基于VXI的发动机多参数测控系统模块设计..

基于VXI的发动机多参数测控系统院别:课程名称:实验教室:指导教师:小组成员（姓名，学号）:实验日期：评分：-1-目录论文总页数：31页简介....................................................................-2-发动机多参数测控系统组成.................................................-2-发动机多参数的测控设计...................................................-3-1、各模块需求分析.......................................................-3-1.1、转速测量........................................................-3-1.2、转矩测量........................................................-4-1.3、功率测量........................................................-4-1.4、燃油/燃气消耗量.................................................-5-1.5、温度测量........................................................-5-1.6、压力测量........................................................-6-2、各模块设计方案.......................................................-7-2.1、转速测量........................................................-7-2.2、转矩测量........................................................-9-2.3、功率测量........................................................-9-2.4、燃油/燃气消耗量................................................-13-2.5、温度测量.......................................................-15-2.6、压力测量.......................................................-18-2.7、MCU的选择.....................................................-20-3、VXI模块接口设计....................................................-21-3.1、VXI总线通信协议...............................................-21-3.2、VXI总线接口设计...............................................-22-3.3、VXI总线接口板卡设计...........................................-26-4、软件设计............................................................-26-4.1驱动程序设计....................................................-26-4.2应用软件设计....................................................-28-4.3VISA配置使用...................................................-29-4.4应用软件设计界面................................................-30-总结...................................................................-31--2-简介VXI总线以其标准化、通用化、系列化、模块化等显著特点，在电子测量、航空航天、工业等领域得到了广泛应用。发动机——是将某一种形式的能量转换为机械能的机器。其功用是将液体或气体的化学能通过燃烧后转化为热能，再把热能通过膨胀转化为机械能并对外输出动力。汽车的动力来自发动机。根据所用的燃料不同,常见的发动机可分为汽油发动机(简称汽油机)和柴油发动机(简称柴油机)两种。汽油机以汽油为燃料，柴油机以柴油为燃料。发动机是汽车的心脏，为汽车的行走提供动力，关系着汽车的动力性、经济性、环保性。简单来说，发动机就是一个能量转换机构，即将汽油（柴油）或天然气的热能，通过在密封汽缸内燃烧气体膨胀，推动活塞作功，转变为机械能，这是发动机最基本的原理。发动机的所有结构都是为能量转换服务的，发动机伴随着汽车走过了100多年的历史，无论是在设计、制造、工艺还是在性能、控制方面都有很大的提高，但其基本原理仍然没有改变。发动机多参数测控系统组成发动机自动测控系统是为满足各种不同类型的柴油机、汽油机、天然气、液化气发动机性能试验和出厂试验而精心设计的大型测控系统。它可与国内外各种不同的水力、电涡流、电力测功机配套，用于控制和测量发动机的转速、转矩、功率、燃油/燃气消耗量、温度、压力、流量等各种不同类型的参数。