（电气工程专业论文）便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装置研究.pdf

璺! 坐! ! ! 坠! ! 堡! 堕! ! 塑! ! 兰竺2 1 1 型! ! 垄! ：! ! ! ! 翌! ! 竖! ! 皇型! 坠竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ：翌! 塑 s t u d y o nt h ep o f a b l ed i a g n o s e a p p a r a t u sf o rl o c o m o t i v ed i e s e le n g i n e c o m b u s t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h ei n s p e c t i n ga n dd i a g n o s i n gt e c h n i q u eo nt h e1 0 c o m o t i v e d i e s e le n g i n ec o m b u s t i o ns y s t e mi sm s c u s s e di n t h i sp a p e r ，t 1 1 e h a r d w a r eo fd i a g n o s i n g 印p a r a t u sa r em a d eu po fm i c r o p r o c e s s o r ， i n p u ta 1 1 do u t p u tc i r c u i t ，s e n s o r ，d i s p l a ya n de l s ei n t e r f 如ec i r c u i t e t c ，t e s t i n g 白u l tc o n t e n t s ，d i a g n o s i n gf a u i tm e m o d sa 1 1 da n a l y z i n g t h ej u d g m e n ts t a n d a r da r ea l s oi n t r o d u c e d b yw a yo fr e s e a r c h i n g o nm eh a r d w a r ea n dt h es o f h a r e ，i n s p e c t i o na i l dd i a g n o s i sf o rt h e l o c o m o t i v ed i e s e le n g i n et h ec o m b u s t i o ns y s t e ma r em 1 矗1 1 e d ，a n d t h es t a t eo rm a l n m c t i o nf o rc o m b u s t i o ns y s t e ma r ep o i n t e do u tb y m e a n so fa n a l y z i n gc 0 1 l e c t e dd a t a i t su l t i m a t ep u r p o s ei st oj u d g c w h e t h e r 。d i s m a n t l e sr e l e v a n tp a r to rn o tb yu s eo fn o n d e s t m c t i v e i n s p e c t i o n ，i no r d e rt oa v o i dd i s m a n t l i n ga n du n l o a d i n gg r e a t l ym e p a n sa n dt od e c r e a s eo t i o s em a c h i n ef a u l t 柚dt e m p o r a r ym a i n t a i n t h i s 叩p a r a t u sc o u l do u td o w nt h em a i n t e n a n c ec o s te f r e c t i v e ly k e yw o r d s ：d i e s e l e n g i n e ， c o m b u s t i o ns y s t e m ，t e s ta n d a n a l y s i s ，a p p a r a t u s p a g e 便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装置研究 第一章概述 1 1 前言 在机车实际运用中，机破、临修事故时有发生，严重影响正常的铁 路运输生产。尤其是随着铁路全面提速战略的实施和生产力布局的调整， 机车运行的交路大幅度提高，日车公里最长的已达到1 6 6 4 公里，同时机 车的负荷率不断增加，机车质量和运用状态已经成为铁道部和各铁路局 机务部门关注的焦点。内燃机车柴油机是机车的心脏，在机车各种故障 中，柴油机故障约占5 0 ，因此，提高柴油机的检修质量，保证其在良 好的状态下运行，是保证列车安全运行的关键。在柴油机中参与燃烧的 主要有燃油喷射系统( 如喷油泵、喷油器) 、燃烧系统( 如活塞、活塞环、 缸套) 和进气系统( 如进气门、增压器) 和排气系统( 如排气门等) 。