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基于双怠速法汽车排放自动测试系统的研究 摘要 随着我国汽车保有量的急剧增加，对汽车检测及诊断方法要求越来越 高，其中双怠速测试法是一种有效的检测手段之一，据此实现汽车排放的 自动测试系统有助于减轻人工劳动强度、提高汽车排放检测的精度，从而 提升汽车检测及诊断水平。 基于双单片机的系统控制器，分别构造了依据k 线( k a n 总线) 和o b d i i ( 在线诊断i i 代) 与汽车e c u ( 电控单元) 通讯获取转速的通讯模块、以步进电 机和动力传动装置实现的发动机转速控制模块以及与排放分析仪通讯实现 检测数据自动采集的采集模块，实现了发动机转速分段恒值调节控制和排 放检测数据自动采集功能，研制出基于双怠速法汽车排放自动测试系统的 雏型。 由于采用通讯方法获得转速反馈信息可能导致速度控制系统存在不确 定的延迟。为提高控制质量，对时滞对象的控制进行初步探讨。当延迟时 间较短时，采用s m i t h 预估补偿；当延时超大，采用外推法。并利用m a t l a b 做了仿真比较，结果证明这些控制方法是有效的。 实验证明该系统运行稳定，能将发动机转速控制在国标规定范围之内， 检测时间可精确定位，确保检测结果准确，达到预期设计目标。 关键词：双怠速步进电机在线诊断代k 线时滞 r e s e a r c ho ft h ea u t o 【a t i ct e s ts y s t e mf o r v e h i c l e se x h a u s tb a s e do nt w o s p e e di d l e a b s t r a c t a st h eq u a n t i t yo ft h ea u t o m o b i l ei n c r e a s i n gr a p i d l y , t h et e s ta n dd i a g n o s i s o fa u t o m o b i l ei s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h em e t h o du n d e r t w o s p e e di d l ec o n d i t i o ni so n eo f t h ee f f e c t i v em e t h o d s a sar e s u l to f r e a l i z i n g t h ea u t o m a t i ct e s ts y s t e m , i tc a nc u tl a b o ri n t e n s i t y ，i m p r o v et h ep r e c i s i o no ft e s t v e h i c l e se x h a u s ta n di m p r o v et h el e v e lo ft e s ta n dd i a g n o s i s t h ec o n t r o l s y s t e m b a s e so nd o u b l e s i n g l e - c h i p b a s e d o nt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nk - l i n e 、o b d i ia n dt h ee c u , t h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l ew h i c hc a na c q u i r et h er o t a t es p e e di sd e s i g n e d b a s e do nt h er o t a t e s p e e d , t h er o t a t es p e e do fe n g i n ew h i c h i sc o n t r o l l e di sr e a l i z e da tt h es a m ei n p e r i o do ft i m e t h ed a t aw h i c h i st e s t e df o r me x h a u s ti sa c q u i r e da u t o m a t i c a l l y b yt h ea c q u i r e dm o d u l e t h em o d u l eo fr o t a t es p e e dc o n t r o l l e di sc o m p o s e do f s t e pm o t o ra n dg e a r i n g t h ed a t aa c q u i s i t i o ni sr e a l i z e db yt h ec o m m u n i c a t i o n w i t he x h a u s tg a sa n a l y z e r t h ea u t o m a t i ct e s ts y s t e mf o rt e s tv e h i c l e se