（电路与系统专业论文）关于ocv及执行器的液压系统测试.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来v v t 技术逐渐被应用于轿车行业，v v t ( v a r i a b l ev a l v et i m i n g ) 即 可变正时技术能够和汽车运行的实际情况达到最佳的匹配，它能基于发动机运行 的实际情况控制气门的打开与关闭。o c v ( 凸轮轴油压控制阀) 及执行器作为 汽车v v t 发动机系统关键部件，接受来自e c u 根据实际工况计算出来的最佳气 门正时指令，改变运动状态，液压流量，提高发动机性能。o c v 及执行器的性 能好坏将直接影响v v t 系统的整体性能。由于技术含量高，学科交叉复杂，产 品精度要求高等原因，o c v 及执行器的生产门槛要求比较高，全球来看市场占 有率高的主要是德国的产品和日本的产品。国内企业多半还处于起步阶段，市场 多处于拓展阶段。在o c v 及执行器的检测手段上国内更是落后于国外。基于通 过工业化测试设备的运用促进o c v 及执行器的生产和开发，争取在本领域缩短 国内与国外的差距，提高我国汽车行业的自主创新能力，提升我国汽车行业的整 体竞争力这样的思路，所以有必要对o c v 及执行器的检测这个课题展开研究。 通过本课题的研究能够开发出检测o c v 及执行器性能的设备并指导工业生产， 从而可以提高产品合格率。本文提出了一种基于液压系统的测试方案，使o c v 及执行器的关键性能得到测试。本文主要完成了以下工作： ( 1 ) 分析了o c v 及执行器的性能，提出了对各项性能的测试方案，并对方 案的可行性和科学性进行论证。通过对o c v 及执行器物理特征的研究，提出了 o c v 的受检功能特性如闭合上限、闭合下限、最小提前、最大滞后和泄漏；执 行器的受检功能特性如初始行程角度及响应时间、满行程角度及响应时间。 ( 2 ) 完成了对系统的软硬件设计。在硬件设计部分，根据既定测试方案，对 各个模块进行搭建，包括电源电路，控制电路，驱动电路，表头处理电路等。在 软件设计部分，根据功能需求，确定开发平台、编程语言、数据库、设计思想， 搭建系统构架，完成人机交互界面，然后完成模块调试，系统调试。 ( 3 ) 基于液压系统的温度影响提出迟滞因子。在项目开发的过程中，发现液 压系统温度变化对测试系统会有比较大的影响。为了消除温度变化对系统的影 响，提出利用系统迟滞因子对系统进行补偿。 本文对于o c v 及执行器提出了基于液压系统的双通道测试方案，引入了系 统硬件参数的智能更新机制。通过完成测试设备的开发和大量的工业化生产应 用，本测试系统完全达到了预期的设计需求和指标。此系统投入少，功能强大， 精度高，可靠性强，在生产上能够很好的指导生产，提高生产率。 关键词：v v t ，o c v ，液压系统，迟滞因子 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , v v tt e c h n o l o g yg r a d u a l l yh a sb e e na p p l i e dt ot h ec a ri n d u s t r y , v v t ( v a r i a b l ev a l v et i m i n g ) c a t la c h i e v et h eb e s tm a t c h t ot h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ec a r , i t c a l lc o n t r o lt h ev a l v e s w i t c ho nt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ee n g i n e o c v ( t h ec a m s h a f t o fh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e s ) a n da c t u a t o ra sv v t e n g i n es y s t e m k e yc o m p o n e n t s ， a c c e p t st h eb e s tv a l v et i m i n gi n s t r u c t i o n sf r o me c u c a l c u l a t i n ga c c o r d i n gt oa c t u a l w o r k i n gf r o m ，c h a n g e st h em o t i o n ，h y d r a u l i cf l o w , a n di m p r o v e se n g i n ep e r f o r m a n c e o c va n da c t u a t o r p