这 些系统对柴油机的整机性能起着重要的决定作用。因此对这些系统进行 定期和不定期的检测和诊断具有重要的意义，发现问题及时处理，可以 最大程度地避免机破、临修的发生。 铁道部近年来又提出了机车小辅修修制改革，取消了小辅修的固定 停时，把检修时间分散到机车出入库的时间来做，这样虽然可以提高机 车的利用率，但对机车尤其是柴油机的检修却提出了很高的要求。因此 加大对柴油机的检测力度，实现柴油机燃烧系统的状态修，无疑是解决 问题的关键所在。通过检测，性能好的部件可以不拆卸，只对那些性能 不好的部件进行拆解维修，可以减少很多的工作量，对实现机车的小辅 修修制改革起到重要的推动作用。目前，在机务段现场只是使用爆发压 力表( 机械式和电子式爆发压力表) 简单地测量一下各缸的气缸压力最 大值，不能判断柴油机燃烧系统质量的好坏，而且爆发压力表非常容易 第1 虹 璺业! 塑尘12 1 ：! ! ! 堡! ! 坚! ! 兰塑2 1 1 ：苎塑堕! ! ! ! 竺堕坚! ! 竺! ! ! ! 曼! 竺! ! ! ! 坠! ! ! ! ! ! ：! 塑旦 损坏，测量数据不够准确。 鉴于此，2 0 0 3 年3 月，原北京铁路局天津机务段与铁道科学研究院 机车车辆研究所决定联合研制一种能够准确测量柴油机燃烧系统的便携 式装置，以取代目前的各类爆发压力表，即丌发“儿一9 0 2 型便携式机车 柴油机燃烧系统分析仪”。该装置能够同步测量机车柴油机高压油管压力 波和示功图，并实时显示压力波和示功图波形，定量计算柴油机转速及 各缸喷油始点、燃烧始点、放热率、放热量、燃烧持续期、指示功、压 升率、爆发压力( 或压缩压力) 、进气压力，并判断如下故障：喷油器针 阀偶件漏油( 密封不良) 、卡死、启喷压力低、喷油泵柱塞卡死、漏油、 出油阀及弹簧断裂、喷油提前角不准确、气门间隙异常、活塞环或缸套 过渡磨损等燃烧系统的故障。 由于机务段现场工作的特殊性，要求检测仪器简单、实用，并且要 准确。以往传统意义上测量示功图必须有一个上止点信号，才能准确采 样，并判断示功图测试的准确性。我们大家知道，上止点信号传感器在 机车柴油机上较难布景、拆装费事，测试一台车1 6 个缸的示功图，需要 一根长长的导线绕柴油机转一圈，非常费事，因此常规方法测试示功图 在我们机车柴油机上很少使用，这就大大限制了我们从理论上判断柴油 机燃烧的好坏。项目研发开始时，我们就提出了测试示功图时取消上止 点信号传感器，用软件分析法来判断上止点的位置。经过研究，我们终 于获得突破，在示功图测量时，取消了上止点信号传感器。经过测试数 据分析，误差不大，对于工程上的使用是完全可以接受的。取消了上止 点信号传感器对柴油机燃烧系统的测试非常有利，真正做到简便和快速， 测试一台柴油机的示功图和压力波曲线只需1 0 2 0 分钟左右的时间，并 且能够从整体上判断每个缸工作的好与坏，这对于加强机务段柴油机实 现状态修、提高机车利用率、降低维修成本和推进小辅修修制改革具有 p a 萨2 便携式枧车柴油机燃烧系统测试分析装置研究 非常重要的意义，可以说，燃烧分析装置是柴油机实现小辅修修制改革 的一个重要工具。图卜l 为内燃机车柴油机燃烧系统测试分析装置实物 照片。 1 2 国内外现状 图卜1燃烧分析装置实物照片 国外许多公司早已向市场提供完整的柴油机燃烧分析装置设备，如 日本的小野公司的c b 3 6 6 、c b 4 6 6 和c b 5 6 6 等燃烧分析仪、瑞士奇石 乐( k i s t l e r ) 公司近期推出的d e w e 仃o n 系列便携式燃烧分析仪以及奥地 利a v l 公司推出的a v l 6 5 7 燃烧分析仪，这些仪器大都配备了气缸压力 传感器、曲轴转角信号发生器、上止点信号传感器、高压油管压力传感 器、喷油器针阀升程传感器等，信号测量准确而且全面，分析功能强大。 但这些仪器设备大多用于大型试验室，而对于机务段现场来说却不是十 分适用。原因如下： ( 1 ) 传感器安装复杂。安装气缸压力传感器须从气缸盖上方打孔， 第3 页 且传感器需要电动机带动水泵对其进行冷却，一次安装到位，不能每次 拆卸和安装，在试验室可以做到这一点，而机务段做却不到。同时上止 点信号传感器和曲轴转角信号发生器的安装要求精度比较高，在机务段 现场基本上不可能在机车上实现上述传感器的安装，尤其是每一台机车 上都要进行这样的安装，更加显得力不从心； ( 2 ) 对操作人员要求很高。这些仪器大多非常庞大、复杂，精度较 高，容易损坏，需要专业人员操作： ( 3 ) 这些仪器专用性强、操作过程及软件掌握方面并不适于机务段 现场； ( 4 ) 国外的设备大都集中研究内燃机的工作过程和热力性能，而机 务段现场需要的是能够进行故障分析的仪器； ( 5 ) 价格昂贵，这些仪器动辄就上百万元，在机务段不可能推广使 用。 国内学者在柴油机燃烧过程的分析研究中开展了大量的工作，也出 现过一批内燃机燃烧分析设备，如汕头长海电力发展有限公司与院校合 作开发的n e c l 大型柴油机燃烧分析仪，海军工程大学开发的基于虚拟 测试技术的柴油机燃烧分析系统，西安交通大学研制了能够测量内燃机 缸内的压力及温度的燃烧分析仪。这些仪器设备的基本配置大都相同， 即气缸压力传感器、曲轴转角信号发生器以及上止点位置传感器，操作 界面也都是中文界面，而且在价格上也占一定优势，但仍有不适用于机 务段现场使用的方面，比如，内燃机曲轴转角信号发生器或上止点位置 传感器的安装及传感器需要水冷，安装操作复杂等。