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工程硕士论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 摘要 设计了套全新的可以消除目前铁路机务部门普遍采用的传统 式喷油泵试验台量油装置挥发误差、气泡误差、沉积误差及读数误差 的喷油泵试验台系统，整个系统采用集散型控制结构，系统的控制与 实验参数的检测完全采用微机处理。本文主要做了以下工作：首先对 喷油泵试验台系统的一个组件一喷油泵活塞式量油装置的硬件及软 件设计作了详细论述；其次对此系统的通信系统按照铁路机务部门检 修设备信息化的要求进行了设计：第三，对喷油泵活塞式量油装置的 实验数据进行了分析，并依据实验数据和活塞式喷油泵量油装置的原 理归纳出提高喷油泵活塞式量油装置测量精度的途径。 关键词：喷油泵试验台喷油泵通信活塞式量油装置 工程硕士论文 喷油泵试验台微机量油装置的研究 a b s t r a c t t h e r ea r ev o a t i l i z a t i o n e r r o r ，g a sb u b b l e se r r o r ，a g g r a d a t i o n e r r o ra n dr e a d i n ge r r o ri nt r a d i t i o n a ll o c o m o t v ed i e s e lp u m pe x p e r i m e n t e q u i p m e n t t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dan e wk i n do fp u m pt e s te q u i p m e n t f o rt h el a r g es i n g l e1 i n ed ie s e lf u e lj e ts y s t e m t h i sp u m pt e s te q u i p m e n t c a ne l i m i n a t et h e s ee r r o r s t h e e q u i p m e n ta d o p t s c o n c e n t r a t i v ea n d d i s t r i b u t i v ec o n t r o ls t r u c t u r e t h ec o n t r o lo ft h e e q u i p m e n ta n d t h e m e a s u r e m e n to ft h et e s t p a r a m e t e r a r e c o m p l e t e l y a c h i e y e d b y m i c r o c o m p u t e rs y s t e m a sar e s u l tt h ee q u i p m e n ti sr a d i c a l lyd i f f e r e n t f r o mf o r m e rp u m pt e s t e q u i p m e n t t h i sp a p e ri n c l u d e st h r e ep a r t s f i r s t l y ，i te x p l a i n sh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g no ft h ep o s i t i r ep i s t o nd i s p l a c e m e n tm e t e r i n gu n i ti ng r e a t d e t a i l s e c o n d l y ，i tt h o r o u g h l yn a r r a t e st h ec i r c u i to ft h ec o m n u n i c a t i o n u n i t f i n a l l y ， i t a n a l y s e s t h et e s td a t ao ft h ep o s i t i v ep i s t o n d i s p l a c e m e n tm e t e r i n gu n i t ，a n do nt h eb a s i so ft h et h e o r ya n dd a t a c o n c l u d e st h em e t h o do f i m p r o v i n gt h eq u a l i t y o ft h ep o s i t i v ep i s t o n d i s p l a e e m e n tm e t e r i n gu n i t k e y w o r d ：j e tp u m pt e s te q u i p m e n t ，j e tp u m p ，c o m m u n i c a t i o n ，p o s i t i r e p i s t o nd i s p l a c e m e n tm e t e r i n gu r l i t y 6 8 3 3 4 3 - 