e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c eo fv v t a s t o 1 1 i g h t e c h n i c a l ，c o u r s e sc o m p l e x i t y , h i g h e ra c c u r a c y ， o c va n d a c t u a t o r p r o d u c t i o nn e e dh i g hd e m a n d ，t h ew h o l ew o r l d m a r k e ts h a r em a i n l yf o c u s s e s o ng e r m a np r o d u c t sa n dj a p a n e s ep r o d u c t s t h ed o m e s t i ce n t e r p r i s e sm o s t l ya r ei n b e g i n n i n gs t a g e ，t h em a r k e t i si nd e v e l o p m e n ts t a g e d o m e s t i c t e s t i n gm e t h o do fo c v a n da c t u a t o ri sb e h i n d a b r o a d p r o m o t i n go c va n da c t u a t o r p r o d u c t i o n a n d d e v e l o p m e n t ，s h o r t e n i n g t h eg a pw i t hf o r e i g ne n t e r p r i s e s ，e n h a n c i n gi n d e p e n d e n t a b i l i t yo fa u t oi n d u s t r y ，i m p r o v i n gt h eo v e r a l lc o m p e t i t i v e n e s so fa u t oi n d u s t r y , i ti s n e c e s s a r yt ot e s to nt h i ss u b j e c to no c va n da c t u a t o r t h r o u g ht h i sr e s e a r c hw ec a n d e v e l o pe q u i p m e n td e t e c t i n go c va n da c t u a t o r s p e r f o r m a n c e ，g u i d i n gi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，i m p r o v i n gt h eq u a l i t y t h i sp a p e rp r o p o s e sa t e s tp l a no fh y d r a u l i cs y s t e m ， t e s t i n g t h eo c va n d a c t u a t o r k e yf u n c t i o n t h i sp a p e rm a i n l yc o m p l e t e d t h e f o l l o w i n gw o r k ： ( 1 ) a n a l y s e d o c va n d a c t u a t o r p e r f o r m a n c e s ，p r o p o s e d t e s t p l a n ，a n d d e m o n s t r a t e d f e a s i b i l i t y a n ds c i e n t i f i c a l n e s s t h r o u g ht h e s t u d y o fo c va n d a c t u a t o r , w ep u t sf o r w a r df u n c t i o n st e s t e ds u c h 弱t h eu p p e rl i m i t a t i o n ，t h el o w e r l i m i t a t i o n ，t h em i n i m u ma d v a n c e ，t h em a x i m u mb a c k w a r da n dl e a k a g e ；i n i t i a lt r i p a n g l e ，r e s p o n s et i m e ，f u l ls c h e d u l ea n g l e ( 2 ) i tc o m p l e t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m i nt h