目前，适于铁路机 务段现场使用的、不需要上止点信号的、高压传感器不需要水冷的、同 时测量示功图和高压油管压力波信号的燃烧分析仪器还未见诸报导。 便携式机车柴油机燃烧系统测试分折装置研究 1 3 课题的意义及由来 本课题为机车车辆大修规程管理研究室为解决现场所需，与原北京 铁路局天津机务段开发的现场诊断测试装置。其研究方向适应于机车维 修的故障检测与诊断，经费来源为路局和机务段提供的科研经费。 1 4 课题的重要任务及系统特点 课题的重要任务及系统的特点是进行内燃机车柴油机燃烧系统检测 诊断技术的研究，诊断装置硬件的选型( 包括微处理器、输入输出设备、 传感器、显示器、接口电路等) 、故障测试内容、诊断方法、分析判断 标准等。阐述软件设计思想、软件流程图、软件功能模块。通过硬件研 究和软件开发，实现机车柴油机燃烧系统的检测和诊断，采集和记录有 关数据，并通过采集的数据对燃烧系统进行分析，判断燃烧系统有关部 件工作情况及其故障。其最终的目的是用无损检测的方法对机车柴油机 燃烧系统部件是否拆解维修进行判断和实施，避免对部件大拆大卸或由 于失修而带病运行造成不必要的机故临修，给铁路运输生产带来损失。 第二章方案设计 2 1 方案设计 项目中开发的j l 9 0 2 便携式内燃机车柴油机燃烧系统分析装置( 以 下简称“分析装置”) 通过柴油机气缸检爆阀测量气缸压力同时在高压油 管上卡置夹持式压力传感器测量油管压力波形，然后通过参数分析判断 柴油机工作状态即通过分析气缸压力和高压油管压力波形，计算出各 种参数，如最大气缸压力、最大压力变化率、供油提前角、燃烧始点、 鹅5 贝 塑! ! ! ! 坐巴坐坐! ! 坚! ! 兰1 2 ! 翌! ! ! 垫! ! ! ! 翌! ! ! 兰坐型! ! 墅! ! ! ! ! ! 型! ：! 娑! 竺 燃烧终点、循环功等( 包括燃烧过程分析，即放热率计算) ，从而为机车 柴油机的检测提供技术手段。因此，开发出的检测仪应满足以下基本要 求： 能够准确测量机车柴油机气缸压力； 能够定性测量机车柴油机高压油管压力； 能够较为准确地确定柴油机各缸上止点的位置； 操作简捷，对机车现场无干扰，不需要附加工作； 分析装置的测量功能应多样化，还应能测量其它信号，如电 压信号、振动信号等； 工作可靠，抗干扰能力强： ( 7 ) 便于操作携带。 i 气缸压力传感器卜一 j 油管压力传感器卜一 分析仪 u s b 线 专用分析 导线燃烧系统 计算机 i 上止点信号传感器( 可省) 卜一 导线 软件 图2 1 系统方案 为满足上述基本要求，在设计分析装置进行了细致的方案设计，即 考虑到了分析装置的专用性也考虑到了将分析装置用于其它测试目的的 普遍适应性，最后确定的方案如图2 1 所示。 ( 1 ) 分析仪与传感器分开，通过导线将传感器与分析仪连接起来，便 于更换传感器，同时，只要更换导线即可将分析仪用于其它测量 目的； ( 2 ) 在柴油机检爆阀处安装气缸压力传感器，测量柴油机气缸压力变 化规律；在高压油管上安装夹持式压力传感器，定性测量高压油 p a g e 6 i) 2 3 4 5 6 “他 便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装置研究 管压力；另外还设置一个电压通道可用于测量柴油机上止点信号， 三个通道信号应同步测量； ( 3 ) 分析装置内的数据可通过u s b 接口传入计算机，进行进一步的处 理与存档； ( 4 ) 开发用于柴油机气缸压力及高压油管压力波形分析的专用软件。 2 ，2 设计要求 为满足上述提出基本功能，分析装置硬件的具体要求如下： ( 1 ) 气缸压力通道：被测气体压力的范围是o 2 0 m p a ；气体温度 为5 0 0 0 c 左右，该通道低频下限应能达到0 0 1 h z ( 由气缸压力信号和现 场试验时仪器的稳定性来决定) ，该通道的放大倍数应能达到1 2 8 倍。另 外，该通道还可用于测量电压量，同样要求具有信号放大功能： ( 2 ) 高压油管压力通道：低频下限应能达到o 5 h z ，低频下限太小 时稳定性不好，放大倍数应能达到2 0 倍。另外，该通道还可用于电压信 号的测量，要求具有信号放大功能； ( 3 ) 触发信号通道：输入为电压信号，通过感应上升或下降沿触发 采样；注：在没有触发信号的情况下，由软件自动控制采样过程； ( 4 ) 程控放大与抗混滤波：配有程控放大器。共分为1 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 等档。另外还应有程控抗混滤波器， 要求截止频率既可以与采样频率同时进行设置，也可以在不更改采样频 率情况下单独设置； ( 5 ) 采样方式：每次采样时，最多使用两个通道，同时测量两个电 荷输入通道的信号( 检爆阀处的压力和油管压力) ： ( 6 ) a d 转换要求：a d 转换器至少为1 2 位；两通道同时采集时至 少要达到3 0 k h z 的采样频率，即分析频率至少要达到1 5 k h z ： 第7 页 皇! 型! ! ! ! 12 1 1 堕! l ! ! ! ! g ! ! 兰! 塑翌堕! ! ! ! l ! ! ! 竺! ! ! 