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名彳矽年，月，弓日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阕或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名) 啪年f 甥f j 日 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 1 绪论 1 1 喷油泵、喷油器测试设备国内外现状 1 1 1 国外现状 目前，国外喷油泵、喷油器的测试设备与当今迅猛发展的微电子技术、计算 机技术、自动控制技术以及信息技术密切结合，因此这类测试设备就具有自动化 程度高，测量精度高，数据的加工整理科学方便快捷等特点，大大提高了生产企 业、维修企业的产品质量、检修质量与生产效率，也可为喷油泵、喷油器的研发 部门提供准确、全面的测试数据。 喷油泵、喷油器的测试设备的使用范围不仅局限于研发部门、生产企业、维 修企业等专业部门，由于测试设备的体积越来越小，有的可以直接配备到各种内 燃机车上，对机车柴油机的供油过程进行实时监测。对于大中型柴油机来说，这 种实时监测意义非常重大，可以有效减少维修工作量，提高柴油机运行时的可靠 性，为铁路机务设备状态检测状态修提供了有效的技术保证。 目前在国外比较典型的产品是英国的h a 2 5 0 0 ，如图1 1 所示 图1 1h a 2 5 0 0 喷油泵试验台活塞龟油装置 三堡亟主堂焦迨塞 堕迪垂堕笙鱼塑垫量迪茎量塑婴塞 我国的北京南口机车车辆机械工厂、大连机车研究所在近期均引进了该产 品，该产品为克服传统的量筒式量油装置难以消除的剩浊误差、沉积误差、 弯液面读数误差及试验油的雾化、挥发误差采用了如图所示的一种新型量油 装置。在该装置中，喷油器在喷涌期内喷出的燃油经控制阀将活塞往下推离量 杯的零位。在活塞的下方保持有背压为0 2 m p a 的压缩空气，控制阀接受电 动转速表的指令，开闭流入量杯的燃油。注油完毕后，活塞在量杯中处于静 止状态，操作人员可以根据活塞上的红线读出量杯上的刻度。读数后，按复 零按钮，在活塞下方导入0 5 m p a 的压缩空气，将活塞推回量杯顶端。活塞 量杯装置是一个封闭系统，喷油泵的供油量全部在活塞上方，不存在沉积误 差，复位时可抹除量杯璧面上的燃油，不存在排油误差；操作人员根据活塞 红线读出数掘，没有弯液面误差；由于在活塞下方施加o 2 m p a 背压，足以 保证喷油在试验油中产生的气泡消失1 。 活塞量油装置虽比传统量油装置精度高，但还受操作人员读数和辨别量 杯刻度能力的限制，而且这种量油装置不适于微机自动测量。为此英国哈德 里奇公司最近又开发出了h a 3 0 0 0 喷油泵试验台量油系统，该量油系统如图 1 2 所示 图12h a 3 0 0 0 微机检测活塞式量油装置 一光学读数器2 一光栅尺 3 活塞油缸4 一温度传感器5 一电磁阀 6 一喷油器 7 一喷油泵8 、9 一光电转速传感器 l o 微机 1 1 - - 程示_ ； 12 一打印机 1 3 一电守阁 1 4 一风缸 1 5 一油箱 1 6 一电空阀 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 试验台喷油器喷出的燃油通过分流阀直接输回油箱或输入活塞油箱上 部。喷出的油根据预订次数向下推动活塞。活塞下部与一个光栅位移传感器 刚性连接，通过这一一传感器可测量活塞位移，同时该系统还对燃油温度进行 测量，以便将测试结果折算到规定温度下的燃油容积。由于光栅位移传感器 的分辨率高达1um ，因此该系统精度很高“3 。 1 1 2 国内现状 目前，国内喷油泵、喷油器的测试设备与国外相比差距很大，在铁路机务 部门基本上均采用量筒式量油装置，有如下特点： ( 1 ) 自动化程度低，由于很少与微电子、计算机、自拄技术相结合，大部分 工作需要人工操作完成。近几年，国内有的单位( 如大连机车研究所) 设计制造了 部分自动或半自动的测试设备，但是总体情况没有根本改变。 ( 2 ) 测试数掘误差大，一方面误差来源于测试设备，另一方面误差来源于人 为因素。 ( 3 ) 测试数据的加工整理手工完成，缺乏科学性，对于生产单位来说，很难 保证测试数据的客观性及产品的质量。 1 2 课题的提出 喷油泵是柴油机的心脏，它们的工作特性直接影响到柴油机的工作性能，而 柴油机喷油泵试验台是测试柴油机喷油泵工作特性的最为主要的设备，它广泛应 用于柴油机生产企业，柴油机的维修企业和柴油机供油系统的研发单位。传统的 喷油泵试验台大多存在以下问题： ( 1 ) 自动化程度低，智能性差，操作大多由手工完成，没有与当今迅猛发展 的微电子、自动控制技术结合起来。 2 ) 觏4 试的特性参数精度不高，难以满足科研工作的需要。 ( 3 ) 所测参数需由人工整理备案，效率较低，难以保证所测数据的准确性与 客观性。所有这些都制约了我国柴油机喷油泵的研制质量及生产维修水平， 针对以上柴油机喷油泵试验台存在的问题，在论文工作中开发了一种全新的 不同于传统喷油泵试验台量油装置的设计，通过这种设计，可以有效改变上 述问题。在这种情况下，大连机务段对该题目进行了立项开发。 