框图( 见图3 1 ) ： 模 怔 终 数端 接1接 口口 图3 1 系统框图 结合第二章对系统功能的分析，列出各功能模块所实现的主要功能( 见表3 1 ) ： 表3 1 模块功能划分 模块功能描述 模拟转换对一定频率、一定电压范围的信号进行转换，输出 较稳定的模拟信号，有一定的抗干扰功能 模数接口将模拟电路板和数字电路板连接 数字采集对信号进行模数转换，兼有一部分信号采集的控制 功能，同时对采集数据有一定的缓存功能 终端接口有效地在数字采集和p c 终端之间传递信号数据和 控制信息，它包含硬件接口和软件协议两部分 p c 终端信号的显示、分析、存储，实现系统中大部分的控 制功能，人机交互界面。 结合第二章对系统关键指标的需求，给出各功能模块能影响的关键指标( 见 表3 2 ) 表3 2 模块与关键指标的联系 模块所影响的关键指标 模拟转换系统抗干扰性能，系统所能采集信号范围( 主要指 幅度范围) ，信号采集在幅度上的误差 模数接口系统抗干扰性能 6 续表3 2 模块所影响的关键指标 数字采集信号采集在幅度上的最小分辨率误差，系统所能采 集信号范围( 主要指频率范围) ，系统在采集频率 上的随机误差，系统采集信号的最大通道数 终端接口系统的实时性( 主要指实时显示和实时存储) ， p c 终端 系统辅助用户分析的能力 对表3 2 的说明如下： 模拟转换：系统所能采集信号的幅度范围主要取决于该模块能把多大幅 度范围的信号量转换成数字采集模块适合的信号量；在转换过程中，信 号转换的线性度又影响了信号采集在幅度上的误差。 数字采集：该模块的a d 位数决定了信号采集的最小分辨率；该模块的 a d 转换速度决定了信号采集的频率范围；该模块在采集信号时的计时准 确度又影响了系统测算信号频率时的误差；该模块所能携带的采集通道 数决定了系统所能支持的最大通道数。 终端接口：该接口的通信速率决定了系统从采集信号到信号显示、存储 时的最小延迟；该接口的通信协议影响了系统在传递这些信号数据时的 效率。 p c 终端：该模块软件的强大与否决定了系统所提供的附加功能的多少。 3 2 系统实现方法分析 在清楚系统框架的情况下，对系统的实现方法作一定的分析。 根据现有的资源，考虑有两种方案可以实现，并对这两种方案的可行性做了 一些比较和测试。 一、方案一 1 实现方法：在市场购买现成的采集卡，并直接与p c 终端相连，同时根据 采集卡的特性开发终端上的软件。 2 方案的优点： 1 ) 把模拟转换，模数接口，数字采集三个功能模块整合在一起，方便了 开发。 2 ) 由于采集卡都提供了直接与p c 相连的硬件接口，所以可以很方便的 和终端p c 相连。 3 ) 通过阅读采集卡的说明书，可方便的编写终端软件去读取和控制采集 卡，省去了接口协议的制定。 4 ) 开发人员可把大量时间花在编写终端软件上，使系统的分析功能更加 完善。 3 方案的初步测试 使用可插入e i s a 插槽的a c l 0 2 9 测试卡，终端软件用v c + + 6 0 编写。 测试的系统框架( 见图3 2 ) 如下： e i s a 接口 图3 2 方案一的系统框架 用信号发生器产生一个锯齿波，信号实时显示的情况如下( 见图3 3 ) 图3 3 方案一的信号实时显示界面 4 方案的缺点： 1 ) 采集卡上的硬件和软件已经固化，开发时的灵活性较差，不适合多变 的汽车信号。 2 ) 采集卡上没有提供准确的时钟信号，只能靠p c 产生的时钟信号来调 整采集频率，误差较大。 3 ) p c 上的软件集控制采集卡、读取采集数据、显示与存储的功能于一 体，没有较好的封装性。 