eh a r d w a r e d e s i g np a r t ，a c c o r d i n gt oe s t a b l i s h e dt e s t i n gp r o g r a m ，s e t t i n gu pv a r i o u sm o d u l e s ， i n c l u d i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，d r i v i n g c i r c u i ta n dt h eh e a d e r p r o c e s s i n g c i r c u i t i nt h es o f t w a r e d e s i g ns e c t i o n ，a c c o r d i n g t of u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s ，t o d e t e r m i n et h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ， d a t a b a s e ，d e s i g n ；b u i l ds y s t e m a r c h i t e c t u r e ；c o m p l e t em a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n d t h e nc o m p l e t et h em o d u l ed e b u g g i n g ，s y s t e md e b u g g i n g ( 3 ) a st ot h et e m p e r a t u r ee f f e c to fh y d r a u l i cs y s t e m ，h y s t e r e s i s f a c t o ri sp u t l i 武汉理工大学硕士学位论文 f o r w a r d e d i nt h ep r o j e c td e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t e m p e r a t u r ec h a n g e so ft h eh y d r a u l i c s y s t e mw o u l dr e l a t i v e l yi m p a c tt h et e s ts y s t e m i no r d e rt oe l i m i n a t et h ee f f e c t so f t e m p e r a t u r ec h a n g e so nt h et e s ts y s t e m ，t om a k eu pf o rt h et e s ts y s t e m ，h y s t e r e s i s f a c t o ri sp u tf o r w a r d e d t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dad o u b l ec h a n n e lt e s tp l a nf o ro c va n da c t u a t o rb a s e d o nt h eh y d r a u l i cs y s t e ma n di m p o r t st h es m a r tu p d a t em e c h a n i s mo f s y s t e m h a r d w a r e p a r a m e t e r s b yc o m p l e t i n g t h et e s t e q u i p m e n t ，a n dm a n yi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a p p l i c a t i o n s ，t h i st e s ts y s t e mf u l l ym e e t st h ee x p e c t e dd e m a n da n di n d i c a t o r s t h i s s y s t e mi so fl e s si n v e s t m e n t ，p o w e r f u l ，h i g hp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t y , i np r o d u c t i o ni t p r o v i d e sg u i d a n c ea n di m p r o v e st h ep r o d u c t i v i t y k e y w o r d s ：v v t ，o c v & y d r a u l i cs y s t e m ，h y s t e r e s i sf a c t o r i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 v v t ( v a r i a b l ev a l v et i m i n g ) 可变气门正时系统。