摘 要
现代汽车工业已经进入成熟的发展阶段，汽车也由单纯的机械产品发展为高级的机电一体化产品，使得单片机应用技术在现代汽车中得到了广泛的应用和发展。大众GTX发动机半实物仿真系统台的设计,主要依据汽车电子控制技术实验实训教学的需要,实现汽车电控系统的原理演示、故障设置、诊断测试等教学功能，以达到辅助汽车专业教学的目的。结合实验台，方便学生了解汽车电控系统与单片机控制技术相结合的原理，培养学生的工程实践能力。该系统的制作以从捷达发动机上所采的数据流为参考依据, 对大众系列车型具有针对性。
系统的设计思想是，以单片机控制为核心，利用单片机输出的信号来模拟各种传感器信号 ，控制实验台上的点火装置和喷油装置，从而使实验台在脱离发动机本体的情况下进行点火和喷油的教学演示，实现实验台的正常工作。在单片机输出信号正常的情况下，检测汽车电子控制单元是否正常工作，并通过与外部设备进行合理匹配，实现数据流的测试分析，对发动机进行故障诊断。实验台结构紧凑，操作简便，教学效果直观生动，能满足汽车实验实训的教学要求。
关键词：半实物仿真；电子控制；单片机；信号模拟；电控燃油喷射；故障诊断
ABSTRACT
The modern’s automobile industry has already entered the mature development phase, so the automobile also by the pure mechanical product development for senior integration of machinery product, so SCM makes use of modern technology in vehicles has been widely applied and developed. Public GTX engine hardware-in-the-loop simulation system design The experiment table’s research and design, based primarily on automotive electronic control technology experimental practice teaching needs, realizes teaching function and so on system principle demonstration, fault setup, diagnostic tests for automobile electrically controlled, and achieve the purpose of assistance teaching. Based on experiment table can help student understood the automobile electrically controlled system and the monolithic integrated circuit control technology unifies the principle, raises student's project practice ability. Manufacture for the experiment table, take reaches the data flow form the Jetta’s engine of VW Automobile, has targeted for the VW’s Automobile.
The idea of the design for system , take the monolithic integrated circuit control as the core, outputs the signal using the monolithic integrated circuit to simulate each kind of sensor signal, controls the firing device and injection devices in the experiment table. Thus causes the experiment in to be separated from the engine main body in the situation to carry on the firing and the injection teaching demonstration, realizes it normal work. when the SCM output normal signal ,can detection the automobile’s Electronic Control Unit whether normal work, realizes tests and analysis for data flow, through match with the external instrumentation reasonably , diagnosis to the engine. Experiment table structure compact, operation is simple, the teaching effect direct viewing and vivid, can satisfy the teaching request which the automobile practical training for teaching.
Key word: The hardware-in-the-loop simulation; Electronic control; Monolithic integrated circuit ; Signal imitation; Electronic -controlled fuel oil injection; Diagnostics
第1章 绪 论
1.1引言
系统仿真是迅速发展起来的一门新兴学科，随着系统仿真的理论方法和应用技术的研究和深入以及计算机技术的发展，应用计算机对实际系统或假想的的系统进行仿真的技术越来越受到人们的重视。总结和回顾系统仿真系统的应用历史，系统仿真技术不仅在航天，航海，原子能，电力等领域进一步提高了应用水平，而且逐步发展到应用于社会，经济，交通，生态系统等各个领域，已成为高科技产品从论证，设计，生产试验，训练到更新等生命周期各个阶段不可缺少的技术手段，为研究和解决复杂的系统问题提供了有效的工具。
目前，电子技术在汽车上的应用主要以微处理机对各种工作过程进行控制为主要特征。微处理机实质上就是一种比较简单、便宜的单片计算机。它把中央处理单元（CPU）、存储器和输入输出接口电路集成在一块芯片上。微处理机工作时，通过各种传感器接受各种输入信号，经过分析、计算后再向执行机构发出指令，控制机械装置动作。由于汽车运行时，发动机和传动机构的工作过程相当复杂，因此，要对其进行适时控制，传统的机械机构已力不从心，而微处理器在这方面却能大显身手。