x h a u s ti s d e v e l o p e db a s e do nt w o s p e e di d l e b e c a u s et h er o t a t e s p e e d i s a c q u i r e db yc o m m u n i c a t i o na n d i ti s i n d e t e r m i n a c yw h e nt h ed a t ai st r a n s m i t t e d , t h e r ei si n d e t e r m i n a c yt i m ed e l a yi n t h ec o n t r o ls y s t e m i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r o lq u a l i t y , i tp r o b e si n t ot h e c o n t r o lo ft i m e - d e l a ys y s t e m w h e nt h ed e l a yt i m ei ss h o r t ，i ta d o p t st h es m i t h p r e d i c t o r ；w h e n t h ed e l a yt i m ei st o o l o n g ，i tc h o o s e s t h ee x t r a p o l a t i o n d os o m e s i m u l a t i o n sb ym a t l a b ，t h e y p r o v et h a tt h ec o n t r o lm e t h o di sv e r ye f f e c t i v e l y i ti sp r o v e dt h es y s t e mw o r k i n gs t a b i l i t yb yt h ee x p e r i m e n t i tc a nc o n t r o l n t h er o t a t es p e e dw i t h i nc h i n e s es t a n d a r dr a n g ea n dk e e pt h et e s tt i m ea c c u r a t e l y t h er e s e a r c hg o a li sa c h i e v e d k e y w o r d s ：t w o - s p e e di d l e ；s t e pm o t o r ；o b d i i ；k l i n e ；t i m ed e l a y m 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知 识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研 究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人 为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均 已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：委属) 9 厶 加矿年月办日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 叼即时发布口解密后发布 _ 、 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名虢宇厶导师签名： 嘉另加眸厂月函日 广西大学硕士掌位论文基于双怠逮爱时t 车搏放自动嗣j 试囊。竞的研究 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着汽车工业的迅猛发展和汽车保有量的飞速增加，汽车排放污染已经成 为主要污染源之一，特别是在一些大型城市，机动车排放污染已经成为首要污染源，治 理汽车尾气的呼声日益强烈。点燃式发动机汽车排放污染物测量方法主要有双怠速测试 法和工况法。其中双怠速法是比较常用的一种测试方法。双怠速测试法是指当汽车发动 机转速处于高、低怠速时分别测试其废气( c o 、h c ) 含量的一种方法。它不仅可以作 为诊断汽车发动机故障的一种手段应用于汽车维修行业，而且还作为一种有效的检测手 段应用于汽车检测站。随着电喷技术的广泛使用，为了满足在用车年检、路检、维修保 养和故障诊断上的需要，而逐步采用了双怠速测量方法。该方法最早应用于美国的8 0 年代初，逐步替代原来的单怠速测试法。 我国在2 0 0 0 年之前对在用车排放标准采用的是单怠速法，由于其只规定测量h c 、 c o 的排放浓度，所以无法适应新车发展需要。为此，国家环保总局发布了环发 1 9 9 9 1 3 4 号文件“关于发布机动车排放污染防治技术政策的通知 ，通知规定“对安装了闭 环控制和三元催化净化系统，达到更加严格排放标准的车辆，应采用双怠速法控制，并 逐步以简易工况法代替。