1 3 新型柴油机喷油泵试验台的总体设计方案 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 柴油机喷油泵试验台的测试参数较多，考虑到功能的灵活性、扩充性及铁路 机务部门检修管理信息化的要求，采用了集散控制结构。系统共分三级：第一级 是集中管理级( 即上位机) ，系统操作员在这一级进行控制及操作，这一级可以 选用微机( 在恶劣环境f ，可选用工业控制机) ，并且此微机可连入局域网络， 作为一个工作站。这一级的软件可以根据情况白行编制。第二级是通信处理级， 它主要完成上位机与下位机的通信数捱的交换，通信数据包括上位机所发出的命 令及控制参数数据，下位机所测得的结果数据等。第三级是现场控制级( 即下位 机) ，它完成对柴油机喷油泵试验台的控制和喷油泵各种参数的测试工作。总体 框图如图1 3 所示。其中第三级的各模块可以单独构成测试系统，完成部分参数 的测试。以方便不同的用户使用。本文参考国外产品，对活塞式喷油泵量油装置 进行了总体设计，并对量油装置的测控系统、通信系统进行了软硬件设计，目前 这种活塞式喷油泵量油装置己在大连机务段现场使用。图1 4 、图l ，5 级为本课 题研制的量油系统。 图13 柴油机喷油泵试验台的总体结构 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 图1 4 喷油泵实验台微机量油装置 图1 5 喷油泵实验台 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 2 喷油泵试验台微机量油装置的硬件设计 本设计中喷油泵试验台微机量油装置采用量油活塞对被试喷油泵的喷 油量进行测量，因此也称为活塞式量油装嚣，其设计原理如下文所述。 2 1 活塞式喷油泵量油装置概述 活塞式喷油泵量油装置是一种新型的喷浊泵量浊装置，在设爿过程中借鉴了 国外同类产品的技术，该装置克服了传统的采用量筒进行训量的量油装置的固有 误差( 排油误差、沉积误差、弯液面读数误差、气泡、挥发误差等) ，并且由于 采用量油活塞计量、气动控制，并使用先进的高精度传感器，单片微机检测及控 制技术，从而使得测量过程完全实现了自动化，量油精度也大大提高。与传统量 油装置相比有了质的飞跃。 2 1 1 活塞式喷油泵量油装置的总体设计 活塞式喷油泵量油装置原理如图2 1 所示，油泵试验台l o 驱动被测试喷油泵 1 l 泵油，喷油器1 2 喷出的燃油经高压油管至电磁阀5 ，电磁阀5 控制燃油流入 油箱或流入测试油缸4 ，当燃油流入油缸4 时，则推动活塞向下移动。活塞与光 栅尺的光学读数器刚性连接，活塞的位移经光栅尺转变为电信号送入微机检测系 统，从而可以得到活塞的位移，油缸的直径不变，通过测量光栅尺的位移即可以 得到油缸内燃油的容积。装在油缸中的温度传感器用来测量燃油的温度从而可以 将燃油的体积修正为4 0 。c 时的体积，以利于在统一的标准状态下比较测得的喷 油泵泵油体积是否合乎要求。转速传感器9 用来确定喷油泵喷油次数及凸轮轴工 作转速。电磁阀7 用来控制高压空气是否进入风缸8 ，从而当测试完毕时，高压 空气进入风缸推动活塞上移，使活塞复位，阻便开始进行第二次测试。当测试系 统出现故障时，告警喇叭用来输出告警信息，这样可以保护设备不被损坏。 2 1 2 喷油量的计算 根据上面所述的喷油泵量油装置的原理，可以得到计算喷浊量的公式如下： v ：n d 2x h x m x kf 2 1 1 4 xn 在上式中，d 是油缸的直径，n 是测试时实际的喷油次数，h 是喷油为n 次的光 栅尺的位移，k 是温度修正系数，m 是需要的次数，m 值一般随着喷油泵类型 的不同而不同( 如内燃机车柴油机喷油泵按检修规程需测2 5 0 次) 。k 值按式( 2 2 ) 6 工程硕士学位论文 喷油泵试验台微机量油装置的研究 计算 高压空气 图2 1活塞式喷油泵量油装置 l 一光栅尺2 一光学读数器3 一油缸4 一温度传感器5 一电磁阀6 一微机监测控制系统 7 一电磁阀8 一风缸9 一凸轮轴转速传感器1 0 一油泵试验台1 1 一喷油泵1 2 一喷油器1 3 一放气阀1 4 一贮气风缸1 5 一调压阀1 6 一告警喇叭1 7 一行程开关 k ：【j 。+ ! 三二! 生( l k o ) 】女3 ( 2 2 ) c l c o 在上式中，x 是油缸中柴油的温度，e 1 和c o 是测试温度的样点值，取整数， k l 和k o 分别为对应。1 和c o 的柴油的膨胀系数，在喷油泵的油量标准中，一般按 4 0 。c 来计量，k 3 是4 0 时柴油的膨胀系数。 在式( 2 2 ) 中，x 值可以通过温度传感器测到，h 可以通过光栅尺测到，k 值可以通过查表计算得到，这样，按式( 2 1 ) 计算，就可以得到4 0 。c 时喷油泵 的喷油量。 2 1 3 活塞式喷油泵量油装置主要部件的选用 工程硕士学位论文 喷油泵试验台微机量油装置的研究 ( 1 ) 活塞油缸 活塞油缸的参数为内径为6 3m m ，活塞行程为1 5m i l l ，最低移动压力o 3 m d a ( 一般燃油喷射压力大于2 0m p a ) ，油缸耐压1 0 5 m p a ，工作压力7 m p a ，密封 材料是氟橡胶。