兰! ! 塑! i ! 坚! ! ! ! ! 竺! ! 型! ! ! ! ! ! ! 竺 ( 7 ) 数据存储：数据存储空间至少为8 m ，数据处理空川至少为 2 5 6 k b ，主要是保证在两通道同时采样时，最大采样长度应达到6 4 k b ； ( 8 ) 程序空间：程序存储空间至少为1 2 8 k b ： ( 9 ) 大屏液晶显示：液晶显示屏为3 2 0 2 4 0 ，可快速刷新； ( 1 0 ) 实时时钟：测试装置配有实时时钟： ( 1 1 ) 数据输出：采用u s b 接口，可在w i n d o w s9 8 、v i n d o w s 2 0 0 0 及h n d o w sx p 下正常工作； ( 1 2 ) 键盘：多键盘设计，布置合理，操作方便； ( 1 3 ) 开关机：按键式开关机； ( 1 4 ) 锂电池供电：分析装置具备电池状态监视、掉电关机保护、 快速充电等功能： ( 1 5 ) 电路要求：各元器件布局紧凑合理，抗干扰能力强，调试方 便，尽可能将连线布置到电路板上，使用插件连接而不用导线连接，以 提高可靠性； ( 16 ) 机箱尺寸：不宜太大，此分析装置属便携式仪器，应采用质 量较轻，携带方便的机箱； ( 1 7 ) 其它要求：整机重量在2 蚝左右：可在o 5 0 范围内正常使 用。 总之，在硬件方面，尽可能地作到整体化程度高，外部部件少，使 用操作方便，在工业现场抗干扰能力强。同时，要以浮点d p s 处理器为 主控机，配大容量存储电子盘，信号输入、电荷放大、a d 变换等均在 仪器内部完成。另外配有液晶屏显示、薄膜键盘，通过u s b 接口进行数 据通信。在软件方面，仪器内部的固件程序采用汇编语言及c 语言混合 编程开发，操作简单直观，汉字菜单，光标选择，分析功能强。 p a 驴8 便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装置研究 2 3 技术关键 开发机车柴油机燃烧系统测试装置的技术关键之一在于机车柴油机 燃烧系统测试数据样本的积累，另外，以下列出的几点也是装置开发能 否成功的关键： ( 1 ) 柴油机气缸压力的准确测量；将测压传感器的抗热冲击性能、 耐高温高压能力、耐久性、信号稳定性及可靠性作为研究的重点； ( 2 ) 测量气缸压力时上止点位置的确定；必须实现上止点的准确定 位，否则，处理数据时的误差太大； ( 3 ) 选择合适的数据处理方法，去除测压通道的影响； ( 4 ) 重视产品工程化，要做到性能稳定、测量准确、使用高效； 3 1 设计思想 第三章硬件设计 儿9 0 2 机车柴油机燃烧系统分析装置在硬件系统设计构思过程中重 点考虑了装置的实用性与适用性。装置是在机车上现场使用，环境条件 远比实验室恶劣，这就要求装置在硬件设计中力争做到：整体化程度高， 尽量少的外部附件，能源消耗低，使用操作简便易用，工业现场的抗干 扰能力强。出于这些指导思想，在具体设计时对系统硬件和整机结构做 了以下几个方面的细致考虑： 1 、可靠的电路设计 由于装置是在机车上现场使用，因此硬件系统的设计重点应以高可靠 性为首要因素，所以在硬件系统的设计上尽量选用成熟的电路，这些电 路都是在不同的环境下经过长时间的运行考验证明是十分可靠的电路， 第9 炙 便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装置五开究 设计了u s b 通用串行通信接口，借助提供的软件，通过简单操作就可以 把分析装置电子硬盘上的数据传输到计算机，为长期保存大容量数据提 供了条件。 6 、便于维修的整体结构设计 装置的整体结构设计充分考虑了装配、维修、更换的方便各部件 大多采用了插接连接的安装方式。各个部件单独进行调测，保证参数、 性能的一致性，使各部件具有互换性。 硬件设计的以上6 条设计指导思想，加上成熟的电路设计，严格的 调测与装配，使j l _ 9 0 2 机车柴油机燃烧系统分析装置的总体性能能够满 足现场实用的严格要求。 3 2 系统构成 分析装置系统硬件如表3 1 所示 表3 1 分析仪系统构成 单元器件 主处理器t m s 3 2 0 浮点d s p 数字信号处理器 数据存储器 3 2 m 8 b i t s 电子硬盘 静态数据存储器5 1 2 k 3 2 b i t s 静态r a m 显示屏3 2 0 2 4 0 液晶显示器 u s b 通信接口完全符合u s b l 1 标准的u s b 接口 输入通道两个电荷信号输入通道，三个电压信号输入通道 丸d 转换器三通道同时采集最大采样频率可达5 0 k h z 程控放大器可实现2 5 6 倍放大 抗混滤波器由软件设置滤波频率的八阶椭圆滤波器 始l i 睫 便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装置研究 每次可存取( 5 、1 0 、2 0 、5 0 、或随机个压力波形) ，存储在电子 盘上( 最多3 8 4 个文件) ； 采集数据可通过u s b 接口输出到主机； 可在分析装置液晶显示器上进行浏览。 ( 6 ) 电源 9 v 直流电源用于充电； 机内8 4 v 电池，充足电后可连续工作1 0 个小时( 不丌背光) 。 ( 7 ) 用途 本产品属专用检测装置，主要用于机车柴油机燃烧系统的检测，主 要包括气缸压力检测、油管压力检测。