发动机凸轮相位的调节， 气门开启、关闭的时间变化通过系统配备的控制及执行系统来调节，从而使充 气效率得到提高，发动机功率得到增加。发动机可变气f 了正时技术可以使进入 系统的空气量在当时情况下达到最好的效果，系统燃烧效率得到提高【1 1 。根据 发动机的实际运行情况，v v t 系统能够自动调整进气量和排气量，调整气门开 合时间，从而达到调整目的【2 3 4 1 。 作为w t 关键部件的o c v 及执行器的性能、精密程度、技术成熟度直接 关系到整个v v t 系统的性能。在o c v 及执行器的开发和工业化生产上，我们 需要专业的测试设备对受检产品进行检钡l j l 5 , 6 , 7 , 8 1 。那么我们需要引入对o c v 及执 行器的测试技术，在此技术基础上开发测试设备。 1 1o c v 及执行器测试技术研究的目的和意义 发动机可变气门正时技术近年来被逐渐应用于现代轿车上，国外这项技术 被广泛应用并且技术已经很成熟，国内该项技术也在逐步被应用，虽然每个汽 车生产厂商对该技术叫法都不同，不过技术本质基本还是一样的。不过，可变 气门升程技术还只是几家实力型厂商的核心技术，特别是连续可变气门升程技 术目前应用还非常有限，只是在少数高端车上被应用。汽车发动机未来的发展 方向是在发动机动力、经济性、排放和平顺性之间寻找平衡点。可变气门正时 和升程技术无疑将是最好的选择。 w t 技术的原理：在不同情况下发动机功率是不相同的，通过气门开度的 调节进而调节进气量，v v t 使发动机在不同转速下系统匹配达到最佳。低转速 的时候可以省油，高转速的时候系统动力充沛。 o c v 和执行器是w t 发动机系统关键部件，o c v 阀是采用可变气门正时 系统( w t ) 的发动机上控制发动机的进气门的低压机油控制阀，通过e c u 的 p w m 信号它可以控制滑杆的位置，使气门保持在最佳正时状态。发动机停机时， 滑阀因受弹簧的作用使进气侧保持在最大延迟状态，排气侧保持在最大提前状 态，为下次起动作准备。发动机e c u 根据各传感器的输入，处理后输出占空比 武汉理工大学硕士学位论文 信号控制o c v 阀位置，使v v t 达到三种工作模式：提前，滞后和保持。o c v 阀芯在提前、滞后和保持的模式下靠近的位置是不同的。提前、滞后、保持所 对应的位置分别是电磁阀的内测、外侧、和中间位置。 本课题的研究目的是针对汽车v v t 发动机关键部件o c v 和执行器设计 出一套能自动检测设备并利用该设备对关键部件进行性能测试，该设备能够通 过参数的设定后精确的检测受检部件，从而为关键部件大批量工业生产提供指 导性作用，能够大幅提高生产效率，减少企业生产成本，在很大程度上提高产 品一次合格率： 1 2o c v 及执行器测试技术国内外研究现状分析 o c v 和执行器是v v t 发动机系统关键部件，o c v 阀是采用可变气门正时 系统( v v t ) 的发动机上控制发动机的进气门的低压机油控制阀，通过e c u 的 p w m 信号控制滑杆的位置，使气门保持在最佳正时状态。发动机停机时，滑阀 因受弹簧的作用使进气侧保持在最大延迟状态，排气侧保持在最大提前状态， 为下次起动作准备 9 , 1 0 , 1 1 1 。发动机e c u 根据各传感器的输入，处理后输出占空比 信号控制o c v 阀位置，使v v t 达到三种工作模式：提前，滞后和保持。o c v 阀芯在提前、滞后和保持的模式下靠近的位置是不同的f l2 1 。提前、滞后、保持所 对应的位置分别是电磁阀的内测、外侧、和中间位置【1 3 1 。进气凸轮轴及曲轴相位 的调节是通过可变气门正时执行器利用来自o c v 的油压来进行的。 韩系车v v t 技术主要是模仿日本丰田的v v t - i 和本田的v t e c 技术而来， 但是相比丰田的技术，韩系v v t 仅仅是可变气门技术，缺少正时技术，所以在 省油方面性能还是赶不上日系车。b m w 在v v t 技术的应用方面走在前列，在 先前的发动机里已经运用了该技术，目前运用v v t 技术的还有本田的v t e c 、 i - v t e c 、丰田的w t - i 、日产的c w t 、三菱的m i v e c 、铃木的v v t 、现代的 v v t 、起亚的c v v t 、江淮的v v t ，长城的v v t 等也逐渐开始使用，奇瑞系列 发动机不仅在进气门调节上使用该技术，而且在排气门控制上，同样使用了该 技术，称作v v t 2 ( n 变进排气门正时) 技术。不同汽车生产厂家对w t 技术叫 法各异，但是技术原理是一样的。如气门正时的调节，不同转速下进气门和排 气门重叠角度不同。