通知中还指出“2 0 0 0 年以后，新生产的轻型汽油车将逐步采 用闭环电喷和三元催化净化等技术，目前的单怠速检测方法难以满足这部分车辆进行排 放检测的需要。因此，在2 0 0 0 年以后，应尽快采用双怠速法检测，并检测空燃比控制 是否正常。为此，制定了双怠速测试方法和限值的国家标准 点燃式发动机汽车排放污 染物排放限值及测量方法( 双怠速法和工况法) ( g b l 8 2 8 5 2 0 0 5 ) 一【。自2 0 0 5 年始， 双怠速法排放限值及测量方法作为标准规定的基本方法已在全国范围内强制执行。 1 , 2 双怠速测试概述 1 2 1 双怠速概念 双怠速是指高、低怠速。低怠速工况指发动机无负载运转状态，即离合器处于结 合位置、变速器处于空档位置( 对于自动变速箱的车应处于“停车 和“p ”档位) ； 广西大学硕士掌位论文 基于双肩口毫事豸哼弋车捧放自动测试系兢的研究 采用化油器系统的车，阻风门应处于全开位置；油门踏板处于完全松开位置。高怠 速工况指满足上述( 除最后一项) 条件，用油门踏板将发动机转速温度控制在额定转 速的一半或制造厂技术文件中规定的高怠速转速时的工况。规定轻型汽车的高怠速转速 为2 4 0 0 2 6 0 0 r r a i n , 重型车的高怠速转速为1 7 0 0 1 9 0 0 r m i n ；如有特殊规定的，按照制造厂 技术文件中的高怠速转速 2 1 。 采用双怠速测试的优越性体现在： ( 1 ) 有助于判断化油器式汽油机过渡工况和低、中速运行工况是否正常，杜绝排 放检测中人为调节怠速混合气浓度现象： ( 2 ) 及时发现高排放车辆，并能提示车辆超标的原因所在； ( 3 ) 对于装备电喷和三元催化转化器的车辆，能够反映出各部分的工作状态是否 正常，同时高怠速工况能够加速三元催化转化器的起燃过程，正确反映车辆 的实际状态【1 1 。 1 2 2 双怠速测试程序 双怠速测试流程见图1 1 。第一步，做好前期准备工作( 如：将废气分析仪测试探 头插入排放管大于4 0 0 r a m 深处等) ；第二步，启动发动机并加速至7 0 额定转速 ( 3 4 0 0 3 6 0 0 r m i n ) ，热机3 0 s ；第三步，降低发动机转速至高怠速范围，先稳定1 5 s 再 测废气层份及含量3 0 s ；第四步，降低发动机转速至低怠速范围，亦先稳定1 5 s 再测废 气层份及含量3 0 s ；第五步，对高、低怠速时测试的值分别取平均值，即为测得结果【1 1 。 双怠速测试时注意事项： ( 1 ) 若为多排放管时，取各排放管测量结果的算术平均值作为测量结果； ( 2 ) 当车辆排放管长度小于测量深度时，应使用排放加长管； ( 3 ) 对单一燃料汽车，仅按燃用气体燃料进行排放检测；对两用燃料汽车，要求 两种燃料分别进行排放检测。 2 广。目大掌硕士掌位论文基于双怠速法汽车捧放自动测试勇。瓷的研究 准备- v 作 丫 启动发动机 丫 加速至7 0 额定转速 丫 热机3 0 s 丫 i 降低转速至高怠速 丫 稳定1 5 s 测3 0 s j 丫 i 降低转速至低怠速 丫 稳定1 5 s 狈9 3 0 s 丫 分析数据 图1 1 双怠速测试流程图 f i g 1 1t h ef l o wc h a r to f m e a s u r e m e mm e t h o d su n d e rt w o - s p e e di d l e 1 3 排放分析仪介绍 实验室的排放分析仪是广东佛山分析仪器厂生产的，其型号是f g a 4 0 0 0 系列四五 组份汽车排放分析仪。它是不分光红外线c o 和h c 汽车排放分析仪( 简称c o h c 分 析仪) 也是一种综合式分析仪。它是一种能够从汽车排放管中采集气样，对其中所含的 c o 和h c 浓度进行连续测量的仪器。在检测h c 浓度时，由于排放中h c 的成分有很 多种类，因此测得的是被测气体中h c 的正已烷当量浓度。c o 浓度则是直接测定的。 排放分析仪的功能强大，以下是在设计当中运用的部分功能【3 】。 ( 1 ) 双怠速测试功能 根据双怠速测试标准进行测试，并可自动判断测试结果是否达标，测试过程提示 清晰，步骤标准，操作简单。 ( 2 ) p c 机通讯功能 通过r s 2 3 2 串口与p c 机的通讯，进行软件升级。 1 4 研究该课题目标和意义 我国现行的汽车排放测量方法双怠速法操作主要依赖于人工，通过操作员手动控 3 广。西r 大聋明炙士掌位论文基于双肩l j 毫爿砖t 车捧放自动测试勇幻晓的研究 制发动机高、低怠速，因此存在许多不足之处如费工费时、怠速不稳、检测数据不 能自动采集等。因此，针对现行双怠速测试法操作中存在的一些不足，本文研制一个基 于双怠速测试法的汽车排放自动检测系统。 由前述双怠速测试程序可以知道，所设计的系统需要分时段精确控制发动机的转速 即按照图1 2 所示的时间段来控制发动机的转速，并在a 点和c 点分别启动排放分析仪， 而在b 和d 点采集排放分析仪的检测数据，最后将两次数据平均即可得到双怠速排放 检测结果。 n ( r m i n ) 3 5 0 0 2 5 0 0 8 0 0 o 3 04 57 5 9 0 1 2 0 t ( s ) 图1 2 双怠速测试过程及要求 f i g 1 - 2t h ep r o c e s sa n dr e q u e s to f t e s t i n gu n d e rt w o - s p e e di d l e 自改革开放以来，我国机动车数量迅速上升，已经成为城市空气污染的主要原因之 一。