此量油装置主要用来测量1 6 v 2 4 0 z j b 柴油机的喷油泵，根据铁 道部有关行业规范【2 6 ，此类喷油泵在大供油量工况即凸轮轴转速5 0 0 r m i n ，供油 齿条刻线为1 2 时供油量为3 7 5 5 m l 2 5 0 次。此油缸的最大容积为： v = 蒯2 4 = 3 1 4 1 5 9 2 6 6 3 2 1 5 0 4 = 4 6 7 5 8 6 7 9 6 6 ( m m 3 1 ( 2 ) 光栅位移传感器 光栅尺的参数决定了量油装置的测试精度，本量油装置采用了栅距为o 0 2 n l n l 的光栅尺，2 0 时在1 0 0 0m m 以内精度为0 0 1f i l m ，量程0 1 5 0m i l l ，光学读数 器输出信号为二路相位角差9 0 度的方波信号，信号幅值与t t l 电平兼容，所以 此光栅尺的分辨率可以达到r u m 。理论上说容积的分辨率即可达到： a v = 刃2 a h 4 = 3 1 4 1 5 9 2 6 x 6 3 2x 0 0 0 5 4 = 1 5 5 8 6 ( m m 3 1 大约为1 6 v 2 4 0 z j b 柴油机喷油泵最大工况时每次喷油量的1 ，完全可以满 足机务段检修工作要求。 ( 3 ) 温度传感器 温度传感器用来测量油缸内燃油的温度，以便进行容积修丁f 。本测试装置选 用了a d 5 9 0 半导体温度传感器，选用了电压一频率转换电路，将+ o + 1 0 0 的温度信号线性地变为0 - 1 0 k h z 的频率信号，理论上温度的测试精度可以达到 o 0 1 ，温度测试范围为+ o + 1 0 0 ，完全可以满足要求。 ( 4 ) 转速传感器 本装置的转速传感器选择较灵活，根据量油装置不同的应用场合，既可以选 择磁电式传感器，也可以选择光电式传感器。当转速信号的分辨率要求较高时( 即 需要较高的角位移分辨率) 应选用光电传感器；反之，可以选用价格较低廉的磁 电式传感器，此两种传感对油量的测量精度影响不是很大。 2 1 4 电路中的抗干扰措施 由于喷油泵量油装置工作于很强的电磁干扰环境中，干扰源一般有电机( 启 动时有很强的干扰) ，变频器( 对于采用变频调速的喷油泵试验台) ，各种电磁阀 ( 本量油装置就有控制高压油路与高压气路的电磁阀，它们在断开与吸合时将产 r 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 生很强的电磁干扰) 。与保证电路正常工作，必须采取抗干扰措施。在电路的设 计中，采用了光电耦和器及电源隔离等措施来消除前向通道和后向通道所带来的 干扰。 具体措施如下： ( 1 ) 测控系统输入电源采用线路滤波器，该滤波器可以预防交流电源线传 来的外来噪声。对于共模噪声，滤波器在电源线和地线间构成通路， 可以把噪声电流引入大地；对于常模噪声，滤波器在线间构成回路， 将噪声电流在线间短路，使其不影响电路工作 ( 2 ) 输入测控电路的所有信号均经过光电隔离 ( 3 ) 单片机测控电路采用电源监控器 ( 4 ) 单片机对于电磁阀的控制是通过光电耦合器完成 ( 5 ) 采用i i 型滤波器抑制设备因采用开关电源而产生的电源噪声 2 2 活塞式喷油泵量油装置硬件设计 2 2 1 前向通道( 检测板) 的设计 由2 1 节所介绍的此量油装置的工作原理可知，此量油装置需要检测的参数 及信号有四个：1 、光栅尺位移信号。2 、油缸内燃油的温度信号。3 、凸轮轴的 转速信号。4 、行程开关的状态信号( 用来保护光栅尺读数头，油缸、气缸等， 在发生故障时不至于损坏) 。下面对此四个信号的测量硬件分别说明如下。此部 分电路参照附图。 ( 1 ) 光栅尺位移信号 此装置的光栅尺选用了中科院长春光机所制作的s g c 系列的光栅尺，由于 此装置的光栅尺输出信号与t t l 电平兼容的，所以只需将光栅尺输出的信号进 行整形，光电隔离即可。光栅尺共输出三种信号，z 信号，a 信号和b 信号，z 信号是光栅尺的绝对零点信号，a 、b 两路信号为相位相差9 0 度的方波信号， 对应于光栅尺的位移。此外光栅尺还需+ 5 v 的电源，由5 s 5 d c d c 变换器提供。 7 4 h c 0 4 ( c 1 3 ) 用来对光栅尺输出的信号进行整形和驱动，其输出直接驱动6 n 1 3 7 具有速度快的优点，可以减小在电光，光电转换过程中出现的延迟误差而造成 的计数不准。 ( 2 ) 测量油缸内燃油的温度信号 9 工程硕士学位论文 喷油泵试验台微机量油装置的研究 此部分电路的作用是将0 1 0 0 变化的温度信号线性地变为由 0 k h z - 1 0 k h z 变化的频率信号。温度传感器选用a d 5 9 0 半导体温度传感器，当 温度变化1 时，a d 5 9 0 的电流变化为1 u a ，调整电位器p 8 ，使r l 、p 8 的总电 阻为1 0 k ，则运放7 4 1 ( u 2 ) 的6 脚输出的信号电压变化为1 0 m v 。当0 。c 时， u 2 运放的6 脚输出的信号电压为2 7 3 2 v ，调整电位器p 7 ，使此时运放u 3 的6 脚输出为0 v ，1 2 v 稳压管z 1 提供一1 2 v 的电压，运放u 4 的作用是将信号放大 1 0 倍，这样当温度由o 一l o o 变化时，即可以得到由0 v - 1 0 v 变化的电信号。 