都是通过改变凸轮轴的相位和改变凸轮的表面形状两种方 法来达到改变气门正时。 目前国内对v v t 技术的研究属于起步阶段，对于w t 发动机系统关键部 2 武汉理工大学硕士学位论文 件o c v 和执行器更是依赖国外产品。国外对于w t 技术的研究起步较早，技 术已经比较成熟。而国内对v v t 技术的研发几乎没有什么经验。在整合国内行 业资源、提高技术含量、研究核心技术和获得自主知识产权的过程中增强自主 品牌轿车的竞争力。目前国内对v v t 发动机系统的普及正在逐步进行，对于 v v t 技术的优势现在已经形成了普遍的肯定看法并且在各类发动机中进行应 用。只是对于相关部件基本上都是采用进口。要想提升轿车行业的竞争力，自 己必须能够开发出相关部件。只有这样才能在技术上真正有创新，行业成本才 能降低，行业竞争力才能提高。作为关键部件的o c v 和执行器的研发和生产也 在蓬勃展开，现在国内已经有几家企业凭借雄厚的研发实力正在从事o c v 及执 行器的研发和生产，而且也取得了一些可喜的成果。 o c v 及执行器的生产和制造是一个涉及多学科，复杂程度高，精密加工的 过程，目前还没有成熟的方案对生产出来的产品进行性能参数检测【l4 1 ，这就提出 了一个关于产品如何检测的问题，为了提高产品一次合格率，提高生产效率及 降低生产成本，需要设计一套针对产品不同性能参数的综合系统来检测产品， 分析产品性能。 目前对于o c v 及执行器的测试技术，国内主要采用的测试方法是台架试验。 文献 1 5 】是对发动机台架试验过程的研究，涉及到实时监测和预警。提出利用振 动信号r m s 特征值实现对发动机试验过程时间历程的监测。文献 1 6 对发动机 中的传感器、测量设备、测试项目展开介绍。文献【1 7 】介绍了一套基于 c o m p a c t r i o 平台的c v c t 台架试验控制系统。对系统的硬件、软件和算法都进 行了说明。文献 1 8 】利用改造的样机进行台架试验，得到了速度特性曲线和负荷 特性曲线。文献 1 9 】提出了增加压力流量动态特性试验的必要性，通过试验台架 进行了流量压力试验，得出了预期的结果。 国外现在对o c v 及执行器的测试方法有台架试验 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 1 、流量测试【2 4 郐，2 6 , 2 7 和扭矩测试 2 5 , 2 9 , 3 0 】。台架试验、流量测试和扭矩测试都能够对o c v 进行检测。 台架试验依托真实的发动机环境，实验数据真实可靠。流量测试可以搭建模拟 v v t 系统，对o c v 进行更加细化的检测，通过检测数据可以对机械配合尺寸、 电枢、阀体毛刺、弹簧等情况进行分析。扭矩测试主要是针对执行器，通过系 统压力和输出扭矩的对应关系，对执行器机械配合尺寸、壳体摩擦力、定位销 等情况进行分析。 在本课题的设计中经过严密实验论证，我们提出了几套可行的方案，在这 里我将阐述基于液压系统的测试方案 3 1 , 3 2 1 。在液压系统测试方案中，我们搭建模 3 武汉理工大学硕士学位论文 拟汽车v v t 发动机的液压系统，实际建模物理系统，如气门阻力，凸轮轴，内 部发热系统，外部循环水冷系统，e c u 实现对温度，压力，流量的实时监控以 及对o c v 通过指令调节来实现对执行器的动作等 3 3 , 3 4 l 。在经过一些列理论论证 和实验验证包括用发动机台架实验系统( 真实的发动机系统) ，建立o c v 阀和 执行器各种关键参数及技术指标数据库，然后搭建软硬件平台，模拟v v t 发动 机系统，对o c v 及执行器进行测试。 1 3 研究内容及目标和拟解决的关键问题 1 3 1 研究内容及目标 本文研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 熟悉汽车v v t 发动机关键部件o c v 及执行器，了解其性能参数，并 制定出详细、精确的参数标准。 ( 2 ) 搭建硬件平台。在确定测试方案后就要开始着手硬件平台的搭建，本系 统中硬件的平台包括液压系统，测试台台体，电路信号，以及模拟汽车发动机 系统。 ( 3 ) 搭建传感器系统。本系统中涉及到温度传感器、压力传感器、角度传感 器，电流传感器。 ( 4 ) 搭建数据采集系统。对于传感器系统的数据需要采集系统对数据进行采 集。 ( 5 ) 搭建模拟e c u 系统。模拟e c u 系统发送指令对o c v 进行控制。 ( 6 ) 搭建模拟v v t 系统。这个主要是机械的凸轮轴传动系统，液压系统。 ( 7 ) 搭建系统软件架构，开发应用程序模块，对复杂数据信号进行处理。硬 件平台搭建好了，需要软件来启动测试台，可以说软件是系统的灵魂。 ( 8 ) 系统应用的开发。对于同个技术标准的测试可能会有好几种可供选择 的测试方案。每种测试方案对应一种系统应用。要选择可行性最高，测试效率 最高的系统应用进行开发。 