控制机动车排放污染的巨大需求与目前i m ( 检测维护) 过于薄弱的状态形成了鲜 明反差。国际经验证明，实施在用车的i m 制度，是控制在用车排放污染最经济有效的 手段。双怠速测试法就是其中有效的检测方式之一。 因此，研制该自动测试系统的意义不仅是可以改进汽车检测设备，降低人工劳动强 度，提高双怠速测试时的效率和精确度而且对提高我国的i m 水平和改善空气环境质量 都有很大的益处。 1 5 课题研究主要内容 根据1 4 节确定的研究目标，所研制的系统主要包括实现发动机高低怠速分段恒值 控制、排放检测数据的自动采集与传输两大功能。其中，按图1 2 实现发动机转速恒值 4 基于双怠逮法汽车排放自动测试系统的研究 控制是一个最关键的问题。考虑到在排放检测实际操作中，车主不可能接受汽车解体安 装速度传感器的做法。为此，本文提出通过与汽车电脑( e c u ) 通讯的方式获得发动机 转速从而实现发动机转速的控制。由于这种特殊的获得方式受到诸多因素的影响( 如 e c u 检测转速的时间、系统与e c u 通讯时间等) 使得转速存在不确定延迟。 因此，论文的研究主要围绕上述两大功能模块进行并构造出该系统的基本框架见图 1 3 。首先要研究如何与汽车e c u 通讯获取发动机转速，据此控制一定的执行装置和传 动机构实现发动机高、低怠速的控制。通常发动机转速是通过油门脚踏板改变节气门的 开度来实现控制；其次，要研究与排放分析仪通讯、控制及采集问题；最后，考虑到系 统要使用延迟不确定的信息控制发动机转速可能会带来的影响，针对不同的延时情况， 讨论几种合理的补偿延迟方案。 一1 一废气分析仪一 脚踏板 j 、岁 囊蓊= 7 毋 控制器一 上位机 图1 3 系统功能框图 f i g 1 3s y s t e mf u n c t i o nc h a r t 具体将论文的研究内容划分为六个部分： ( 1 ) 控制器与汽车e c u 的通讯与转速获取； ( 2 ) 步进电机的控制； ( 3 ) 与排放分析仪通讯、控制与数据传输； ( 4 ) 检测结果传输功能； ( 5 ) 实现步进电机改变加速踏板位置的机械传动装置设计； ( 6 ) 时滞问题影响及控制策略分析。 1 6 国内外概况 在西方国家中，最早是美国于1 9 8 1 年开始采用双怠速测试法，我国于2 0 0 5 年制定 釜 广西大学硕士掌位论丈 墓于双怠追法汽车搏放自动测试勇臼竞的研究 相关标准并全面付诸实施。现今，双怠速测试法在国内外都是经常使用的一种汽车排放 检测手段。但是，无论是国内还是国外都采用手工操作的方式。根据作者所检索的文献 表明，迄今还没有一套完整的基于双怠速汽车排放自动检测设备。因此，设计该自动测 试系统具有较强的现实意义，无论成功与否将是一次有意义的尝试。 1 7 本章小结 本章节首先简要介绍双怠速测试法相关概念和测试程序；其次简单说明实验室所用排放 分析仪的原理及部分功能；最后重点分析基于双怠速汽车排放自动测试系统目的、基本 组成、研究的主要内容及意义和国内概况。 6 广西大学啊炙士掌位论文| i 亏v 致肩曲毫法汽车：棒放自动测试习0 篦的研究 第二章自动测试系统总体方案设计 2 1 系统需求分析 根据第一章对研究主要内容的分析，该自动测试系统可依据功能划分为若干模块， 即与汽车e c u 通讯模块、与排放分析仪及上位机数据传递模块、发动机转速控制模块 ( 这里选用步进电机控制，故细分为电机控制模块和步进电机至脚踏板的动力传递模 块) 以及系统电源模块。功能模块划分框图如2 1 示。 图2 1 系统模块划分图 f i g 2 - 1s y s t e mm o d u l ed i v i d ec h a r t 在这些模块当中，传动模块属于机械设计部分；其余是电气模块，归属电气设计。 与汽车e c u 通讯模块需要了解有关汽车o b d i i 、k 线、通讯协议、通讯电缆及汽车e c u 的电气性能等方面的知识；步进电机控制模块需要掌握步进电机工作原理及正反转和转 矩控制方法；与排放分析仪通讯、控制与数据传输模块以及向p c 机传送该数据的模块 需要根据排放分析仪的通讯协议及常规的2 3 2 串口通讯协议来设计；电源模块应能满足 系统对电压和电流的需求，选用能够提供+ 5 v 和+ 1 2 v 电压，而且+ 1 2 v 的电压至少能提 供1 a 电流的稳压电源。 2 2 系统的总体设计方案 根据系统功能及需求分析，由于需求控制器的功能较多，譬如：既要实现与汽车 e c u 的通讯，又要控制步进电机；既要从排放分析仪读取数据，又要向上位机传输测试 7 基于双肩建法汽车撵放自动测试勇臼究的研究 结果，一个微处理器难以同时实现这些功能，故选用两个微处理器，其一负责通过通讯 电缆采集发动机转速信号，见图2 2 ；另一个负责步进电机的运动控制、同时负责与排 放分析仪和p c 通讯，见图2 3 ；两微处理器之间需要进行数据交换、协调工作，这里 采用双口r a m ( d t 7 0 0 5 芯片) 传递数据信息，见图2 - 4 ；步进电机的控制选用专用 驱动芯片t a 8 4 3 5 h 进行设计，见图2 5 ；为了实现通过电机的运动改变发动机转速这一 目的，设计了一个机械传动机构，见图2 - 6 ，该机构由齿轮、齿条、燕尾槽和支架组成， 其功能是将步进电机的圆周运动转换为脚踏板的往复运动，进而改变节气门的开度，最 终实现发动机转速有规律变化。 