电压一频率变换电路选用了青岛晶体管研究所生产的q d 4 5 6 ( u 1 ) ，它可以将 0 v - 1 0 v 的电压信号线性的转换为0 k h z 1 0k h z 的频率信号，可变电阻p 5 与p 6 分别用来调0 和调满度。q d 4 5 6 输出的电平与t t l 电平兼容。7 4 l s 0 7 ( u 5 ) 集电极开路门用来作为输出驱动。 ( 3 ) 凸轮轴的转速信号 此部分电路的功能是为量油装置提供喷油次数级转速测量信号，设计是分别 考虑了磁电转速传感器和光栅角位移传感器两种情况，本装置选用光栅角位移传 感器作为转速传感器。此两部分电路如图2 4 所示。 a 采用磁电式转速传感器 磁电转速信号先经过r 9 和c 2 所组成的一阶低通电路，以消除高频的干扰 信号，然后经过由运放l m 3 2 4 ( u 1 1 ) 构成的跟随器，进行阻抗匹配与电压跟随， 再把此信号与一个基准电压做比较，此基准电压可以通过电位器p 9 来调整，从 而得到一个矩形脉冲信号，据此信号就可以推算出凸轮轴的转速。6 n 1 3 7 ( u 6 ) 作为光电隔离器件，以消除干扰。 b 采用光栅角位移传感器 在我们的装置中，选用了中科院长春光机所生产的z g 7 0 型增量式光电编码 器。在试验中，选用了每转2 0 0 0 个脉冲的编码器，对1 6 v 2 4 0 z j b 型内燃机车b 型喷油泵进行了试验，试验表明，电路可以达到要求，此部分电路与光栅尺部分 电路相同。 ( 4 ) 行程开关的状态信号 此电路的功能是提供油缸活塞行程的下止点的信号，为一状态信号。当发生 硬件或软件故障时，有可能发生喷油泵泵出的柴油超出油缸的容积，此时可以造 成油缸、气缸、固定支架和光栅尺等重要部件的损坏。为此在固定支架的底部安 1 0 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 装一行程开关，当油缸活塞到达油缸末端时，行程丌关打丌。检测系统可以检测 到这一信号，然后控制量油活塞强制排油并控制喷油器喷出的燃油直接回到油 箱，停止此次测试。此部分电路由一片6 n 1 3 7 ( u 1 6 ) 构成，丌关的工作电源由 5 s 5 d c d c 变换器提供。这样，6 n 1 3 7 ( u 1 6 ) 就可以为微处理器板提供0 v 或 5 v 的逻辑电平信号。 2 2 2 后向通道( 控制板) 的设计 由2 1 节介绍的活塞式量油装置的原理可知，目前，本量油装置要控制三个 输出，控制高压油路的电磁阀，控制高压空气的电磁阀和告警音输出。在本量油 装置中电磁阀均选用了2 2 0 v 电磁阀，告警喇叭也选用了2 2 0 v 输入的嗽叭。所 以只需设计三个一样的电路即可。电路如附图所示，电路选用了由过零触发晶闸 管驱动型光电耦合器m o c 3 0 4 1 即作为光电隔离器件，用来将微处理器板和控制 板电气隔离。同时还作为双向可控硅的驱动。与双向可控硅并联的电阻的电容用 来保护双向可控硅不被损坏，双向可控硅控制端的电阻用来防止双向可控硅误导 通。多出的一路作为备用。 2 2 3 微处理器板的设计 在本装置中，微处理器板主要有如下几个功能： ( 】) 接收键盘输入的参数 ( 2 ) 测量凸轮轴转速、油缸中柴油的温度、行程开关和光栅尺的位移信号 ( 3 ) 驱动控制板 ( 4 ) 测量结果的显示 ( 5 ) 测量结果的打印 ( 6 ) 与上位机的通信，接受操作指令，并传输测量数据 a 馓处理器与r a m 和r o m 扩展电路 微处理器选用了m c s 5 1 系列的a t 8 9 c 5 2 ( u 1 ) 芯片，它片内有8 k 的 e e p r o m ，为程序的存放区，r a m 选用了8 k 的6 2 6 4c u 2 ) 静态r a m 芯片作 为扩展，用来作为程序的中间数据及最后的结果存放区。7 4 l s 3 7 3 ( u 5 ) 作为 a t 8 9 c 5 2 低8 位地址的锁存器，7 4 l s l 3 8 ( u 7 ) 译码器的c s 0 信号作为r a m 的 片选信号，地址范围为0 0 0 0 h 一1 f f f h 。 b 上电复位与手动复位电路 工程硕士学位论文 喷油泵试验台微机量油装置的研究 此部分电路是为整个系统提供个上电复位与手动复位的信号，需要此信号 的芯片有a t 8 9 c 5 2 ( u 1 ) 、8 2 5 5 ( u 6 ) 和8 1 5 5 ( u 8 ) 、电路由c 1 、c 2 、r l 、c 3 和7 4 h c t l 4 ( u 1 7 ) 纽成，u 1 7 的2 脚r s t 为复位信号，r e s e t 和g n d 间外 接一个复位开关，作为手动复位按钮。 c 键盘电路 在本装置中，采用了一个4 x 4 的键盘石来输a n 试所需的参数。键盘采用 、 、 图2 2 行列式键盘示意图 了行列式键盘，为此需要4 条行线与4 条列线，采用并行e l 扩展芯片8 1 5 5 ( u 8 ) 的p a 0 - p a 3 ，p b 0 p b 3 来完成此功能。8 1 5 5 ( u 8 ) 的片选信号是译码器7 4 l s l 3 8 ( u 7 ) 的c s 2 ，a l e 接到单片机a t 8 9 c 5 2 的a l e ，数据地址线与a t 8 9 c 5 2 的 p o 口赢接相连。