8 4 ) 虽然终端软件可以在各个p c 上使用，但采集卡要直接插在p c 机主板 上的i s a 总线上，所以不便于整个系统的移动。 5 ) 购买采集卡使开发成本相应变i 每。 二、方案二 1 实现方法：根据第二章对系统需求的分析，开发出适合的各功能模块， 使得各模块相对独立，功能分离，接口清晰。 2 方案的优点： 1 ) 各模块功能独立，有利于整个系统抗干扰性能的提高。 2 ) 采集卡上可有自己的c p u 用于实时控制采集，并能产生准确的采集时 钟，减少了误差。 3 1p c 软件只需与采集卡上的c p u 交互一些参数即可达到控制采集的目 的，减轻了p c 软件的负担，并有很好的封装性。 4 ) 终端接口可采用些通用的硬件接口，使采集卡和p c 连接方便，同 时接口协议可自己定义，增加了灵活性。 5 ) 修改某一个模块即可适应不同的需求，利于系统的维护与升级。 6 ) 整体开发成本会下降。 3 经过对方案一的测试和对方案二的分析，最终选择了方案二，后面将对 方案的各个部分作具体介绍。 3 3 系统实现框架 根据方案二，给出系统的初步实现框架( 见图3 4 ) ： 对这一系统实现框架作如下说明： 一、模拟电路板 这个电路板包含了系统框图中模拟转抉和模数接口两个功能模块，其中模拟 转换和抗干扰是它的核心。 模拟转换要紧扣汽车信号的特征，尽可能的根据采集的需要以适应不同的信 号输入。同时，在转换的过程中，尽量减少误差，因为这是采集的最前端，如果 这里误差较大，那么整个系统数据的准确性将大幅度降低。 抗干扰问题也是此电路板重点要考虑的，虽然系统的其他部分也进行了相应 的抗干扰处理，但这里的抗干扰是最有效的，也是影响整个系统性能最重要的一 部分。 输入缓冲只是为了避免一些外来冲击对系统所造成的不良影响。 模数接口是在抗干扰和模拟变换都已完善的基础上进一步地稳定输出，给数 字板提供较为良好的信号。 9 ： 一 ： 图3 4 系统实现框架 二、数字电路板 a d 转换只需一个a d 芯片即可完成，但要根据系统所要求的分辨率、采 集通道数、采集频率等指标进行选择，同时，在符合指标的情况下应尽量考虑减 少成本。 数字板c p u 上运行的程序应实现采集控制和数字滤波，这两项功能是数字 板的核心。 应选择合适的方式实现终端接口，一方面符合系统对实时性的要求，同时 又要不过多地给数字板上的c p u 增加负担。 数据暂存部分主要是配合终端接口而设计的。 三、p c 终端 这里主要是考虑选择何种开发软件。一是开发时能较容易地实现系统所需 要的功能，二是此种软件应和一些通用软件有良好的接口，以方便用其他软件实 现对系统的扩充和升级。 四、电源模块 以上实现模块是根据系统所需功能加以分析的，但在实现过程中，对模拟 电路板和数字电路板的供电也是一个很重要的问题。 电源模块一般来说可以和模拟部分做在一起，但无论如何实现，应在事先 考虑好电路板所需电源的要求，同时电源部分不应对系统产生新的噪声。 1 0 4 1 模拟电路板 4 1 1 模拟电路板的设计 第四章系统的具体实现 模拟电路板主要包括两大模块，一是电源电路，二是模拟信号采集电路。 4 1 1 1电源电路 电源电路的框图如图4 1 1 ： 三 目 三 驾 图4 1 1 电源电路框图 由2 2 0 , v 的市电输入电源滤 波器，滤除串模噪声和共模噪声 后，进入变压器将其转换为两路 1 7 v 交流电和一路9 v 交流电，再 经过电源稳压电路，得到稳定的 输出电压，见图4 1 2 ，这里使用 了m c 7 8 1 2 、m c 7 9 1 2 、l m 7 8 0 5 芯片，使最后输出为两路- 4 - 1 2 v 直 流电和一路+ 5 v 直流电，分别供 给模拟信号采集电路和数字电路 板。 