图2 - 2 汽车通讯模块 f i g 2 - 2a u t o m o b i l ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e 厂 控制器 、 图2 - 4 控制器组成 f i g 2 - 4c o n t r o l l e rc o m p o s e 厂数据传输模块 、 匦小匦酬匦蛩吲尾气分析仪 图2 - 3 数据传输模块 f i g 2 3d a t at r a n f e rm o d u l e 图2 5 步进电机控制模块 f i g 2 5s t e pm o t o r c o n t r o lm o d u l e 厂 传动模块、 步进电机卜_ 兰曼习_ 到脚踏板 7 2 3 微处理器的选用 图2 - 6 传动模块 f i g 2 - 6t r a n f e rm o d u l e 微处理器是整个控制系统的核心。在选择微处理器时，既要考虑微处理器能满足系 统的使用要求，又要考虑到系统制作的经济成本。在此自动测试系统中，选择单片微型 计算机作为整个系统的微处理器。 目前世界上最常用的单片微型计算机是m c s 5 1 系列的单片机。m c s 5 1 单片机内 8 广西大学硕士学位论文基于双肩口毫法汽车捧放自动测试系统的句阳宅 部结构如图2 7 所示【4 】。该设计的系统中，选用a t 8 9 s 5 2 型单片机。 a t 8 9 s 5 2 型单片机是一个低功耗，高性能的8 位c m o s 微控器，片内含8 kb y t e s i s p ( i n - s y s t e mp r o g r a m m a b l e ) l 拘反复擦写1 0 0 0 次的f l a s h 只读程序存储器，器件采用 a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准m c s 5 1 指令系统及8 0 c 5 1 引脚结构，芯片内集成了通用8 位中央处理器和i s pf l a s h 存储单元，功能强大的微型 计算机a t 8 9 s 5 2 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比解决方案。 图2 7m c s 5 1 单片机内部结构图 f i g 2 7l t a ei n n e rs t m a t 聪o fm c s 5 1 a t 8 9 s 5 2 型单片机具有如下技术特点：4 4 个引脚( p l c c 封装) ，8 kb y t e sf l a s h 片 内程序存储器，2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，3 2 个外部双向输入输出( i o ) 口，5 个中断优先级，2 层中断嵌套中断，2 个1 6 位可编程定时计数器，2 个全双工串 行通信口，看门狗( w d t ) 电路，片时钟振荡器。 a t m e l 的8 9 c 5 1 即a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 单片机是一款使用相当广泛的单片机。 为了更好的适应市场，作为单片机市场占有率第一的a t m e l 公司在a t 8 9 c 51 的基础上 增加了i s p 等许多功能，改进了工艺，降低了成本并停止了a t 8 9 c 5 1 的生产，用a t 8 9 s * 系列代替a t 8 9 c * 系列。8 9 s * 系列可以向下兼容8 9 c * 系列芯片。 8 9 s * 系列相对- 于8 9 c * 系列增加的新功能包括1 5 】： 1 i s p 在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序，不需要把芯 片从工作环境中剥离。这是一个功能强大的，极大方便开发和维护单片机系统。 9 g - 西大掌硕士掌位论文基于双怠速法汽车搏放自动测试习。晓的研究 8 9 s 5 系列的擦写次数可以达到上万次，数据保存时间大于1 0 年，这也降低了系统 的使用成本。 2 最高工作频率为3 3 m h z 。大家都知道8 9 c * 系列的极限工作频率是2 4 m h z ，就是说 8 9 s * 系列具有更高工作频率，从而具有了更快的速度。 3 具有片内双工u 触汀串行通道。 4 内部集成看门狗计时器，不需要像8 9 c * 系列那样外接看门狗计时器单元电路。 5 双数据指针使数据操作更加方便。 6 电源关闭标识。 7 全新的加密算法，这使得对8 9 s * 系列的解密变为不可能，程序的保密性大大加强， 这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 8 向下完全兼容5 1 全部子系列产品。如m c s 5 1 、8 9 c 5 1 等早期m c s 5 1 兼容产品。 