1 3 2 拟解决的关键问题 拟解决的关键问题： ( 1 ) 开发模拟e c u 系统，控制o c v 和执行器，处理数据，判决产品。对于 4 武汉理工大学硕士学位论文 判决系统涉及到的标准的制定与设置，对于复杂的数据如何进行处理，消除干 扰得到稳定平滑的数据，模拟e c u 系统如何精确的发送指令控制o c v 的动作。 处理温度，角度，压力传感器数据。来自采集系统的数据根据不同的需要进行 有特点的处理，对系统进行适当补偿。 ( 2 ) 数据处理算法的研究，在本系统的设计中由于干扰信号的影响，系统采 集的数据如果不进行处理就会影响系统的正常运行。系统可靠性，重复性也不 能得到保证。所以对于干扰必须解决。对于干扰的解决在本文第三章会给出详 细的说明。主要有两个需要解决的问题，一个是来自采集系统的大规模受干扰 信号的处理，另一个就是对系统液压站的温度影响的合理补偿。 ( 3 ) 精确确定系统响应时间，供e c u 判决。响应时间模块的编写，如何有 效的计算响应时间供e c u 进行判断。 ( 4 ) 上位机与下位机通信的实现。这里主要是通过串口实行上位机和下位机 的通信。并且要求引入保险机制，确保串口通信的成功。在工业生产上，不能 允许串口通信的异常而耽误生产进度，所以对串口通信这块要确保长时间的正 常运行。 ( 5 ) 掌握o c v 阀及执行器的关键技术参数，利用这些参数来检验测试系统 的可靠性。这个需要对o c v 的电磁特性，机械特性的研究来充分掌握其特征， 并根据特征制定严格的标准体系。 ( 6 ) 对于性能参数的比对曲线化表达。这是一个涉及面很广的应用，涉及到 数据采集系统，传感器系统，数据处理系统，液压系统。但是曲线化表达能够 很直观表达各项性能参数，特别是经过不同产品的同一性能的比对，就能更直 观的表达各个产品的优劣。这样就能在产品的开发和工业生产的指导上很大程 度的提高效率。 1 4 本章小结 本章介绍了汽车电子领域w t 系统发展的历史，介绍了国内外关于w t 技术的概况以及针对o c v 及执行器的测试技术研究，发展与现状。总结了课题 的研究内容与目标以及拟解决的关键问题。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体方案设计与论证 o c v 是一个脉宽调制电磁阀，根据p w m 信号阀芯能够进行提前和滞后的 移动。油路开闭的状态是由阀芯的位置来决定的，而阀芯的位置是由流入线圈 的电流量来决定的。所以我们能够通过控制流入线圈的电流量来控制油路的开 闭状态。 占空比即一定时间单位内通电和断电的比例。电流量由流入的通电量即通 电时间决定，通电时间长，占空比大，电流量大；反之，电流量小。通过e c u 发出的p w m 信号，v v t 转子叶片两侧的机油量被改变，由此实现v v t 控制凸 轮轴相对于曲轴的正时和相位。 o c v 的组成有p w m 信号接口、铁芯、线圈、阀芯、阀罩、弹簧，如图2 1 所示。线圈通电，产生的电磁力会推动铁芯移动，铁芯与阀芯是一个整体，铁 图2 1o c v 结构图 芯移动将带动阀芯滑动，阀芯的滑动使油路开闭，从而控制油压和回油。 根据o c v 的电磁特性和执行器的机械特性，如图2 2 所示。我们需要对o c v 6 武汉理工大学硕士学位论文 的电磁响应、闭合范围、最大滞后、最小提前；执行器的最大角度、泄漏等特 性和系统测试效率及寿命进行测试。 7 凸轮轴回转方向 图2 2 执行器结构图 对本课题展开系统构架、性能需求、功能模块的研究，我们将对系统的设 计思想与技术路线、系统硬件的设计、系统软件的设计、数据采集系统的设计、 传感器系统这几个方面进行进行论证。 2 1 系统的设计思想与技术路线 v v t 系统主要由传感器、e c u 控制器、凸轮轴和o c v 等组成。o c v 及执 行器是汽车w t 发动机关键部件，考虑到要最大可能的逼近真实环境，我们采 用液压系统、机械传动部件、通信模块、脉宽调制模块和机械传动部件构建模 拟汽车v v t 发动机系统 3 5 , 3 6 1 。在模拟v v t 系统基础上集成开发测试系统。 模拟e c u 是本系统的核心控制部分，它负责处理来自采集系统的采集数据 7 武汉理工大学硕士学位论文 并对o c v 及执行器和液压系统进行控制。在这里就涉及到数据处理、系统决策、 上下位机通信。采集系统采集温度传感器、压力传感器和角度传感器的数据。 对采集的角度信号进行数据处理，并供系统决策。系统上位机通过串口和下位 机进行通信，发送指令。下位机接收来自上位机的指令并控制o c v 动作。o c v 的动作通过执行器执行，带动系统状态的变化。采集系统就是通过采集这些系 统的状态变化然后进行处理，在和系统标准进行比对后作出决策。上位机通过 d o 信号对系统液压站和决策系统进行控制。 2 2 测试系统硬件的选择 在本文中，硬件部分主要涉及到传感器、驱动电路、模拟e c u 模块( 包括 通信模块和脉宽调制电路) 、表头处理电路、数据采集卡和液压站控制电路。 