这里要注意的是由于模拟信号图4 1 2 电压转换电路 采集电路采用了光电耦合绝缘隔离方式进一步滤除共模噪声，因而模拟信号 采集电路需使用两路不共地的电源。 4 1 1 2 模拟信号调理电路 叫堇h 圈口 图4 1 3 模拟信号调理电路框图 图4 1 3 是模拟信号调理电路框图，传感器信号输入，首先通过信号增益控 1 l 制，进行信号衰减，使抗干扰线性传输电路工作于小信号工作状态。抗干扰线性 传输电路的作用是将衰减后的小信号进行线性传输，这样能有效地抑制尖峰脉冲 及各种噪声干扰，大大提高了过程通道的信噪比，使输出信号更加接近原始信号。 最后将信号放大，信号输出至数字电路板。 4 1 2 模拟电路板的抗干扰设计 由于本仪器应用于汽车电控系统故障的检测和诊断，而汽车发动机火花塞及 汽车电机电刷的电场干扰非常严重，并且所用的电源是市电经过转换后提供的， 所以，各种电器设备对电源的干扰必定经过电源耦合，进入仪器的电路，这对仪 器的测量数据将产生干扰。为了达到抗干扰的目的，硬件上需采用一定的抗干扰 技术，以有效地抑制噪声，使仪器正常的工作。 4 1 2 1 干扰来源分析 一、串模噪声 1 开关白炽灯 当仪器在修理厂使用时，工作场所装有大量的照明和指示的白炽灯，在 未点亮时，灯丝是冷的，电阻很小。但是当电源接通的瞬间，灯丝上突然流 过比稳定时大5 1 5 倍的冲击电流。因此在照明灯同时启动时，电流变化很 大就成为隐蔽在电源内部的干扰源。 2 接通电容性负载 豳：睦。 a ) 电容性负载回路b 1 电容的充电电流 图4 1 4 电容性负载接通时的冲击电流 在接通电容性负载的瞬间，也会产生突变的冲击电流。如图4 1 4 所示， 在开关s 闭合的瞬间，由于电容器的特性，其两端的电压不能突变，对于充 电电流，它等效于短路。电流值仅由回路电阻r 决定。 3 断开电感性负载 考虑到由于仪器的使用场所可能大量使用交流电机，交流接触器等电感负 1 2 载。在电感性负载上流动的电流突然中断时，瞬间在电感上产生与原来电流方向 相反的冲击电流，在电感两端形成一种反冲电压，其幅值可以比原来的电源电压 高1 0 - 2 0 0 倍。电感性负载己成为一种比较常见的强烈干扰源。 当由于机械式接点造成电感性负载电源的突然中断时，电感内部的能量将消耗在 接点间的放电上，这又是一种强烈的干扰源。 4 小型整流子电机的转动 11 1 11 1 “ii 。j k 。i 。kl a ) 等效电路b ) 电流的电压波形 图4 1 5 电机的等效电路及各部分的电压电流波形 小型串激发动机由于启动力矩大，已被广泛应用。但是带有电刷的这种电动 机也是一个常被忽视的干扰源。图4 1 5 - a 是这种电机的等效电路，电刷实际上 是一种接点，不断地接通和断开，电机线圈的电流也是断续通过的，这样就产生 了瞬间冲击电流和反冲击电压。图4 1 5 - b 表示c ；两端电压u 。是和电刷流过的 电流，即流过电线的电流i l p ，以及由此产生的电源线上的高频振荡电压u c p 的 波形。u c p 的峰值一般高达几千伏，在电刷断开电流时所产生反冲电压大于空气 的放电电压，就在电刷上放电，瞬间就有尖刺状的脉冲电流i c p 流过。此电流在 l p ，c p 上产生它们的共振频率的高频电压u c p ，当l p = 2 h ，c p = 1 0 0 0 p f 时，其 共振频率为5 m h z ，而幅值大约有几千伏。 