9 8 9 s 5 x 系列电源范围宽达4 0 5 5 v ，而8 9 c 5 x 系列在低于4 8 v 和高于5 3 v 的时候 则无法正常工作。 2 4 本章小结 本章首先分析研制基于双怠速汽车排放自动测试系统的需求；其次着重论述本 系统的总体设计方案，并阐述各子模块的构成；最后确定选用微处理器类型。 1 0 广西大掌硕士学位论文墓亏。炙肩口毫法汽车捧放自动测试勇：统的研究 3 1 步进电机控制 第三章自动测试系统电路设计 步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移，即给一个脉 冲，步进电机就转一个角度，因此非常合适单片机控制，在非超载的情况下，电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，电机则转过一 个步距角，同时步进电机只有周期性误差，无累积误差，精度较高。 由于步进电机的众多优点，所以其应用越来越广泛，控制驱动要求越来越高。因而 国内外对此研究一直很活跃。完全由硬件实现控制发展到单片机实现控制，再到近几年 大量采用专用驱动芯片，结果是大大缩小驱动器的体积，明显提高了整机的性能。降低 了生产成本。t a 8 4 3 5 h 芯片就是其中一种。 3 1 1t a 8 4 3 5 h 芯片的介绍 t a 8 4 3 5 h 是东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，t a 8 4 3 5 h 可驱动二相步进电机，且电路简单，工作可靠。该芯片还具有以下特剧6 】： 工作电压范围宽( 1 0 v - 4 0 v ) ； 输出电流可达1 5 a ( 平均) 和2 5 a ( 峰值) ； 具有整步、半步、1 4 细分、l 8 细分运行方式可供选择； 采用脉宽调制式斩波驱动方式； ： 具有正反转控制功能； 带有复位和使能引脚； 可选择使用单时钟输入或双时钟输入。 3 1 2 步进电机的选择 油门踏板起始运动时由于惯性作用需求驱动力较大，经用弹簧秤测量知需求驱动力 约在3 5 4 5 l 【g 之间；在运动过程中由于加速踏板上的弹簧被逐渐拉长，故需要的力也 在逐渐加大，最大发生在额定转速的7 0 时，此时为4 8 k g 左右。根据需求的驱动力选 用常州双杰电子有限公司生产的5 7 b y g h 6 6 0 2 型4 相混合式步进电机，其主要技术参 广西大掌司e 士掌位论文基于双肩l j 毫亭芝砖t 车捧放自动测试勇0 瓷的研究 数如表3 1 示。 表3 15 7 b y g h 6 6 0 2 型4 相混合式步进电机主要技术参数表 步距角机身长电流电阻电感 1 8 。5 6 m m1 5 a3 2q5 4 m h 静力矩 定位力矩转动惯量引线数 重量 9 0 k g c m3 5 0 9 c m2 8 0 9 c m 2 6 5 9 0 9 5 7 b y g h 6 6 0 2 型4 相混合式步进电机的外形如图3 1 示，接线如图3 2 所示。 5 7 b y g h 6 6 0 2 型4 相混合式步进电机引出线有六条，对于四相六线的电机，中间抽 头的二根线可以悬空不接，其它四根线和驱动芯片相连。 5 1 6 n 一扣 o 呻 1 b o 口6 4 i f 4 一口5 2 、 图3 15 7 b y g h 6 6 0 2 型4 相混合式步进电机外形图 f i g 3 一l t h ef i g u r eo f 5 7 b y g h 6 6 0 2 聊es t e pm o t o r 3 1 3 电机控制硬件电路设计 r 挑 图3 - 25 7 b y g h 6 6 0 2 型4 相混合式步进 电机接线图 f i g 3 2t h ew u - i n gd i a g r a mo f5 7 b y g h 6 6 0 2 t y p es t e pm o t o r 系统设计如图3 3 所示，在本系统中采用a t $ 9 s 5 2 单片机和t a 8 4 3 5 h 驱动芯片。 其两者之间设有光电耦合器以隔离两个芯片之间的信号，防止产生干扰。系统包括 a t 8 9 s 5 2 单片机、t a 8 4 3 5 h 驱动芯片、光耦隔离及步迸电机。 单片机和驱动芯片电路设计 本系统采用a t 8 9 s 5 2 单片机产生控制信号。芯片内部r a m 和r o m 能满足本设计 的要求。控制步进电机的信号是通过a t 8 9 s 5 2 单片机p 1 2 一p 1 7 输出的具有时序的方 波，经光电耦合器传至t a 8 4 3 5 h 芯片的c k l 、c k 2 、c w 肥w w 、m 1 、m 2 和r e f i n 然后再控制步进电机。电路如图3 4 所示。 1 2 飞多三 正u一一塞 x l n 乩 忱 强 广西大掌硕士掌位论文基亏。双怠速爿日气车搏放自动测试勇0 晓的研究 a t 8 9 s 5 2 光电 t a 8 4 3 5 h 步进电机负载 隔离 图3 3 步进电机系统图 f i g 3 3t h es y s t e mo fs t e pm o t o rc h a r t 关于t a 8 4 3 5 h 驱动电路设计说明： 引脚m 1 、m 2 决定步进电机转动方式，此处工作1 8 模式( m 1 、m 2 接高电平) ， 减小低速时的振动，c w c w w 控制电机正反转动，c k l 、c k 2 时钟输入的最大频率不 能超过5 k h z ，控制时钟的频率即可控制电机转动的速率。