一種柴油機(jī)油嘴測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊燕

（廣州城市職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州　510405）

一種柴油機(jī)油嘴測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊燕

（廣州城市職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州510405）

針對柴油機(jī)油嘴機(jī)械化的裝置，提出一種高性能、智能化的測控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用高性能Cortex-M3作為處理器，4寸觸摸屏用作人機(jī)交互界面，內(nèi)嵌UCOS-II操作系統(tǒng)管理軟件。系統(tǒng)實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集、實時檢測設(shè)備參數(shù)，并采用PWM功能控制輸出。實驗平臺顯示，系統(tǒng)功能區(qū)分明確，集成度高運行穩(wěn)定，人機(jī)交互界面友善，操作方便。

柴油機(jī)油嘴；測控系統(tǒng)；Cortex-M3；觸摸屏

目前國內(nèi)只有噴油嘴總流量測試設(shè)備［1］，還沒有噴油嘴各個噴孔流量檢測的試驗臺，況且對噴油嘴各噴孔流量的測量還存在較多的困難［2］。在檢測方面［3］，針對柴油機(jī)油嘴的檢測系統(tǒng)一般是單路的、只檢測速度、大小、壓力、總流量中的某些指標(biāo)，設(shè)計的較為簡單；在控制輸出方面［4］，一般也是單路操作，控制輸出某一指標(biāo)量。隨著機(jī)動車工業(yè)發(fā)展的需要，研制噴油嘴各孔流量多路檢測和控制設(shè)備，無論是對噴油嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，還是對柴油機(jī)性能影響的研究或是對于噴油嘴的生產(chǎn)檢測都具有重要意義。

1　柴油機(jī)油嘴測控結(jié)構(gòu)

噴油嘴噴孔流量的大小及均勻性對柴油機(jī)的性能有重要影響。國內(nèi)車用柴油機(jī)大都采用四孔或五孔的孔式噴油嘴。噴孔的加工精度要求高、加工難度大，在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)偏差，國產(chǎn)噴油嘴在使用中常發(fā)現(xiàn)同一型號、同一批次的偶件，不僅總流量不同，而且各個噴孔的流量也有差異，從而造成噴油嘴的裝機(jī)性能明顯不同。

孔式噴油器是直噴式柴油機(jī)的重要部件，測控系統(tǒng)的設(shè)計主要有兩部分：1）對油嘴噴油量的檢測：關(guān)注的是其噴射壓力，噴霧質(zhì)量、噴孔總流量，以及噴油嘴各噴孔流量的檢測。噴油器各個噴孔流量的大小對柴油機(jī)的功率、扭矩、油耗和排放等性能指標(biāo)都是有重要影響的。2）對油嘴噴油的控制：要求能實現(xiàn)流量速度、大小、壓力、總流量的精確控制。

2　系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)柴油機(jī)油嘴測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計系統(tǒng)功能模塊如圖1所示，具體各部分功能如下：

圖1　系統(tǒng)功能模塊Fig．1　Function module of the system

①系統(tǒng)主控制芯片模塊：

系統(tǒng)采用ARM公司的Cortex-M3［5］處理器負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)管理。處理器采集多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過4寸LCD顯示屏顯示出來。它同時可以檢測各個模塊的工作狀態(tài)，包括油嘴流量速度、大小、壓力、總流量；控制多通道PWM，輸出脈沖個數(shù)和波形，實現(xiàn)對目標(biāo)的控制。

②系統(tǒng)顯示模塊：

系統(tǒng)采用4寸800*600分辨率的LCD顯示屏，把采集到的各種數(shù)據(jù)顯示給用戶。

③觸摸屏模塊

系統(tǒng)的主要輸入設(shè)備，各部分功能的調(diào)試和人機(jī)交互信息輸入都是通過觸摸屏來實現(xiàn)。系統(tǒng)使用電阻式的觸摸屏，精度為12 bit。