2 2 1 系统模拟e c u 模块芯片选择 在本课题研究中，测试系统对时序逻辑没有要求，r a m 几百k b 完全够用， 没有复杂的乘法运算，只需要用到串口，i o ，要求体积尽量小，系统信号源要 求稳定输出5 v ，工作频率在2 5 0 h z ，功耗要低。s t c 8 9 c 5 1 系列单片机是高速 低功耗的新一代8 0 51 单片机，最高工作频率可分别达到2 5 m h z 一5 0 m h z ，有较 宽的工作电压，5 v 型号的可工作于3 4 6 0 v ，3 3 v 型号的可工作于2 0 4 0 v 。 正常工作模式下的典型耗电为4 m a 7 m a ，空闲模式为2 m a ，掉电模式( 可由外 部中断唤醒) 下则小于o 1 u a 。 2 2 2 系统数据采集卡的选择 在本文中，我们主要是对温度、压力、电压、电流、角度传感器的五路信 号进行采集，并把信号传输到上位机进行处理。本系统对采样精度要求在1 ， 单通道采样速率要求不低于5 0 k h z 。 我们选择的采集卡3 2 路1 2 位5 0 0 k 带d u o 这款采集卡。五路采集通道平 均下来每路速率有1 0 0 k 能够满足系统的需求。本款采集卡转换精度能够达到1 3 位，测试精度达到0 1 。在选择论证的过程中注意到在同类型的采集卡中，我 们选择的这款在经济性上也很有优势。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 系统液压站的选择 在液压站的选择上我们主要考虑性能和价格的因素。不同款型液压站在满 足性能要求的同时我们选择价格更加经济的液压站。在本文中我们选择的是一 款小型液压站。液压站生产企业能够根据我们的要求个性化定制功能模块如恒 压、流量、恒温，多缸同步的液压动力系统；其动力节省、油温低、噪音小、 效率高。 2 2 4 系统传感器的选择 ( 1 ) 温度传感器。本系统中温度传感器安装在液压站内部，系统工作温度范 围在5 9 5 ，我们选择的一款温度传感器量程为0 1 0 0 在量程上能够满足 要求。系统温度测量误差要求在0 5 。c ，供电电压1 2 v 。选择的传感器误差在o 2 ，响应时间5 4 秒，供电输入1 2 3 0 v 。能够满足系统需求。标准接插件出线， 体积小巧，线性化输出4 2 0 m a 。另外选择的传感器做工精密，价格合适，总的 来说跟同功能类型的传感器比较这款更具优势。 ( 2 ) 压力传感器。本系统中压力传感器安装在液压站内部，系统工作压力范 围在l b a r - 5 b a r ，我们选择的一款压力传感器量程为0 b a r - 1 6 b a r 在量程上能够满足 要求。系统压力测量误差要求在：t o 0 5 b a r ，供电电压1 2 v 。选择的传感器误差在 o 0 1 b a r ，响应时间小于l m s ，供电输入8 - 3 0 v 。能够满足系统需求。这款传感 器属于紧凑型扩散硅式压力变送器，宽广的使用温度区，结构紧凑，量程广， 能够在较恶劣的环境中使用，可靠性高。传感器输出4 2 0 m a 。 ( 3 ) 角度传感器。在本文中我们选择用电位器的电压输出比来推出实际角 度。角度传感器转动角度在0 。9 5 。范围，工作电压是0 v - 5 v ，角度和电压有 着线性的关系。 2 3 测试系统软件设计思想 2 3 1 软件开发方法选择 本系统的设计规模比较大，逻辑比较复杂，圈复杂度要求比较高。当设计 规模比较小的时候个面向过程的程序就可以够用了。但是当设计规模较大时， 面向过程的程序就不能很好的体现程序设计了。本系统的设计动作过程十分复 9 武汉理工大学硕士学位论文 杂，而且动作过程之间不是简单独立，在多数情况下会出现对其他动作模块的 调用。面向对象的程序设计其实就是系统程序是由许多独立的单元和对象所组 成。本系统的设计就是基于这个原则，函数即体现动作过程，一个函数体现一 个动作，函数圈复杂度小，单独的函数设计功能并不复杂。编程结构紧凑，实 用。面向对象的程序设计达到了软件工程的三个重要目标：重用性、灵活性和 扩展性。本系统编程也遵循了这三个目标，不产生多余的功能，系统重用性、 灵活性和扩展性非常好。系统可以分成几个大的功能模块，每个模块灵活性很 强易于扩展。整体运算是在每个参与对象内部完成，如信息的接收、数据的处 理、和向其它对象发送信息。这点在程序设计中也得到了体现，系统数据处理 没有扎堆，而是功能扩散，相应处理单元都能独立处理涉及到它的那部分数据。 这样就大大提高了系统运行效率，大量数据处理分散化，数据处理的时间大大 简化。 在面向过程程序设计中，函数是关键，函数被看作需要完成的任务，函数 是根据规定的条件而设计。在多函数程序中经常会把一些重要的数据设置为全 局变量，这样方便所有的函数对这些全局变量的访问。然而这种情况下，稍不 注意这些重要的变量就可能因为被改动而失去控制。本文采用了面向对象的设 计思想，弥补了面向过程设计的不足。对象是程序设计的基础，它将数据与操 作结合在一起并且保护数据不被外在函数所改变。当有多个任务需要完成的时 候就会涉及到数据安全的问题。