在本仿真系统设计中，本人主要是用单片机模拟各种传感器信号，编写传感器信号发生程序。从而可以用此程序来实现汽车微处理机对执行机构的控制，并且可以检测微处理机的工作是否正常。
1.2课题研究的背景与意义
近２０多年来，随着计算机和电子技术的发展，汽车工业和汽车技术取得了长足进步。采用电子技术已经成为解决汽车质量与性能诸多问题中的最佳方案。应用微机控制发动机的喷油与点火就是为了适应社会对汽车排放法规与节能的要求。目前，多数轿车都已装用发动机管理系统，对发动机各个系统进行综合控制发动机的控制已由早期的模拟装置发展成为微机控制的数字控制系统。在发动机管理系统中，微机不仅控制点火定时与喷油系统的空然比，还控制怠速转速，爆燃，增压压力，近期和废弃再循环以及变速器传动诸多方面，还增加了自诊断系统，后备系统与保护装置，提高了整个控制系统的可靠性。
现代汽车工业已经进入成熟的发展阶段，世界各大汽车制造商为进一步地争夺汽车销售市场，不断加强开发投资力度，试图以提高汽车安全性、降低能耗、改善舒适性和增加功能等来推动汽车工业向高附加值方向发展。汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物，汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命。在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛，汽车已经由单纯的机械产品发展为高级的机电一体化产品，成为所谓的“电子汽车”。
汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。随着电子信息技术的飞速发展, 现代汽车技术与电子技术、信息技术融合在一起, 汽车已成为现代科技的载体和结晶。据核计，目前平均每辆车上的电子装备已经占到整车成本的20%-30%，在一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到50个，电子产品费用占到整车成本的50%以上。可以说,目前电子技术的应用已经深入到汽车所有的系统并在提高汽车的操纵性能、燃油经济性、可靠性和自动化程度等方面发挥着越来越重要的作用。在发达国家，汽车已经进入电子时代，汽车电子控制技术已经成为当代汽车技术领域关注和研究的重点问题。
由此可以看出，现代汽车已不再是传统的机电产品，其中汽车的机械部分的发展已经达到了极致，汽车继续改进的空间将集中在传统汽车技术和电子技术的的结合上，汽车上70%的革新来自汽车电子技术及产品。然而，由于汽车运行的环境多变，特别是发动机所处的环境恶劣，因此，由发动机电子控制系统引起的故障也相应增多。据相关从事汽车维修多年的人员表示，现代汽车由于电控系统引起的故障大约占全车故障的70%，特别是新车。发动机电子燃油喷射是一项涉及面很广的技术，它包括了传感器技术、微处理技术、控制工程等多方面知识。并且，在汽车修理过程中，由于车系、车型的差别，维修人员判定传感器元件信号及电子控制单元导致的故障很困难。这就给汽车维修和汽车教学带来了很大的障碍。而现有的教学试验台架绝大部分仍然基于传统的发动机，这是制约学生理论学习和提高实践能力的一个重要原因。本设计通过对发动机电子控制部分实施改制，使之形成可以脱离发动机本体试验的系统设计，应用相应传感器来模拟实际运行工况，实现故障诊断，通过故障代码的分析，查找并排除故障。研制出一套对汽车电子控制系统诊断准确、操作方便、快速经济的故障诊断系统，从而把理论教学与实践过程有机地结合起来，使理论教学更直观，实践过程更容易。
1.３ 国内外汽车电子系统的半实物研究状况
我国仿真技术的研究与应用开展得比较早，发展迅速。80年代就建设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统，如射频制导导弹半实物仿真系统、工程飞行模拟等等，主要应用于军事用途。目前半实物仿真在工业、交通优化逐步开始应用，同时，半实物仿真技术已成为国内汽车工程师研究的热点，已满足应用设计周期的缩短、产品质量要求的提高、开发及设计费用的减少的要求。
在国外，汽车公司的工程师感到他们需要一种替代传统设计的新途径。他们曾经尝试过的方法所遇到的主要问题还是硬件原型的不完备，整个设计在工程化时需要重新设计和重新编程。因此汽车公司的工程师开始寻找一种新的方法来填补传统与现代的汽车电子控制系统开发之间的空白，使得需求定义者控制器设计人员有一个共同的坚实基础。
故障诊断(Diagnostics)，是指确定故障的起因，即在不拆卸发动机本体或仅拆下个别零件的条件下，查找故障零件部位和查明故障原因的过程。诊断技术，是指能用于发现和分析故障元件及故障区域的技术。按故障诊断技术从无到有，与电控燃油喷射技术的发展水平相对应的诊断技术可分为人工经验诊断、简单仪器诊断、精密监测诊断和人工智能诊断四个阶段。
人工经验诊断：20世纪50年代以前，发动机结构较简单，电控燃油喷射系统还没有应用于汽车发动机，通过简单的测试仪表，如转速表、气压表、真空表电压表、电流表等，或者是判定发动机是否有异响、是否过热、有异味等情况。再依靠人工经验来完成对的发动机故障诊断工作。目前，人工经验诊断方法对某些复杂故障的诊断仍十分有效。
简单仪器诊断：20世纪50年代初至70年代末，由于汽油喷射系统开始应用于汽车发动机，传感器、微处理器技术、控制工程技术也随之在汽车发动机上得到应用。因此，在汽油喷射系统故障诊断过程中就必须借助相关传感器、微处理器及示波器等仪器设备对发动机的工况进行检测，以判定其工作性能的好坏。
精密监测诊断：20世纪80年代初至90年代初，电子技术的进步，对电控燃油喷射系统的控制内容更加全面，控制程度更加精确。随之，以计算机技术为核心的各种精密诊断设备得到了快速的发展，对电控发动机故障诊断的准确率也有了很大提高。如各种发动机分析仪、点火正时仪、电脑检测仪以及各种电子化检测仪表等都是进行精密检测所必备的仪器。
人工智能诊断：20世纪90年代开始，由于汽车电控燃油喷射技术的不断完善，而且车型及其控制技术又不尽相同。因此，在汽车维修中，故障诊断就成为关键性问题。应用人工智能理论与技术以及现代的信息技术开发出的各种故障系统将有助于电控燃油喷射系统故障诊断问题的解决。
1.4半实物仿真技术的发展趋势
近年来，一些新的科学分支的出现和发展及其在设备故障诊断中的成功应用，为汽车故障诊断技术的发展开拓了新的途径。由于汽车电子化的趋势是从整体上来设计全车的控制系统，因此，现代故障诊断系统的技术正向着故障专家系统、人工智能故障诊断系统方面发展，开发要求是：具有在线更新自诊断功能、故障预测功能、自我保护功能，并且还可以实现在线信息资源的交流与共想。
1.5本半实物仿真系统的主要研究内容
（1）半实物仿真系统的设计：具有较强的演示功能，可以实现随车故障诊断以及针对不同电子控制系统元件进行信号测试；
（2）控制面板的设计：能够实现与大众车系不同测试车辆控制系统的连接，实现车辆控制信号测试；
（3）车用传感器信号程序编制：编制曲轴转速、转角等车用传感器信号，并进行调试；
（4）实现相关教学功能，可以进行喷油和点火演示，使学生能够直观看到发动机的喷油和点火，并对不同的演示现象进行必要的分析。
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