二、共模噪声 共模噪声的产生主要是在信号传输 过程中，由于传输线过长，在发射端与接 收端之间存在着接地的电位差。 从图中共模噪声的模型可见，测量 接收端的信号电压为e i - e 2 = e s ( 这里忽略 e s e c 了e n ) ，e t = e s e c ，e 2 = e c ，e l 和e 2 都含有图4 1 6 信号传输中的串模与共模噪声 噪声电压，此e c 就是共模噪声。由图4 1 6 可知，在理想情况下，若线路完全 平衡，在传输线的接收端接受的信号仍是e s ，它并不受共模噪声的影响。实际 上并不能做到这一点，所以共模噪声总会或多或少地转化为串模噪声而叠加在接 收端的信号e s 上。 4 1 2 2 采用的抗干扰措施 一、电源滤波器 图4 1 7 滤除串模和共模噪声均有效的滤波器 电源滤波器可以有效地滤除电路中的串模噪声和共模噪声。如图4 1 7 所示， l l ，l 2 ，c l 是滤除串模噪声的，l 3 ，l 4 ，c 2 ，c 3 是滤除共模噪声的。作为电感 扼流圈l i ，l 2 电感量一般可以选几百m h 左右，电感扼流圈的铁心选用较难磁 饱和及肛，特性好的材料。c l 选用了高频特性好的聚酯电容，耐压选用4 0 0 v ， 容量为0 1 u f ，引线要尽可能地短。c 2 ，c 3 要求与c l 相同，一般选用2 2 0 0 p f 左 右。这个电容量大，效果较好，但对接电网的电源滤波器来说，它将机壳和电网 间的阻抗变低，漏电变大，所以国家规定了此电流的安全极限。 堕弋_ b 一 粕 图4 1 8 抗共模噪声的扼流圈 图4 1 _ 8 中l 3 ，l 4 是抗共模信号的 扼流圈，两个线圈均绕成相同的圈数，从 图中可以看出由于电源线往返电流所产 生的磁通在磁心中已相互抵消，所以它对 串模信号无电感作用，而对电源线与地之 间的共模噪声起了电感抑制用。 图4 1 9 是这个扼流圈起抑制共模噪 c d 声作用的等效电路。设共模噪声电压为u g ，图4 1 9 抗共模噪声的等效电路 负载的不平衡电阻为r c ，则根据等效电路可得： u g _ j0 9 l 3 i i 十j m 1 2 + r l i l u g 气m l 4 1 2 + j m i i + r c l 2 1 4 ( 4 1 ) ( 4 2 ) 如果l 3 = l 4 = m = l ，u n = r l l l ，r c r c 条件成立的话 阱。 u u 0 ( 4 4 ) ( 4 5 ) 即噪声被大幅度滤除。另外，由u n = r l i l 可知，当r l 变小，也可以使u n 噪声 变小。 二、铁氧体磁珠滤波器应用于电路的引线 铁氧体磁珠滤波器是目前发展很快的一种抗干扰元件，它具有使用方便，价 格低廉，滤除高频噪声效果显著的优点。 如图4 1 1 0 a ，铁氧体磁珠在电路使用上是将导线穿过它。当导线中有电流 通过铁氧体磁珠时，铁氧体对低频电流几：乎没有什么阻抗，而对于较高频率的电 流却会产生较高的衰减作用。高频电流在其中以热量的形式散发，图4 1 1 0 - b 表 示其等效电路，为一个电感l 和一个电阻相串联，两个元件的参数都与磁珠的长 度成比例。 由于能量是由磁耦合的形式进入磁珠，以电感来表示的电抗值随频率上升而 增加，铁氧体的损耗，一般可以相对导磁率u ，以复数形式表示u ，= ul - ju2 ，其 中u1 表示了磁珠增加磁通密度的能力，即为其结构的电感，u2 表示铁氧体材料 的功耗。