④油嘴檢測模塊

由多路傳感器組成，包括流量傳感器和壓力傳感器。負(fù)責(zé)對油嘴流量的速度、大小、壓力、總流量進(jìn)行檢測，并把檢測到的數(shù)據(jù)傳到系統(tǒng)主控模塊。

⑤旋轉(zhuǎn)脈沖檢測模塊

負(fù)責(zé)對系統(tǒng)輸出的脈沖個數(shù)進(jìn)行檢測以計算總流量，并把檢測到的數(shù)據(jù)傳到系統(tǒng)主控模塊。

⑥1路固定占空比的PWM輸出模塊

負(fù)責(zé)控制固定的輸出量，即實現(xiàn)噴油量的固定輸出控制。

⑦8路輪循PWM輸出模塊

負(fù)責(zé)動態(tài)調(diào)整輸出量的大小，即實現(xiàn)噴油量的可調(diào)節(jié)控制。

3　系統(tǒng)平臺硬件設(shè)計

柴油機(jī)油嘴測控系統(tǒng)硬件平臺［6］，主要由控制端硬件、供電電路和各控制驅(qū)動模塊3部分組成。人機(jī)交互界面控制端采用主控芯片Cortex-M3處理器，供電電路包括主控端電源電路、驅(qū)動端高壓產(chǎn)生電路，控制驅(qū)動模塊包括高低壓輸出驅(qū)動電路、驅(qū)動信號光耦隔離、油泵及共軌泵計量閥光耦隔離及驅(qū)動輸出等部分。

3.1電源供電電路

系統(tǒng)電源部分采用110 V和24 V兩組電壓供電：外部驅(qū)動電路采用110 V供電電路；CPU核心及其相關(guān)信號傳輸驅(qū)動組件，采用24 V供電電路，以盡量降低系統(tǒng)的功耗。如圖2所示，系統(tǒng)設(shè)計高壓產(chǎn)生電路，用于柴油機(jī)油嘴工作供電。

圖2　高壓產(chǎn)生電路Fig．2　Driving circuit of high voltage

3.2油嘴高低壓輸出驅(qū)動電路

柴油機(jī)油嘴高低壓供電部分采用不同的供電電路，其相應(yīng)的輸出驅(qū)動部分也不同，具體電路圖與線路連接如圖3所示。系統(tǒng)通過處理器3．3 V的輸出引腳，使能芯片IR2110S，實現(xiàn)控制信號的轉(zhuǎn)換，以此驅(qū)動110 V的高壓油嘴工作。

3.3柴油機(jī)油嘴工作電路

系統(tǒng)控制部分是直流低壓工作電路，柴油機(jī)油嘴工作部分是交流高壓工作部分，兩者之間工作需要設(shè)計相應(yīng)的隔離電路。如圖4所示，系統(tǒng)CPU工作部分和油嘴電路工作部分之間，采用信號光耦隔離及驅(qū)動輸出，避免不同類型電壓之間工作的串?dāng)_。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)中央處理器為Cortex-M3芯片，負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)的運算控制、驅(qū)動調(diào)配與界面管理。系統(tǒng)軟件設(shè)計的整體流程如圖5所示，主要包括引導(dǎo)加載程序Bootloader、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序4部分。應(yīng)用程序包括柴油機(jī)油嘴的檢測部分、數(shù)據(jù)運算處理部分和輸出控制部分，具體步驟為：系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化程序，隨即檢測啟動工況；檢測怠速工況，通過對柴油機(jī)噴油量大小，計算PWM脈寬輸出；根據(jù)輸出情況同時執(zhí)行噴油量脈寬的修正。系統(tǒng)隨后檢測啟動和怠速情況，同時對加減速度的脈寬輸出閾值做出相應(yīng)的調(diào)整；系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度，周期性檢測外來相應(yīng)事件的發(fā)生，并作相應(yīng)處理。如此反復(fù)執(zhí)行操作，最終返回初始狀態(tài)。