该采集器具有较强的数据采集功 能完全可以作为其它应用目的的数据采集情况。另外，分析装置体积 小，内置锂电池，现场操作和携带方便，应用潜力较大。 3 3 硬件电路框图 3 3 1 模拟信号部分 分析装置的模拟部分构成框图如图3 1 所示。 ，一： 正常信号显示超限信号显示 第一通道信号： 图3 1 分析装置模拟电路框图 第i 3 炙 采集信号输出 由图中可以看到：模拟开关一控制着输入信号的类型是电荷信号还 是电压信号，而模拟开关二决定着是否对第一通道的信号进行采集，在 软件设计将第一个模拟开关设置成信号类型，分别对应电荷及电压信号， 而将第二个模拟开关设置成是否丌启这一通道，开启时对这一通道进行 测量，否则不对这一通道进行测量，示意图如图3 2 所示： i 皇垄堕呈r 弋。厂磊磊_ l 皇堡堕兰p r l 一 广 信号类型开启或荚闭 怛堕叫、。廿网 1 电压信号卜 广一 l - j 开启或关闭 区磊丑j 叫些! l 图3 2 通道及信号类型选择示意图 第二通道的电路原理示意图与第一通道的相同，而第三通道则是与 第一通道的测量电压部分一致。 3 3 2 数字信号部分 分析装置数字信号部分原理图如图3 3 所示。分析装置处理单元为 t m s 3 2 0 数字信号处理器，通过s e d 液晶控制器操作一块3 2 0 2 4 0 液 晶显示屏，由背光驱动器提供液晶屏背光；配有u s b l 1 标准的通用串 行通信接口，而键盘示意图如图3 4 所示 x 便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装置研究 测量数据以及一些备份信息保存到3 2 m 8 位的电子盘中，电子盘内的 数据不会因为分析装置掉电而丢失。 5 1 2 k 静态r a m 3 2 m 电子硬盘 电源管理及 充电电路 。 欠 压 指 示 灯 3 4 硬件电路 。 充 电 指 不 灯 t m s 3 2 0 浮点 数字信号处理器 u s b 连接正常指示灯 。 键盘接口 液晶显示控制器 臣三卜蓝 图3 3 数字电路部分原理框图 图3 4 分析仪键盘示意图 钨1 5 “ 卤 墅! ! 塑! ! ! e ! 塑! ! ! ! ! 竖! ! 兰! 2 1 型! ! ! 堕! ! ! ! 竺! ! ! ：! ! ! ! 型! ! g 坐! ! ! 业型! 竺! ! ! ! ! ! 旧1 ( 2 加) 时，有旧；矗，而原始信号在频率范围闰工时，x ( f ) = o ，故无混 淆时： 嬲( ，) = ( 厂) 从而可以由x ( n t ) 现x ( t ) 。为了克服混淆误差，儿一9 0 2 机车柴油机 燃烧系统分析装茕采用了高性能的低通滤波器，把信号中不需要的高频 成分滤掉，然后在进行采集，数据处理，此方法有效地避免采样采样造 成的频率混淆。 分析装置中选择了八阶开关电容有源低通滤波器，丌荚电容滤波器 足利用j | ：关电容恻络构成的滤波器，它的出现促进了有源滤波器的集成 化，随着集成工艺的发展，集成开关电容滤波器的尺寸越来越小，设计 也越来越简单，已大量应用与通讯系统和其它数字化系统。m a x i m 公司 推出的低通开关电容滤波器系列产品m a x 7 4 0 0 ，将滤波器的设计任务简 化到仅仅是对时钟频率的选择，采用8 脚um a x 封装，尺寸仅有3 o m m 5 o r m 。可理想地用于d a 转换器的后滤波及a 巾转换器抗混叠。该 滤波器具有8 0 d b o c t 的陡峭的截至衰减特性，并且低噪声、低功耗、 低直流输出偏置、精度高、频率范围宽且可变、频率稳定等优点。转折 频率疋( ，3 d b 时对应的频率) 可由外部时钟信号控制，转折频率五可以 在o 1 h z 至5 0 h z 之间连续调节，幅频响应特性为椭圆型，具有最大平坦 通带的幅频响应，使通带内的频率分量和直流分量取得一致的增益，频 率比为5 0 ：l ，最大频率上限2 0 k h z ，大于分析仪的最高截止频率1 6 k h z 。 分析仪滤波器的输入频率由外部时钟提供，在程序的控制下转折频率工 由5 0 h z 至1 5 0 0 0 k 共分2 1 级。滤波器电路如图3 6 所示，引脚2 为输 墅! ! ! ! 坚型些! ! ! ! 罂! ! ! 1 2 鲤型! ! ! ：坠! 翌! ! 竺! ! ! 型! 型! ! ! ! ! ! ! 堕! ! ! ：i ! ! 翌 耗状态。a d 7 6 6 3 的参考电压由a d 7 8 0 芯片产生，a d 7 8 0 芯片的输入电 压范围是4 v 3 6 v ，可以产生2 5 v 或3 v 的参考电压。电路如图3 7 所 示。 围3 7a d 转换器参考电压电路 e 2 s l o 础 图3 8a d 转换电路 p a g e2 0 便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装置研究 3 ，4 4 滤波器时钟电路 分析装置所用的时钟电路( 见图3 9 ) 由计数嚣8 2 c 5 4 产生，如图 3 - 8 所示，8 2 c 5 4 产生抗混滤波器( m a x 7 4 0 0 ) 所需的时钟。8 2 c 5 4 是一种 高性能的可编程计数器计时器，该器件包含三个独立的计数器，有五 种不同的工作方式：计数结束中断；可编程单稳；方波频率发生 器；频率发生器；软件触发的选通信号。 