r e f i n 决定n f a 和n f b 的 输出电压：当取值为1 时，输出0 8 v 当取值为0 时，输出0 5 v 。这两个引脚控制步进 电机输入电流，电流大小与n f 端外接电阻关系式为：i o = v r e f r n f 即r n f = v r e f i o 。本 设计选用的步进电机额定电流是1 5 a 。取r e f i n = i ，即v r e f = 0 8 v 。由公式计算 r _ - f - 4 ) 5 3 3 3 欧姆，实际选用o 5 欧姆的电阻。步进电机按两相双极性使用。四相电机按 两相使用时可以提高步进电机的输出转矩，r f 3 0 7 快恢复二极管用来泄放绕组电流。 步进电机控制电路 f i g 3 - 4c o n t r o lc i r c u i to fs t e pm o t o r 1 3 图3 - 4 广西大学硕士学位论文基亏；j 致肩瞄毫法汽车捧放自动测试勇0 晓的研究 3 2 双口r a m 的扩展 数据存储器用于存储现场采集的原始数据、运算结果等，以备将来对实验进行仿真 分析，所以外部数据存储器应能随机读写，通常由半导体静态随机存取存储器r a m 组 成。由于单片机是面向控制的，实际需要扩展容量不大。因此，一般采用静态r a m 较 方便。其优点是：与动态r a m 相比，静态r a m 无须考虑保持数据而设置刷新电路， 故扩展电路简单；缺点是：由于静态r a m 是通过有源电路来保持存储器中的数据，因 而要消耗较多的功率，价格也较高。为减少i o 的使用和简化电路故选择扩展静态r a m 。 常用的静态r a m 芯片有6 1 1 6 ( 2k 8 ) ，6 2 6 4 ( 8 k x 8 ) ，6 2 2 5 6 ( 3 2 k 8 ) 等，选择 6 2 2 5 6 芯片进行静态r a m 扩展、7 4 h c 5 7 3 进行地址锁存。因为该设计系统采用双c p u ， 故选用一种特殊的外存储器一双口r a m ( d t 7 0 0 58 k x 8 ) 。两个单片机之间通过双口 r a m ( m t 7 0 0 5 ) 进行协调工作和数据传送。 3 2 1i d t 7 0 0 5 特点和用法 i d t 7 0 0 5 是一种高速8 k 8 双口静态存储器。图3 5 为p l c c 6 8 引脚形式封装产品。 装置为两个独立串口提供分开控制手段，地址和i o 引脚，所以允许两者可以在不同时刻 对存储器内部任何空间进行读写操作。该芯片通过左右c e 引脚处于低电平分别使串口 使能。其工作方式有三种忉： 一搿b u s y 扫标志判断法 第5 0 和5 3 引脚分别是“b u s y r 和“b u s y l 一，当存储器的双串口同时对同一地 址访问时，它起到硬件指引作用。当一端口要进行读或写操作时，先判断另外一个引脚 的状态，当其处于“b u s y 状态时( 即读或写) ，等待其动作完成再操作；当其处于空 闲状态时，立即操作。其工作方式真值表见表3 2 。 1 4 广西大学硕士掌位论文基于双怠速法汽车搏放自动测试习0 究的研究 j l l i a e m 磊 g n d 雠露 b u b - y i t i n e 囊 o 毒 n 重钳唾静呈呈害要薹墨墨童置童童，- 图3 5 引脚封装结构 f i g 3 - 5p i nc o n f i g u r a t i o n ss t r u c t u r e 表3 2 真值表忙控制 i n p u t so u t p u t s a o l - a i z l 强砸 a o r - a1 2 毒1 百嘶 西匹雷7 h 1 f u r i c 憾o n xxn om a t c hhhn o r m a l 陪xm a t e h hhn o r m a l xhm a t c hhh n o r m a l llm a t c h t 2 位 v 镰一t eln h b i 耋 二“s e m a p h o r e s 一令牌指令法 “s e m a p h o r e s 令牌标志是通过软件设计将双口r a m 左、右任一个端口的优先级 设置为高。两个串口是独立的。这就意味着他们在读或写操作时功能是一致的，只有当 者的同时动作发生冲突时，才通过“s e m a p h o r e s 令牌指令法判断出优先权，然后依次 动作。这种功能通过双口r a m 使能引脚c e 和“s e m a p h o r e s 一使能引脚s e m 低电平自 动控制。其工作方式真值表见表3 3 。 表3 - 3 真值表s e m a p h o r e s 令牌读写控制 细刚t o u t p u t s 翟嘲 醒硼f o 耐m o d e h竹lld a t a o 岍r e a dhs e m a p h o r ef l a gd a t ao u t h xld a _ 限埘w z i t ei t o oi n t os e m a p h o r ef l a g lxxln o ta l l o w e d 三邮箱中断法 选用中断工作方式时，存储器为每个串口分一邮箱标志。