所以p a 口的地址是4 0 0 l h ，p c 口的地址是4 0 0 3 h ，原理如图 2 2 所示，通过扫锚，可以确定按下的按键，键盘1 6 个键分别是0 、l 、2 、3 、4 、 5 、6 、778 ，9 、a ，b ，c ，d 、e ? f 。 d 。控制扳的驱动电路 此部分电路的作用是为控制板提供驱动，控制板上的m o c 3 0 4 1 的额定工作 电流为1 5 m a ，一般的芯片很难满足需要，所以选用了m c l 4 1 3 芯片( u 2 0 ，8 重达林顿集电极开路门) ，输出口选用了一片7 4 l s 3 7 7 ( u 1 9 ，8 d 上升沿触发器) ， 使能端e 接c s 3 信号，所以此输出口的地址为6 0 0 0 h 7 f f f h 。 e 检测电路 在检测板与微处理器板之间设有一级的光电隔离器件，所有检测量均先经光 电隔离后再接入微处理板，光电隔离器件均由6 n 1 3 7 构成，6 n 1 3 7 之后接 7 4 h c t l 4 ( u 4 和u 1 7 ) 进行整形，最后送入单片机a t 8 9 c 5 2 进行检测，现将主 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 要的信号的具体连接关系做成表2 1 。 f 速度、温度及油量显示电路 速度，温度的显示电路相同，原理图如附图所示，速度、温度及油量的显示 均采用5 个8 段l e d 数码管，考虑到方便，采用了串行电路，串并转换选用了 7 4 l s l 6 4 ( 移位寄存器) 芯片，速度、温度的检测用了一片单片机，以便于实时 显示。 油量的显示与速度，温度的显示大同小异，原理图如附图所示，不同之处在 于又增加了一片7 4 l s l 6 4 ( u 7 ) ，以控制l e d 发光二极管，用于油量单位的指示， c l k 信号是8 1 5 5 ( u 8 ) 的p b 0 ，d a t a 信号是8 1 5 5 ( u 8 ) 的p a 7 。使用时将数 据逐位送入8 1 5 5 ( u 8 ) 的p a 7 ，再将p b 0 雹为高电平，后置为低电平，这样一 来数据就会逐位送入7 4 l s 16 4 ，从而完成显示。 表2i微机测量系统检测信号一览表 信号名称信号意义送入a t 8 9 c 5 2 的引脚 y w 温度信号 t 0 脚 z s a转速信号p t o g 脚 z s a ，n 转速信号的n 分频p 1 1 t 脚 g s c a光栅尺的a 路信号p 1 2 脚 g s c b 光栅尺的b 路信号 p 13 脚 g s c z光栅尺的零点信号p 1 4 脚 x c k g行程开关p 1 7 脚 z s z转速信号的起始点信号i n t 0 脚 g 通信电路 a t 8 9 c 5 2 内部有一个异步通信口，当工作于方式l 或3 波特率可以通过编 程改变，为方便波特率及方式的选择，设有8 位的拨码开关( u 2 2 ) ，用以设定 波特率。为读取拨码开关的位置，用一片7 4 l s 2 4 4 ( u 2 1 ) 扩展了个输入口， c s 4 作为7 4 l s 2 4 4 的使能信号，所以输入口的地址为：8 0 0 0 h 9 f f f h 。通信采用 了r s 2 3 2 的电平，所以电平转换电路选用了一片i c l 2 3 2 芯片以完成电平转换。 h 打印电路 本装置设有一台面板式微型打印机，用来将测得的数据打印出来备案，微型 l 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 打印机选用了西安市呼兴新技术研究所生产的k p 系列面板式微型打印机，为了 与此打印机连，扩展了一片8 2 5 5 ( u 6 ) 芯片，片选用c s i 信号，8 2 5 5 的地址为： 2 0 0 0 h 一3 f f f h ，电路如附图所示。8 2 5 5 的p b 0 一p b 7 用作8 位的半行数据线，c t l 信号作为打印机的电源控制，b u s y 信号足打印机的状态信号，s t b 信号用来将 数据打入打印机，a c k 是打印机的回答信号。 i a t 8 9 c 5 2 片外存储器的使用 最后，将a t 8 9 c 5 2 的片外存储器使用情况归纳成表2 2 ，以方便参阅： 表2 2a t 8 9 c 5 2 应用系统外部存储器空间分配一览 地址使用情况 0 1 f f f h片外r a m 区 2 0 0 0 h8 2 5 5 的p a 口 2 0 0 l h8 2 5 5 的p b 口 2 0 0 2 h8 2 5 5 的p c 口 2 0 0 3 h8 2 5 5 的命令口 4 0 0 0 h 8 1 5 5 的命令口 4 0 0 l h8 1 5 5 的p a 口 4 0 0 2 ：h8 1 5 5 的p b 口 4 0 0 3 h8 1 5 5 的p c 口 4 0 0 4 h8 1 5 5 的计数器低8 位地址 4 0 0 5 h8 1 5 5 的计数器高6 位地址 6 0 0 0 h 控制板驱动地址 8 0 0 c i h拨码开关地址 4 工程硕士学位论文 喷油泵试验台微机量油装置的研究 3 喷油泵量油装置测试软件设计 按照软件- t 程设计方法，进行了系统测控软件的设计。 