5　系統(tǒng)實際運行效果

系統(tǒng)開發(fā)了實時人機(jī)交互界面，同時采用4寸的LCD觸摸屏進(jìn)行顯示。用戶可以實時觀測柴油機(jī)油嘴工作狀態(tài)，根據(jù)需求以控制柴油機(jī)的工作。系統(tǒng)整體外觀及測試界面如圖6所示，系統(tǒng)界面美觀、操作簡潔方便，經(jīng)過多次的測試與使用，工作狀態(tài)運行穩(wěn)定。

圖3　油嘴輸出驅(qū)動電路Fig．3　Driving circuit of diesel injector

圖4　光耦隔離及驅(qū)動輸出Fig．4　Opto-isolator and output

圖5　軟件設(shè)計流程圖Fig．5　Flow chart of the software design

圖6　系統(tǒng)外觀及人機(jī)交互界面圖Fig．6　Surface and interface chart of the test system

6　結(jié)束語

根據(jù)柴油機(jī)測控裝置的結(jié)構(gòu)，以Cortex-M3芯片為中央處理器，通過加入油嘴檢測傳感器、脈沖傳感器檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)，PWM脈沖輸出控制柴油機(jī)油嘴噴油量，設(shè)計了一個柴油機(jī)油嘴的測控系統(tǒng)，。系統(tǒng)采用4寸電阻式液晶觸摸屏幕的顯示與輸入功能，作為直觀形象的人機(jī)交互界面。實驗平臺顯示，系統(tǒng)功能區(qū)分明確，集成度高運行穩(wěn)定，可多路同時檢測與控制，人機(jī)交互界面友善，操作方便。根據(jù)運行測試狀態(tài)與使用效果顯示，系統(tǒng)顯示信息清晰、操作方便、可拓展性強(qiáng)，方便柴油車維修人員對柴油機(jī)油嘴的測控，有較好的應(yīng)用價值。

［1］Baxter P D，Lang V．A Microprocessor-Based Positive Displacement Measurement System for Diesel Pump and Injector Performance Testing［J］．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1979，28（4）:317-320．

［2］Johansen T A，Egeland O．Free-piston diesel engine timing and control-stoward electronic cam-and crankshaft［J］．IEEE Transactions on Control Systems Technology，2002，10（2）: 177-190．

［3］繆雪龍，王先勇，俞建達(dá)，等．超多噴孔油嘴噴油規(guī)律試驗研究［J］．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2008（4）:307-312．

［4］陸玲亞，夏少華，王吉華，等．柴油機(jī)電控EGR系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究［J］．現(xiàn)代車用動力，2010（1）:6-9．

［5］王永虹，徐煒，郝立平．STM32系列Cortex-M3微控制器原理與實踐［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

［6］Kwang-il Hwang，Byoung-Jo Choi．Enhanced self-configuration scheme for a robust ZigBee-based home automation ［J］．IEEE Transactions on Consumer Electronics，2010，56 （2）:583-590．

Design and implementation of measurement and control system for diesel injector

YANG Yan
（Guangzhou City Polytechnic，Guangzhou 510405，China）

A kind of measurement and control system，which is high-performance and intelligent，is proposed for the diesel injector in this paper．The high-performance Cortex-M3 as the processor；inches touch screen as human-computer interaction interface，and built-in UCOS-II as the operating system are employed in this system．Functions can be realized，such as multi-channel data acquisition，real-time monitoring，and output control based on PWM in this system．The system proposed in this paper is clear in function distinction，high in integration level，stable operation，friendly in human-computer interaction interface and easy operation，by the presented experimental platform．

diesel injector；measurement and control system；Cortex-M3；touch screen

TN803．5

A

1674－6236（2016）02-0062-03

2015-03-07稿件編號：201503100

廣州市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度課題（12A169）；廣州市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年度課題（2013A202）；廣州城市職業(yè)學(xué)院科研課題（Ky2013006）；廣州市科技計劃2015年科學(xué)研究專項（201510010192）

楊 燕（1968—），女，貴州貴陽人，碩士研究生，講師。研究方向：嵌入式系統(tǒng)，自動控制技術(shù)。