在分析装置中将计数器2 作为用于驱动通道l 抗混滤波器的时钟信 号源，计数器1 作为用于驱动通道2 抗混滤波器的时钟信号源，；这两个 计数器均被设计成8 2 c 5 4 的工作方式3 ，即方波频率发生器。 d 72 n cn c 鬟2 ， 一 d 6 ： 3 。 d 7乳c 3一 f 一 d 6w r 撑 3 il叶赫摊 d 54 2 ji r d惮 _ d 5r d d 4 6 n cn c 2 jl 两广7 鬈c o u n t e r 髫 z 7 ： y l ， ， 2 i；1 1 d 2 l82 i i a 0 d 1 l9 器8 2 洲c l 笔 2 l i 一迦il 一d ot 2 2 a 旧：l【2 i 一1 一+ 。 l ! 1 1 c l k 0g r e 2 2 # l 车掣 l 一r i ! 茎： n cn c ；2 i 1 3 + o u t 0c l k l ，2 0 l 肆+ g a t e 06 t e l ；1 9 由 i 憾邕曼 g n do 盯l l 鲁l 甜 n cn c l ! zl 3 。4 。5 液晶模块 图3 9 滤波器时钟电路 分析装置所用的显示器为液晶显示屏( l c d ) ，它是一种被动型显示 器，具有功耗极低、抗干扰能力强、重量轻、体积小等特点：从而为分 第2 l 页 墨! 型：竺! ! 堕2 塑! 生! ! ! 堡! ! 兰翌e ! 型! ! ! ! ! ! ! ! ! 翌! ! 竖! 垒! 塑! ! ! ! g ! 竺1 2 尘! ! ! ! ! ! ! ! ! 翌! 竺 析装置的便携使用、体小质轻的设计要求提供了保证。 液晶显示器本身不发光，只能调节背光的亮度。现在l c d 都是利用 液晶的扭曲向列效应原理而制成。扭曲一向列效应是一种电场效应， 夹在两片导电玻璃电极之间的液晶经过一定处理。内部分子呈9 0 度的扭 曲，当线性偏振光透过其偏振面时便会旋转9 0 度。当在玻璃电极上加上 电压后，在电场的作用下，液晶的扭曲结构消失，偏振光便可以直接通 过；当去掉电场后液晶分子又恢复其扭曲结构。由于改变了偏振片的相 对位置( 正交或平行) 就可以得到白底黑字或黑底白字。 液晶显示器的控制器采用了s e d 大规模点阵l c d 控制器，c m o s 制造工艺，s m d 表贴封装。场致发光背光源的电源采用了模块化d c a c 逆变器，输入电压为d c 5 v ，输出电压为a c 2 0 0 、，4 0 0 h z ；背光亮度可以 通过程序代码控制。 3 4 8数字信号处理器与存储器 分析装置的主控单元选用了1 r i 公司的新型数字信号处理器 t m s 3 2 0 v c 3 3 ，t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片有以下特点：具有高速的浮点运算能力， 单指令执行时间时最高为1 5 0 m f l o p s 和7 5 m i p s ，3 2 位高性能c p u 适合 于高精度数据处理：具有四个内部译码页选，大大简化了i o 及存储器 的接口：带有3 4kx3 2 位的片内双存取静态r a m ，软件可编程的等待 状态发生器，可以灵活地与外部设备相连接。在最高时钟频率( 1 5 0 z ) 下的指令周期仅为6 6 7 n s ，为了降低整体功耗，分析仪仅使t m s 3 2 0 v c 3 3 工作在3 0 m h z 的主频下。图3 1 0 为t m s 3 2 0 v c 3 3 封装图，图3 1 l 为 t m s 3 2 0 v c 3 3 功能框图。 p a g c 2 2 便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装置研究 图3 1 0 t m s 3 2 0 v c 3 3 封装图 镍2 3 虹 一一恤咖斯僻删聊似嗡8：恤2兮町协叫洲咖啪叫麓嚣鬈蠢箍翟磐蓉麓嚣强慧意 目3 一l l t m s 3 2 0 v c 3 3 功能框图 分析装置的软件代码保存在f 1 a s h 存储器中，f l a s h 存储器的接口 p a g c ：4 便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装置研究 电路如图3 - 1 2 所示，其容量为l m 1 6 位，足够保存所用的代码，由于 f l a s h 存储器运行速度较慢，因此分析仪上电后由t m s 3 2 0 v c 3 3 的启动 引导功能将f 1 a s h 内存储的代码移动静态r a m 中( 洲电路见图3 。1 3 ) ， 分析仪内共配置了5 1 2 k x 3 2 位的静态存储器，这样保证软件在速度较 快的r a m 中运行。 外储存器采用了3 2 m b 电子盘( 电路图如图3 1 4 所示) 。置于机内用 于存放采集的原始数据。分析装置在使用过程中将对大量的原始数据进 行预处理、并对提取出的有效数据进行计算，如计算柴油机转速、压力 升高率、放热规律等，在现场测试时可将采集的数据保存到电子盘中， 以便将现场的数据传输给计算机分析软件作进一步的处理和分析。 一 一 1 。j a 1 5l 。 