3 1 软件的需求分析 3 1 1 软件的功能需求 通过对喷油泵量油装置的原理的分析可知，软件的功能就是在测试前对由键 盘输入的喷油泵测试参数进行处理，以便完成测试；在测试时将相应传感器的信 号进行检测并对检测结果进行处理，然后输出( 包括显示输出，打印输出和对卜 位机结果数据的输出) 测试结果，同时，在量油装置发生故障时，输出故障告警 信号，并控制量油装置的气动回路及喷出燃油的流向。具体内容如下： 检测量包括： n 1 在进行喷油量测试时的凸轮轴的转速； ( 2 ) 进行喷油量测试时的柴油的温度； ( 3 ) 在计量期内光栅尺的位移； ( 4 ) 在进行喷油量测试时，随时监视行程开关的状态。 输出量包括： ( 1 ) 将测试结果进行显示输出： ( 2 ) 将测试结果通过面板式打印机打印输出； ( 3 ) 将测试结果通过r s 2 3 21 5 向上位机输出： ( 4 ) 告警信号目前通过告警喇叭输出。 ( 5 ) 量油装置油路及气动回路的电磁阀控制信号 其中测试结果有下面几种： ( 1 、喷油量测试时的凸轮轴的转速： ( 2 ) 在给定喷油次数情况下的喷油泵的喷油量； ( 3 ) 喷油量测试时的柴油的温度； ( 4 ) 喷油泵试验台凸轮轴转速的瞬时速度( 用来衡量喷油泵试验台的性能) 。 3 1 2 软件的数据和加工处理的分析 根据对软件功能以上的需求，采用结构化分析方法来对此软件进行分析，得 到此软件的数据及信号流图如图3 1 所示。 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 图3 1 整个软件的数据流图 1 、原始试验参数2 、转换的试验参数3 、各种传感器信号4 、实际喷油次数5 、 测试结果6 、打印结果数据7 、通信结果数据8 、显示结果数据9 、打印数据1 0 、通 信数据1 1 、显示数据 下面对数据流及所需的各种处理做一分析： ( 1 ) 数据流 a 原始试验参数 用来作为试验的参数和作为输出结果数据的一部分，由试验员手工输入，数 据的内容结构如图3 2 所示。 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 每 原始试验参数丁篓。暑 图3 2 原始试验参数数据结构 b 转换后的试验参数 数据内容及结构与原始试验参数相同，只是格式已被转化为计算机的存储格 式，如图3 3 所示。 r年( 字符串1 4 ) l r 日期 月( 字符串1 - 2 ) jl目( 字符串1 - 2 ) l 转换后试验参数l 泵号( 字符串1 1 0 ) 实际喷油次数( 整数卜2 0 0 ) 泵类型( 整数o 一3 ) 图3 3 转换后的试验参数数据结构 c 传感器的数据 r 温度传感器的信号( 频率信号) 传感器的数据j 转速传感器的信号( 频率信号) l 光栅尺传感器的信号( 状态信号) 。 行程开关的信号( 状态信号) 图3 4传感器数据的数据结构 来自于传感器，由检测程序进行处理，数据内容和结构如图3 4 所示： d 实际喷油次数： 此数据用来控制被测试的喷油泵的喷油次数，由检测程序从内存中取出，以 配合检测程序进行测试。 e 测试结果数据： 此数据是对喷油泵测试的结果数据，由检测及计算程序得到，放进内存的固 f 7 壁堡主堂笪堡塞 堕迪垂堕坠鱼丝塑量迪矍量盟婴塞 定区域，以进行输出处理，数据结构如图3 5 所示； r 喷油泵的喷油量( 单精度) 测试结果数据温度( 单精度) l凸轮轴的转速( 单精度) 、 凸轮轴的瞬时速度( 单精度) 图3 5 测试结果的数据结构 f - 打印结果数据： 此数据为喷油泵测试的结果数据，存储于内存中，供打印程序调用，数据结 构如图3 6 所示： r 年( 字符串) r 日期1 月( 字符串) 1日( 字符串) 打印结果数据泵号( 字符串) l f喷油量( 字符串) l l 转速( 字符串) 图3 6 打印结果数据的数据结构 g 显示结果数据： 此数据为被测试喷油泵的喷油量和泵类型数据，存储于内存中，供显示程序 调用，数据结构如图3 7 所示： r 喷油量( 单精度) 显示结果数据 i l 喷油泵类型( 整数) 图3 7 显示结果数据结构 f - 通信结果数据： 此数据为喷油泵测试的结果数据，存储于内存中，供通信程序通信时调用， 数据结构如图3 ，8 所示： 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 r 喷油泵油量 i 通信结果数据i凸轮轴平均转速 l柴油的温度 l 凸轮轴的瞬时转速 图3 8 通信结果的数据结构 g 打印数据、通信数据和显示数据： 此三部分数据内容与上述后三类数据相同，只是须将数据的格式分别处理成 与输出硬件相匹配的格式。 ( 2 ) 加工处理 卜面对整修软件所需的加工处理做功能的描述： a 键盘处理： 此部分构件的功能是将试验员的按键信号转变为相应的试验命令和试验参 数。 b 检测和计算： 此部分软件的功能有两个；一个是对各种传感器的信号进行检测，进而转变 为数据量，另一个是对检测得到的数据进行计算和码制的转变，得到最终结果。 c 通信处理： 此部分软件的功能是将试验得到的最终结果通过通信口向上位机报告，以便 对试验数据进行进一步的处理。 d 打印处理： 此部分软件的功能是将试验得到的最终结果通过打印机打印出来，以便对试 验结果备案。 