在c e 、r w 为低电平情 况下，当右串口往1 f f e 地址写入数据后，左串口中断触发。当左串口将邮箱内的数据 读取后，其中断结束；在c e 、r w 为低电平情况下，当左串口往1 f f f 地址写入数据 1 5 广。西大掌硕士掌位论文墓亏”叉怠逮法汽车捧放自动测试勇0 毙的研究 后，右串口中断触发。当右串口将邮箱内的数据读取后，其中断结束。如果不选用中断 方式工作时，地址1 f f e 和1 f f f 不再作为邮箱标志位，而作为普通的随机存储空间。 中断工作方式真值表见表3 1 4 。 表3 4 真值表中断标志 “瞰p o r t r h t p o r t r 履强石a 矾a l雨t lr 糠霸袅石&a 住r 妇雨做f u n c 的n llx f f fxxxxxl 圆姒昀糙孤f l a g xxx x xxll1 砰下h 儡 r 鸭暇r 昭搬币i 矗同a 口 xxxxl 伽 ll x1 f f ex s e t 嗽丽f l 妁 xll1 f f e h 仍 x xxxx r 铭戚蜥丽r 叼 3 2 2 扩展电路设计 以汽车e c u 波特率为标准，微处理器选用2 0 m h z 晶振；复位电路选用4 7 1 l 2 5 v 电 容和1 0 k 电阻。本设计采用双口r a m 邮箱中断工作方式，将i d t 7 0 0 5 的n t l 、i n t r 和b u s y l 、b u s y r 分别与左c p u 和右c p u 的t l 和p 1 1 相连接；p 1 1 、s e m l 、 s e 凇接高电平，使之处于不使能状态；芯片使能引脚o e l 和o e r 接左、右单片机的 p 1 0 引脚；d t 7 0 0 5 的所有电源和地引脚必须接通；5 7 3 锁存器的d o d 7 接单片机的 p 0 0 p 0 7 ；d t 7 0 0 5 的a 0 - a 7 引脚接锁存器q 0 q 7 ，a 8 a 9 接单片机的p 2 0 p 2 4 ：c 引脚接微处理器脚；o c 接地；d t 7 0 0 5 的其余引脚不用，悬空或拉至高电平。电 路设计见附录1 。 3 3 接口通讯电路设计 3 3 1o b d 及k 线 与汽车通讯目的是提取发动机转速即数据流中代表转速的内容，针对实验室哈飞赛 马汽车就是数据流的第3 8 、3 9 字节。哈飞赛马汽车用的是m 7 电控发动机系统。其诊 断系统是o b d i i ，通信线路为k 线。 3 3 1 1 关于o b d 【1 5 1 【1 8 】【2 0 】 ( 1 ) o b d i i 的概念 o b d i i 是英文o n b o a r dd i a g n o s t i c s i i 的缩写，它是一个复杂的车载自动诊断系统。 这个系统将从发动机的运行状况随时监控汽车是否尾气超标，一旦超标，会马上发出警 示。当系统出现故障时，故障( m i l ) 灯或检查发动机( c h e c ke n 咖e ) 警告灯亮，同时动力 1 6 基于双扁j 毫法汽车排放自动测试勇0 院的研究 总成控制模块( p c m ) 将故障信息存入存储器，通过一定程序可以将故障代码从p c m 中 读出。根据故障码的提示，维修人员能迅速准确地确定故障的性质和部位。 ( 2 ) o b d 诞生的背景 o b d 系统诞生的最初目的是为了控制汽车尾气的排放。从1 9 7 0 年起，美国环保署 e p a 公布了一系列规章，以控制车辆尾气排放。为了达到这些规章的要求，各大汽车生 产商都开发了自己的o b d 系统用以控制发动机功能和诊断故障。最初各汽车制造商生 产的汽车所配置的o b d 系统没有统一标准，其故障诊断连接插座、故障代码、通讯协 议等都各不相同，给车辆故障诊断和维修带来了诸多不便。1 9 9 6 年，美国汽车工程师协 会s a e 、美国环保署e p a 、加州空气资源委员会c a r b 协调提出o b di i 的系列标准。 相对于第一代o b d 系统，o b d 系统的优越性体现在： 1 采用统一的数据通信协议； 2 采用统一的1 6 针故障诊断连接插座( d l c ) ； 3 采用统一定义的5 位故障代码( d t c ) 。例p 1 3 5 2 ，第一个英文字母代表被测控制 器，如p 代表发动机电脑控制器( p o w e r ) ，b 代表车身电脑控制器( b o d y ) ，c 代表底盘电 脑控制器( c h a s s i s ) ，第二个数字代表制造厂，第三个数字代表故障范围，最后两个数字 代表原厂故障码； 4 对随车诊断系统的诊断项目进行了扩充。o b d i i 的面世为不同汽车生产厂家生 产的汽车提供了统一的检测方法，使得我们只需要一台诊断仪，即可对各种车辆进行诊 断检测。 ( 3 ) o b d i i 系统的组成和工作原理 现代汽车上控制系统越来越多，各控制系统的核心e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t 电控 单元) 之间通过汽车总线共享和交流信息。o b di