1 5a 1 6 一碚”r 讧l i 鼍 a l 薯翟 矗1 4b y t e 4 窄l 氧1 3p f 郇 a 1 3 a l 口吝- 1 2d 1 5 a i 口 高i 1 ld 7 l l ；p 7 ： a 9 1浔： 1 0d 1 4 ：4 # 。ip l 口 h 8 l嚣 9d 6 i 姑i 。p 6 ；静 8d 1 3 4 【i p l 目 l l 口 a 1 9d 5 4 i口l d 5 l 一淝# - 1 3 n cd 1 2 3 ，；，d l i c s #：，；】1 ；r w e d 4 3 8 ；p 4 ，一t ： 嘲 r e s e t 撑v c c 3 | n c d l l ：筇 d l l 1 娜7 # 1 5 。 n c d 3 3 # ；：tp 3 a 1 8 1 5 r y m y d 1 0 韩，：d 1 0 鱼l 穿，! i 了f 1 8d 2 3 # ip 2 孰7l b | l ，聃 3 窜f ，d 9 a 6 ，l p ! 7d l ；3 ip l t a 52 口 5d 8 3 0 d 8 a 4 i2 l a 5d o 2 9d 0 巍3 ：2 瑟， 4o 脒 2 8 ：r ；舡w a 2 2 净i 36 n d 2 ，! j7 一! a l 、：科t a 2c e 撑 l 贴； p a | g 霹l * 2 5i ：a o a l 0 ! a m 2 牙l 蔓i 辱9 p 匠j ：j 。 图3 1 2f i a s h 存储器接口电路 第2 5 负 墅塑竺! 竺! 查坐塑! ! ! ! 型型! 坐! ! ! ! ! ! ! 竺! 竺坐型! ! g ! ! ! ! ! 唑螋! ! ! ! 塑! 图3 1 3r 棚静态存储器接口电路 图3 1 4 电子盘接口电路 p a g e2 6 便携式机车柴油枧燃熳系统测试分析装置研究 3 4 7u s b 接口 u s b 通用串行通信技术在现代电子产品开发中已被广泛使用，分析 装置中使用的u s b 器件是p h i p s 公司的p d i u s b l 2 ，p d i u s b d l 2 通 常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接 口。u s b 接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微控制器中 选择出最合适的微控制器。其灵活性减小了开发的时间、风险以及费用 从而用最快捷的方法实现最经济的u s b 外设的解决方案。p d i u s b d l 2 完全符合u s b l 1 版的规范。此芯片带有并行总线和局部d m a 传输能 力的全速u s b 接口器件片内集成了完全符合u s b i 1 协议的商性能 u s b 接口器件、f l f o 存储器、收发器以及电压调整器等，可与任何外部 微控制器微处理器实现高速并行接口( 2 m b s ) ，完全满足分析装置数据 传输的需要，其接口电路见图3 1 5 。将其数据总线直接挂在t m s 3 2 0 v c 3 3 的数据总线上，将地址锁能信号接地，即不产生锁存信号，并用w e 撑、 r d # 直接操作该芯片的读写引脚，片选信号由译码器产生，另外将该芯 片的中断引脚接在t m s 3 2 0 v c 3 3 的矾t 2 髯引脚上，当p d i u s b l 2 产生中 断时，t m s 3 2 0 v c 3 3 立即处理。 图3 1 5u s b 接口电路 篱2 7 甄 ! ! ! ! 坐竺! ! ! ! ! ! ! ! 堡! ! 坚! 塑! 塑! ! 坠塑塑：! ! ! ! 竺! ! ! 坚璺! ! ! ! ! ! ! 呈! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! 塑! ! ! ! ! 竺 3 4 8 实时时钟 分析装置中的实时时钟采用的是d s l 3 0 2 ，d s l 3 0 2 是一种高性能、低 功耗、带r a m 的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、 秒进行计时，工作电压宽达2 。5 5 5 v 。采用三线接口与t m s 3 2 0 v c 3 3 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或r a m 数据。d s l 3 0 2 内部有一个3 1 8 的用于临时性存放数据的蝴寄存器。 主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功 能，并且可以关闭充电功能。d s l 3 0 2 通过t m s 3 2 0 v c 3 3 的串行通信口的 三根线进行访问，操作比较简单，具体设置时先将t m s 3 2 0 v c 3 3 的串行通 信引脚c l k x o 和f s x 0 设置成输出方式，同时将d x o 引脚设置成输入输 出方式，从而实现对d s l 3 0 2 的操作。图3 1 6 为时钟电路。 1 ，u 7 。i 。| _ ； 1 ； _ 1 占 固i 一期iv oc2审ccl l 日 7cl 富1 x ls c l k 固i v o c 2 审c c l x 2i 船 日 x l s c l k 5d， x 2i 船 一期i j 国m柏醛l富1 2 0 嚣 一_ 8： 斗 m f j dsl302 。