磁性材料中常用损耗角正切t a n6 表示其特性，这里正切损耗量越大越 好，表示了高频噪声能量被损耗而不辐射出来。 磁霸 警 l 上1l 1 卜j m l t 二卜_ _ 0 a ) 磁珠使用示意图b ) 磁珠等效电路图 4 1 1 0 铁氧体磁珠图4 1 1 1 典型的磁珠频率特性 图4 1 1 1 是一种典型的磁珠频率特性睦线，图中曲线显示，插入一颗磁珠， 对直流电流及低频控制信号的影响几乎是微乎其微而对较高频率的噪声或振荡 有较大的阻尼作用。由于磁珠的电阻r 使电感的q 值下降，而成为低q 值电路， 这对磁珠作为宽频带有效的扼流圈是十分重要的。 铁氧体磁珠不仅可用于电源电路中滤除高频噪声，而且由于它体积可做得 小，所以可方便地让集成电路，晶体管等元器件的引线通过。铁氧体磁珠已被广 泛应用于计算机领域。 实验证明，经过磁珠后的方波脉冲波形变得更正规，一些原来附加其上面的 高频振荡波形被滤除。所以，在仪器接入传感器模拟信号的导线中采用铁氧体磁 珠滤波器，是一种方便有效的滤除高频噪声的方法。 三、光电耦合器绝缘隔离方式 为了进一步抑制共模噪声，需采用绝缘隔离的方式。任何绝缘隔离都可以画 成图4 1 1 2 所示的原理图，它的等效电路如图4 1 1 3 所示。 图4 1 1 2 绝缘隔离的原理图图4 1 1 3 绝缘隔离的等效电路图 图4 1 1 3 中r 。为传输电阻，r i 为绝缘电阻，r e 为信号接受与发送之阃接地 阻抗，r r 为接受器对地阻抗，e c 为共模噪声电压，e r 为共模噪声对接受端产生 的总影响，即转化为串模的部分的电压。则接收端的噪声电压： e 。：j 生 届+ 庙+ r 。+ r ， 由于绝缘电阻的插入，r j 项远远大于r 。、r t 、r r 各项，很明显地e r e c 。 就是说，绝缘隔离性能越好，r i 项越大。共模噪声e c 在接受端e r 影响就越小， 这就说明了采用绝缘隔离技术可有效地抑制共模噪声。 本文通过使用光电耦合器达到这一目的。 光电耦合器是把发光器件( 如发光二极管) 和光敏器件( 如光敏三极管) 组 装在一起，通过光线实现耦合，构成电一光一电的转换器件。当电信号送入光电 耦合器的输入端时，发光器件将电信号转换为光信号，光信号经光敏器件接收， 再还原成电信号。其突出的优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声，从而使过 程通道的信噪比大大提高。光电耦合器是一种性价比较高的器件，并且由于器件 的封装非常适合安装在印刷电路版上，因此比较适合应用在模拟电路中。 为了有效实现光电耦合器绝缘隔离方式，提高传输信号的线性度，实现模拟 量的线性传输，达到抗干扰的目的，需要选择合理器件并设计出合理的电路。 1 选择合适的光电耦合器需注意的问题： 1 ) 使光电耦合器工作在线性区域 应用光电耦合器的最大问题就是非线性失真问题。由于光电耦合器实现信号 传输的物理本质是电流传输，正如任何三极管都存在线性放大区和具有电流放大 功能一样，任何光电耦合器的电流传输特性中肯定存在一线性段。对于不同的光 电耦合器其线性段的大小和线性度有所不同。因此，我们的任务就是要找到光电 耦合器的线性区域，并设法提高其传输信号的线性度，以实现模拟量的线性传输。 1 6 2 ) 选好光电耦合器的工作点 在光电耦合器的传输特性中，起始段般都是非线性的。实际应用中应避开 这一非线性段，这里就存在一个工作点的选取问题，即在输入电压v i = 0 时，光 电耦合器的工作点应选择在何处。工作点的选择根据电路不同可能有所不同，选 择的原则是在v i 的变化范围内充分使用光电耦合器的线性段。 