在本系统的设计中规避了这个问题。在系统设 计的过程中，我注意到这个问题，对象都能够接收信息、处理数据和向其它对 象发送信息。比较面向对象程序设计和面向过程程序设计，还可以得到面向对 象程序设计的其他优点： ( 1 ) 数据抽象通过保持外部接口不变而改变内部操作实现，这样能够有效减 少甚至避免对外界的干扰，本系统的设计中保证了模块的独立性，避免外在干 扰。 ( 2 ) 通过继承可以提高编码效率，减少冗余的代码，方便地扩展现有代码， 降低软件维护的难度，在本系统的设计中对于通信模块，基本数据处理模块， 相应处理模块在程序编写过程中都被继承调用，避免了代码简单堆砌。 ( 3 ) 通过面向对象的设计方法允许将问题域中的对象直接映射到程序中，减 少软件开发过程中中间环节的转换过程，本系统设计中对于中间环节的转换尽 量简化甚至是避免。 ( 4 ) 将软件系统分割为若干相对独立的部分，在一定程度上更容易控制软件 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 复杂度，本系统设计中对于函数的设计圈复杂度尽量小也就是说函数功能尽量 简单，函数独立，系统结构紧凑，功能划分关系简单。 ( 5 ) 通过以对象为中心的程序设计可以帮助开发人员在静态和动态两个角 度把握问题，从而更好地实现系统，本系统的设计中也很好做到了这点。 ( 6 ) 通过封装与抽象实现对象内部结构和外部功能上的扩充，从而实现对象 由低到高的升级。本系统设计中扩展性好易于移植。 本系统的控制核心是上位机和下位机的通信模块。m s c o m m 是一个串口控 件在底层复杂协议封装后实现串口通信很方便，这在很大程度上提高了串口通 讯的编程效率。基于对话框的编程只需要在应用中加入一个m s c o m m 控件。只 需将类c m s c o m m 的相关文件m s c o m m c p p 和m s c o m m h 一并加入到了工程 中。编程时只需将控件对话中的m s c o m m 控件拖至应用对话框中。所以用v c + + 来开发串口很方便。另外用v c + + 开发，工程结构清晰容易控制，充分体现了面 向对象的设计思想，将大量重复使用的代码实现功能模块化，通过继承大幅减 少冗余的代码，结合面向对象设计，允许将问题域中的对象直接映射到程序中， 模块接口设计简单。软件开发时可开发多种程序，程序框架自动生成、代码编 写和界面设计集成交互操作。通过简单的设置就可使其生成的程序框架支持数 据库接口，在本系统的设计中这点体会的很明显。在v c 平台上很容易就能实现 s q l 数据库的开发。 2 3 2 数据库的选择 在工业上对受检部件进行测试，首先对受检部件的性能参数需要进行数据 管理，再者对受检部件的测试信息也需要数据管理。特别是受检部件的测试信 息对企业产品的开发很重要，在大量测试信息中总结规律，发现问题，改善产 品性能。产品的标准参数也需要进行数据管理，不同阶段、不同条件下的参数 是不同的，需要根据具体环境进行设置。产品的工业测试数据的特点是数据量 大、繁杂，所以需要集中对数据进行管理。工业生产线测试流程化，规范管理， 对于大量的测试标准参数和测试信息数据都需要进行数据管理。 o c v 及执行器的测试过程中，涉及到的标准参数很复杂，不同温度、压力、 流量等条件下的标准都不同，这就需要对标准参数进行集中管理。大量被测试 产品的测试数据需要保存，以便企业获得产品的生产信息。对于系统执行的决 策标准也需要保存数据库，实现企业随时根据需要更新或者修改参数标准。 武汉理工大学硕士学位论文 s q l 2 0 0 8 与其它数据库比较，有以下两个方面的优势： ( 1 ) 安全性，s q ls e r v e r2 0 0 8 由于安全模型、安全对象和权限更加清晰，所 以在安全性方面做的很好。 ( 2 ) 支持通过h t t ps o a p 协议直接访问数据库，增加x m l 数据类型，支 持x q u e r y ，使用新的s q ls e r v e r m a n a g e m e n ts t u d i o 等等。 在镜像、页面级的恢复、联机索引等高级特性方面s q l 现在做的都很好， 所以在w i n d o w s 构架下的大项目还是倾向于用s q l 。 2 4 主要技术指标 2 4 1 系统标准 ( 1 ) 工控机要求：3 u 1 9 英寸标准工业机箱( 配备1 7 英寸液晶显示器) ( 2 ) 信号电气接口要求：与控制盒、电缆连接的接插件用圆形金属连接器； g b l 0 0 2 9 6 公牛多用插座；p c i 插槽等 ( 3 ) 电源要求：2 4 v 线性直流稳压稳流电源( a c2 2 0 v 1 0 ，负载效应 c v _ i 1 0 4 + 2 m yc c s 2 x 1 0 3 + 3 m a ) 、0 1 4 v 可调直流电源( 稳压精度 1 ，稳 流精度 o 9 5 ) 、0 - 5 v 可调直流电源( 稳压精度 o p e n ( b s t r s q l ，