； ：n ： 一专 一l l i 。中 一酗卜r 一卜f；f 件f _ 1一。：l ：! ! l l丫l1 璺：! 韭竺! 坐2 1 1 坦望! ! ! ! ! ! ! 兰翌! ! 型些! ! ! i ! ! ! ! ? ! ! 兰! ! 塑! i ! ! 望坚! ! ! ! 坠竺! ：! ：! ! ! 翌 4 1 软件构思 第四章软件设计 j l 一9 0 2 机车柴油机燃烧系统分析装置主要用机车柴油机气缸压力以 及高压油管压力的测量，但分析装置的硬件是比较完善的，不仅适于上 述测量过程，只要软件设计合理，还可以应用于其它方面的测试，如振 动信号的检测，电挂信号的检测等等，因此，在设计软件时既要考虑它 的专用性还要考虑它的普适性，给用户提供尽可能多的功能，而且在操 作上也应比较简单方便，这就给软件的设计带来了一定的难度。为此在 软件设计中作了如下努力： ( 1 ) 分析装置的设置部分要求具有普适性，如信号类型的选择，是屯 荷量还是电艇量，各个通道的开启或关闭，各通道的灵敏度系数 等等。 f 2 1 分析装置的测量部分要求具有普适性，测量时不管是什么信号， 如果按下测量键以后，测试将按照设置的要求对各个通道进行测 量，并且由用户决定是否对数据进行保存。 f 3 ) 数据处理且有专用性，由柴油机转速的计算，气缸压力数据的处 理以及燃烧过程放热率的计算等。 ( 4 ) 根据现场实际要求，如果需要的话，还可对振动信号进行处理。 程序采用t m s 3 2 0 v c 3 3 d s p 的汇编语言与c 语言混合编写。涉及硬 件操作的部分由汇编语言编写，如通道选择、增益控制、a d 转换控制、 液晶显示控制、u s b 圆件程序、电子盘读写、实时时钟控制等等均由汇 编语言编写，而软件的总体框架及原始数据的预处理、转速计算、压力 升高率及放热率计算等部分由c 语言编写，这样。软件总体结构比较清 升高率及放热率计算等部分由c 语言编写，这样，软件总体结构比较清 晰，易于理解。 便携式机车柴油机燃烧系统测试分析装黄研究 4 ，2 软件流程图 分析装置软件框图如图3 1 所示，整个分析装盟软件由测量模块、参 数设置模块、u s b 数据传输模块、数据显示模块、分析模块等组成。程 序启动后首先对分析仪硬件以及各设置参数进行初始化，如总线工作方 式、中断向量的设置，液晶显示模式的初始化等等，然后显示参数设罱 界面并进入等待按键操作的循环状态，u s b 中断是否发生也在等待按键 操作的循环状态中实现的，而后，根据用户的按键执行相应的模块。 图4 1 分析装置软件流程框图 编3 j 虹 望! 坐! ! ! 生巴! 堕! ! ! ! 塑! 兰! 2 1 型竺塑! ! ! ! 竺! 尘型! ! ! ! ! ! ! 坐! ! ! ：! 型! ! ! ! ! ! ! 翌 4 3 软件功能模块 4 3 1 参数设置模块 分析装置工作后首先进入主界面( 即参数设置界面，如图4 2 所示) ， 主界面由4 个部分组成： ( 1 ) 机车参数：设置机车车型、车号及缸号； ( 2 ) 采样参数：设置通道状态、信号源、信号类型、增益及灵敏 度等： 3 ) 菜单项：提示测览数据及设置等功能，通信顼暂无用： ( 4 ) 实时时钟及电池电压指示：分析仪内配有实时时钟，并测量 电池电压。 每个部分由矩形框分割，液晶上每个矩形框是一个独立部分，各个 独立部分的选择是由矩形框线条的粗细来标识的。当矩形框为粗线条时 表示选中，此时按下“确定键”即可进入，另外再按下“确定键”之 前可按“上下”键来移动粗线条矩形框的位置。 机车参数 车型：d f 4 d车号：0 0 3 1缸号；0 1 。 通道l通道2 状态：开启状态；开启 类型：燃烧压力 类型： 油管压力 信号：电荷 信号： 电荷 增益：4增益： 4 灵敏度：4 6 8 0灵敏度：4 6 8 0 采样参数 通道3状态：关闭增益：l一 浏览通信设置 1 0 5 3 0 5 订_ _ 一 图4 2 分析装置主界面 p a 韶3 2 便携式机车柴油机燃烧系统测斌分析装置研究 4 3 1 1 机车参数设置 按“上下”键将粗线条矩形框移至机车参数所在的区域，按“确定” 键后进入设置状态，这时在该区域出现一个细线条矩形框，表示当前所 能修改的位置，按“左右”键可移动细线条矩形框的位置，如图4 3 所 示： 图4 3 机车参数设置 当该矩形框出现在车型位置时，按“上下”键可选择机车车型，这 里提供了东风4 a 、东风4 b 、东风4 c 、东风4 d 、东风7 c 、东风8 b 、东 风l l 以及一个备选车型。 车型选定后，按“左右”键可将该矩形框移至车号或缸号； 当矩形框位于车号位置时，按“确定”键可进入车号设置状态，这 时原来显示的车号消失，同时出现一个闪动的光标，按数字键输入相应 车号，再按“确定”键表示输入结束，同时矩形框移至缸号位置。注： 车号前面的o 不需要输入。 当矩形框位于缸号位置时，按“确定”可进入缸号设置状态，其操 作方法与车号输入方法一致。 当机车参数设置结束后，按“返回”键退出机车参数设置状态，再 按“上下”键可移动粗线条矩形框，从而离开机车参数设置区域。 4 3 1 2 采样参数设置 将糯线条矩形框移至通道一所在区域，按“确定”键进入参数设置 状念，如图4 4 所示。此界面下的程序流程图如4 5 图所示，其它设置模 块与之类似