3 ) 了解光电耦合器的温度特性和环境温度 当环境温度上升时，发光二极管的光输出就会下降，因此，在设计电路时， 驱动电流应留有一定的余量，在实际应用中，应了解环境温度的变化范围和器件 本身的温升，采用有效办法来消除或减小因温度变化而带来的不良影响。 4 ) 了解光电耦合器的频率特性 光电耦合器的转换频率较高，但其频率特性略差。因此需根据输入信号的频 率，使用与之相对应的光电耦合器和运放。 2 选择t l p 5 2 11 型光电耦合器 t l p 5 2 1 l 型光电耦合器内部构造如图4 1 1 4 所示。1 、2 脚之间是发光器件 ( 发光二极管) ，3 、4 脚之间光敏器件。当1 、2 脚之间的电压v d 足够大时，发 光二极管被导通，有电流i d 通过，3 脚即发射极有电流i f 输出。 图4 1 1 4 光电耦合器内部构造图 图4 1 1 5 光电耦合器的传输特性 惴目q i d h i j t 、 、 、 囤4 1 1 6 光电耦合器温度特性图图4 1 1 7i d - v d 的变化曲线图 光电耦合器的传输特性如图4 1 1 5 所示。它描述了当发光二极管的电流为一 个常量i d 时，集电极电流i c 与管压v c e 之间的函数关系，即；i c = ，( v c e ) l i d o 与晶体管输出特性一样，是一个曲线簇，当管压降v c e 足够大时，i c 的大小几乎 1 7 ui毒寸e6目i la魏姐l 仅仅决定于f d ，在c 、e 之间加一定电压时，i c 与i d 的变化之比称为传输比c r t 。 a i ，i c r t = = 兰i k ，c r t 一般为0 1 1 5 左右。 a i d i 一 图4 1 1 6 为t l p 5 2 ll 光电耦合器温度特性图。由图可知，t l p 5 2 11 光电 耦合器的工作温度范围在一2 0 5 0 时，电流i d 的大小比较稳定。在实验环境 中，温度范围基本能控制在此范围内。 图4 1 1 7 是i d - v d 的变化曲线图，由图可知，发光二极管存在着死区电压， 只有v d v 。h 时，发光二极管才能导通并发光，且在某个电压范围内，发光二极 管的电流和电压才能近似线性关系。图中，当v d 大于0 9 伏后，光电耦合器 t l p 5 2 1 的发光二极管才能被导通，这时光电耦合器t l p 5 2 1l 的四脚才有电流 输出。由图可知在1 0 1 2 伏之间，i d - v d 线性度较好。 另外t l p 5 2 11 光电耦合器的转换频率可达1 m h z 。由于所采信号在 0 h z 一1 0 0 h z 之间，系统的采集频率一般应不大于1 k h z ，所以能满足采集频率的 需要。 3 设计合理的电路 由于电祸合器不能直接用于传输模拟信号，所以需要设计合理的电路来解 决。电路图如图4 1 1 8 所示： 图4 1 1 8 线性光电隔离放大电路 图4 1 1 8 为线性光电隔离放大电路。主要由运放u 1 、u 2 和n p n 型三极管 q i 、q 2 及光电耦合器t 1 、t 2 组成。这里使用o p 0 7 型运放，3 d g l 3 0 型三极管， 及t l p 5 2 1l 型光电耦合器。 图中运放u 1 与电阻r 1 、r 2 、r 3 构成了反相比例放大电路，其作用是将 n ， 传感器送来的信号进行衰减，增益为4 哪= 一署，使三极管q l 、q 2 构成的差分 l l 电路工作于小信号工作状态。三极管q 1 、q 2