e 显示处理： 此部分软件的功能是将试验得到的最终结果通过显示电路显示出来，以便试 验员对试验结果进行随时监视。 3 2 软件设计 在这一节里，将根据3 ，l 节所做的软件的需求分析，来对整个软件做详细的 设计，整个软件的设计均按照模块化设计思想，按照自顶向下，逐步细化的原则 以来进行。 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 3 2 1 软件系统结构的总体设计 对第一节软件的数据流图进行抽象，得到整个软件的结构图如图3 , 9 所示， 在图中，方框代表软件的功能模块，箭头代表模块f 日j 的调用关系，下面分别对每 一个模块进行详细设计。 3 2 2 键盘处理模块 此模块位于系统结构图的最顶层，对其他模块起着协调和调度作用，此模块 由键盘的定时扫描模块和对按键的命令解释模块组成，模块的结构如图3 ，1 0 所 示。定时扫描模块负责对键盘进行扫描，并把键盘的扫描结果送给命令解释模块， 命令解释模块对扫描结果进行分析，进一步来调用其他模块。 图3 9软件的系统结构图 ( 1 ) 键盘的定时扫描模块： 定时时间选用1 0 m s ，定时器选用a t 8 9 c 5 2 的定时器2 ，采用中断方式。其 处理过程如图3 ，1 1 所示。k e yr d y 是键盘缓冲区满标志，为1 时为满，k e y b u f 是键盘的缓冲区，占用一个字节。 ( 2 ) 命令解释模块： 此模块的处理过程中图3 1 2 所示。图中t i m eo v e r 标志用来进行自动测试， 此标志在定时扫描程序中进行置位，目前定时时间为l o 秒。 工程硕士学位论文 喷油泵试验台微机量油装置的研究 一一 其他 ： 模块 键 i 相 ! i 命令解释 盘 j l l 上蓑 块 定时扫描 图3 1 0 键盘处理模块结构图 3 2 3 试验参数处理模块 此模块对试验员输入的试验参数进行存储和码制转换等处理，以方便其他模 块调用。模块结构如图3 1 3 所示。在图中，虚线箭头表示内部模块间的状念转 移次序，实线箭头代表调用关系。年，月，日，泵号，泵类型，测试次数模块的 处理过程与上一个模块中的命令解释的模块基本相同。码制转换是将a s c 码变 为整数( 对于泵类型和测试次数) 。 3 2 4 检测计算模块 此模块的作用最为重要，是喷油泵量油装置软件的核心部分。他的功能是对 量油装置的各种传感器的信号进行检测，把它们变成数据量，然后按照第二章的 式( 2 1 ) 计算，最后得到喷油泵的测试结果数据。此模块结构如图( 3 。1 4 ) 所示。 ( 1 ) 凸轮轴速度检测： 凸轮轴的平均转速采用下式计算： 凸轮轴转速矿= 圈数n n 圈时阳 ( 3 1 ) 为此，需测量圈数n 和时间t 。在本系统中，圈数n 的测量用a t 8 9 c 5 2 的 t 2 ，工作于科数方式，时间t 的测量用a t 8 9 c 5 2 的t o ，工作于定时方式。 工程硕士学位论文 喷油泵试验台微机量油装置的研究 图3 1 1 定时扫描程序流程图 ( 2 ) 油缸中柴油机的温度检测： 出于柴油的体积与温度关系密切，温度的精确与否直接影响试验的测试结 果。在本系统中，为提高油缸内柴油温度的检测精度。采用查表插值的办法来进 行。首先，在系统只读存储器中开辟1 0 0 个单元，用来存储0 到1 0 0 的事先 校准的频率数据，在测量过程中，用测到的温度频率数据进行查表插值计算，插 值采用线性插值。计算公式如下： 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 柴油温度c = c n + 嚣 ( 3 2 ) 图3 1 2 命令解释流程图 在上式中fw 是测量的柴油频率，f n 和f n + l 是插值样点，并取温度为整数时的 值，它们问的关系：f n f 测 3 0 次时才能得到较理想的 数据。 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 5 3 改进量油装置的测试精度的方法 由上面的分析可以看出，误差的来源根本在于前三个方面，在本量油装置中， 油缸真径的加丁误差d l o u m ，所以由直径带来的误差v d 2 4 7 7 4 ( r a m 3 ) ，柴油温 度的测量误差t 0 ，1 ，所以由温度所带来的误差a y t 1 5 5 8 6 2 ( m m l ) 。光栅尺的测量误差的原因可能来 自两个方面：a 、来自于光栅尺的震动，当供油量较大时，震动越厉害，此种原 因可以通过第一节的图5 4 、图5 5 的对比看出。b 、来自于光栅尺附近的电磁 干扰信号，光栅尺工作于复杂的电磁环境中，电磁干扰信号很可能对光栅尺的计 数造成干扰，但这种情况不容易验证。总之，要想本量油装置的质量更加出众， 关键是如何提高光栅尺的测量精度。 工程硕士学位论文喷油泵试验台微机量油装置的研究 6 结论 本人进行了活塞式量油装置的研究1 作，设计了活塞式量油装置的软件和硬 件，并按照铁路机务部门检修设备信息化的要求开发了通信系统。 6 1 在硬件方面 ( 1 ) 在量油装置的设计中采用光电隔离器件，增强了系统的可靠性。 ( 2 ) 与一般喷油泵试验台相比增加了凸轮轴的瞬时速度测试电路，使测试数 据更加全面。 ( 3 ) 增设了通信接口，使测试数据可以通过通信接口输出，从而可以和其它 模块组合