发动机自动测控系统由测控仪、油门励磁(水门)驱动仪、数据采集仪、智能油耗仪、油门执行器、多参数显示屏、DW/DWD系列电涡流测功机、系统软件等组成。-3-发动机多参数的测控设计1、各模块需求分析1.1、转速测量汽车发动机转速时选择正确的换挡时机提供参考，通过测量发动机的转速，及时监控转速及工作状况，使发动机保持额定转速，以减少发动机的磨损并减少油耗。为精确测量发动机转速，同时要满足非接触测量，我们将采用霍尔式电子点火系统来测量发动机转速，其工作原理如图1-1所示，霍尔式信号发生器的触发叶轮和分火头制成一体，由分电器带动。一般有发动机配器机构凸轮轴驱动，四冲程发动机转速与分电器凸轮轴转速比为2:1。通过测量出点火信号的周期T，乘以发动机冲程就是凸轮轴转速，再乘以2就是发动机转速。当出发叶轮转动时，每当叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的空气间隙时，磁场便被触发叶轮的叶片旁路挡住而不能作用于霍尔元件上，因此，霍尔元件不产生霍尔电压，当触发叶轮离开永久磁铁与霍尔元件之间的空气间隙时，永久磁铁3的磁通便通过导磁板5作用于霍尔元件2上，此时霍尔元件便产生霍尔电压U。对信号进行处理转换形成矩形脉冲信号。这样通过测量矩形脉冲型号的周期就可以得出发动机的转速。图1-1霍尔式电子点火系统工作原理-4-根据柴油机转动特点，霍尔传感器必须满足以下条件：电源电压范围宽；开关速度快,无瞬间抖动；工作频率宽（DC~100KHz）；寿命长、体积小、安装方便；能直接和晶体管及TTL、MOS等逻辑电路接口。1.2、转矩测量采用磁电式转矩仪来测量发动机的转矩，其工作原理如图1-2所示，它是依据扭力轴在受扭后产生的扭转角大小来测量外加转矩的，弹性轴转动受扭后，相距L的2只外齿轮扭转一个角度，发出的两列磁电脉冲信号产生相位差。图1-2磁电式转矩仪工作原理在柴油发动机中，测量转矩需要尽可能满足以下特点：短轴，高强度，惯性质量小，能承受高速旋转；非接触测量，高频响，高精度，高分辨率；抗过载能力高；集成数字电路，抗干扰能力强；顺时针旋转或逆时针旋转；通过电脑可以对传感器参数进行设置。1.3、功率测量测功机也称测功器，主要用于测试发动机的功率，也可作为、减速机、变速-5-箱的加载设备，用于测试它们的传递功率。主要分为水力测功机、电涡流测功机、电力测功机，由于电涡流测功机控制性能和响应速度明显优于水力测功机，而价格又远低于电力测功机。故我们采用电涡流测功机。1.4、燃油/燃气消耗量采用智能油耗仪ET2500，其实物如图1-3所示，来测量发动机燃油/燃气的消耗量，智能油耗仪ET2500是诚邦公司精心设计的ET2000系列发动机自动测控系统中的一个子系统，ET2500智能油耗仪采用一体化设计技术，油耗变送器和显示仪表集于一体，可以独立的完成发动机燃油消耗的测量。图1-3ET2500智能油耗仪实物性能指标：测量范围：O~2kg共10个规格；测量精度：±0.4％F.S；测量时间：1~99S任意设定；外型尺寸：lkg以下160×270×370mm(深、宽、高)、2kg以上450×350×500mm(深、宽、高)；外接油管规格：透明耐油胶管Φ12×1.5(1kg以下)，Φ20×1.5(2g以上)。1.5、温度测量气道温度检测设计，气道从结构上来说是一个结构非常复杂的部件。选择热-6-电偶和变送器以达到结构和测温量程的要求。汽车尾气余热发电气道温度检测系统，其原理如图1-4所示，如图中虚线框所示T1到T11为美国omega热电偶测温线，分度号T型，绝缘层耐温480℃变送器是T型智能温度变送器，输入、输出、电源三相隔离。图1-4汽车尾气余热发电气道温度检测系统根据柴油机的参数要求，我们采用XC-K-20-SLE热电偶线|K型高温热电偶线|美国omega陶瓷纤维热电偶线。详细参数：外敷绝缘层耐温-73℃-980℃；外覆绝缘层材质：陶瓷纤维；线芯材质镍铬合金/镍铝合金；线芯直径2x0.813mm；线芯绝缘层标记红为负极/黄为正极；长度每卷1000英尺/305米。可按客户需要剪断,焊接,加插头或绕线轴零售。此K型高温热电偶线可适合任何K型进口及国产的温度记录仪表使用。1.6、压力测量首先需要考虑的是压力传感器，压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。本次设计采用的是MD-PS002型压力传感器,原理图如图1-5所示，具有体积小,量程大等优点,应用领域有汽车的胎压测量,工业方面的空气压力车龄,消费品方面的高度计,和医疗电子方面的血压计等。MD-PS002的原理如图1-5所示。-7-图1-5MD-PS002原理+IN和-IN为传感器提供恒流源或者是恒压源,可以是5V恒压源,或者是1mA的恒流源。-OUT和+OUT提供输出电压,150KP的压力传感器输出电压的方位是60-100mV。2、各模块设计方案2.1、转速测量我们选用HAL3144E，其电特性如表1和表2所示。它是一款采用双极性工艺技术的单极性霍尔效应传感器IC，响应速度快，灵敏度高，具有略高的工作温度范围及可靠性，它由反向电压器、电压调整器、霍尔电压发生器、信号放大器、施密特触发器和集电极开路的输出级组成。其内部电路如图2-1所示，PCB如图2-2所示。表1HAL3144E霍尔效应传感器电特性-8-表2HAL3144E霍尔效应传感器极限参数表3HAL3144E霍尔效应传感器磁特性图2-1HAL3144E霍尔效应传感器内部电路图2-2HAL3144E霍尔效应传感器PCB-9-2.2、转矩测量我们选用ST公司的非接触式转矩测量仪RWT410，其实物如图2-3所示，它高精度（可达0.25%），高分辨率（可达0.02%），具有300%抗过载能力。TorqSenseRWT410/420系列，是一种内置集成电路，数字扭矩传感器，采用了最新的非接触式扭矩传感技术（SurfaceAcousticWaveTechnology），节约成本，并配有USB和RS232接口。图2-3RWT41