基于DSPF2812的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于海征， 馮國(guó)勝， 袁新華， 鄧曉龍， 李鵬飛

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

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基于DSPF2812的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于海征， 馮國(guó)勝， 袁新華， 鄧曉龍， 李鵬飛

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

在研究現(xiàn)有的幾種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種以T型測(cè)速方法為原理，以DSPF2812為控制核心的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的測(cè)量原理以及實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的軟件編程方法和信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，最后對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在實(shí)際測(cè)試中取得了良好的效果。該系統(tǒng)具有測(cè)速精度高、測(cè)速范圍廣以及實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究、故障處理以及后續(xù)的分析提供了重要的參考依據(jù)，同時(shí)該系統(tǒng)還可以應(yīng)用到電機(jī)測(cè)速等其它測(cè)速領(lǐng)域，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；測(cè)量 ；DSPF2812；T型法測(cè)速；LabVIEW

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)總體構(gòu)造的核心部分，為了獲取汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，需要對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，并精確記錄轉(zhuǎn)速值[1]。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行后續(xù)的檢測(cè)、維修和保養(yǎng)提供了重要的參考依據(jù)，所以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有重要的意義和價(jià)值。為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，本設(shè)計(jì)以T型法測(cè)速為原理，通過(guò)應(yīng)用DSPF2812的捕獲單元采集發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和計(jì)算，同時(shí)采用新的軟件編程方法，在確保發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試精度的基礎(chǔ)上增大了所測(cè)轉(zhuǎn)速的范圍，最后通過(guò)應(yīng)用LabVIEW軟件與DSPF2812的串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)。

1 測(cè)量原理及總體設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量原理

圖1 T法測(cè)速原理示意圖

數(shù)字測(cè)速具有測(cè)速精度高、分辨能力強(qiáng)、受器件影響小等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字測(cè)速方法主要有M法測(cè)速、T法測(cè)速以及M/T法測(cè)速3種[2]。與其它兩種測(cè)速方法相比，T型法測(cè)速具有原理簡(jiǎn)單以及軟件編程方法易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠保證一定的測(cè)量精度。本設(shè)計(jì)將T型測(cè)速方法應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)在軟件編程方法上進(jìn)行了改進(jìn)，與現(xiàn)有的應(yīng)用DSP實(shí)現(xiàn)T型測(cè)速方法相比，在保證測(cè)量精度的基礎(chǔ)上增大了轉(zhuǎn)速的測(cè)量范圍。

T法測(cè)速，又被稱(chēng)為測(cè)周法測(cè)速，原理是通過(guò)測(cè)量被測(cè)信號(hào)兩個(gè)輸出脈沖之間的間隔時(shí)間T來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。測(cè)量時(shí)間T是以發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)的上升邊沿作為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，應(yīng)用高頻脈沖的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)計(jì)算出來(lái)的，其原理示意圖如圖1所示。

1.2 總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)噴油脈沖信號(hào)之間高速時(shí)鐘脈沖數(shù)的測(cè)量，本設(shè)計(jì)采用DSPF2812為控制核心。DSPF2812的CPU主頻高達(dá)150 Hz，時(shí)鐘周期為6.67 ns，具有高性能的32位中央處理器[3]，具有兩個(gè)相同的事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)EV模塊具有2個(gè)通用定時(shí)器、3個(gè)全比較單元以及3個(gè)捕獲單元。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，得到可測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)并傳輸給DSPF2812的輸入捕獲單元，運(yùn)用DSPF2812的計(jì)數(shù)器T1在發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)對(duì)已知頻率為f0的高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，得出M2的值，最后通過(guò)M2和f0的值來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速值通過(guò)串口發(fā)送到LabVIEW軟件，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)

通過(guò)示波器觀察，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)存在反向脈沖，并且脈沖的幅值過(guò)高，如圖3所示。由于DSPF2812的捕獲單元不能輸入負(fù)電壓并且脈沖信號(hào)的峰值電壓不能過(guò)高，所以發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)的反向脈沖必須濾掉，同時(shí)為了避免汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主回路中對(duì)控制回路的弱電信號(hào)產(chǎn)生干擾，必須對(duì)主回路和控制回路進(jìn)行隔離。依據(jù)本設(shè)計(jì)的測(cè)量原理，下面給出以DSPF2812為控制核心的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)(如圖4所示)。

發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)通過(guò)二極管M7，將反向脈沖過(guò)濾，并應(yīng)用光耦隔離避免主回路對(duì)控制回路的干擾以及避免由于輸入輸出端使用不同的地而產(chǎn)生干擾。發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)經(jīng)輸入端2進(jìn)入，輸入端1接發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)地，輸出端接DSP的捕獲單元，當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，輸出端為0 V，當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，輸出端為3.3 V。發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)經(jīng)調(diào)理后的波形如圖5所示，經(jīng)調(diào)理后的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)能夠滿(mǎn)足DSP捕獲單元捕獲脈沖信號(hào)的要求。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

圖5 調(diào)理后的噴油脈沖信號(hào)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

本設(shè)計(jì)應(yīng)用DSP的通用定時(shí)器T1進(jìn)行高速時(shí)鐘的累加，將捕獲引腳CAP1定義為功能引腳，允許定時(shí)器溢出中斷和捕捉中斷，系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)由CAP1引腳輸入，當(dāng)捕獲單元捕捉到上升沿時(shí)，計(jì)數(shù)寄存器T1的當(dāng)前值就存入捕獲單元的2級(jí)FIFO堆棧中，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)捕獲中斷請(qǐng)求，之后進(jìn)入捕捉中斷處理子程序。在捕獲中斷子程序中通過(guò)讀取2級(jí)堆棧棧頂?shù)闹挡①x給變量CAPK1，同時(shí)利用CAPK2變量記錄后一次捕捉時(shí)刻T1的值，傳統(tǒng)計(jì)算方法不考慮溢出的問(wèn)題，兩個(gè)相鄰上升沿的高頻脈沖計(jì)數(shù)次數(shù)即為CAPK2與CAPK1與值之差，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較大，尤其是在轉(zhuǎn)速較低時(shí)在兩次捕獲中斷之間定時(shí)器T1可能發(fā)生溢出，所以傳統(tǒng)計(jì)算方法所能測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍受到限制，為確保測(cè)量準(zhǔn)確，本設(shè)計(jì)在軟件編程中考慮了定時(shí)器T1的溢出問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)初始化以及事件管理器模塊初始化，設(shè)定高速時(shí)鐘脈沖頻率f0為1.171 875 MHz，開(kāi)定時(shí)器上溢中斷和捕獲中斷。在定時(shí)器T1溢出中斷子程序中用變量R記錄定時(shí)器的溢出次數(shù)，由于轉(zhuǎn)速的計(jì)算需要記錄兩次的時(shí)間和溢出次數(shù)，程序中采用每?jī)纱沃袛嘤?jì)算一次轉(zhuǎn)速值，應(yīng)用CAPK1記錄FIFO棧底中的值，在第一次進(jìn)入中斷時(shí)將CAPK1的值賦給CAPK2，第二次中斷時(shí)由測(cè)得的CAPK1、CAPK2以及R的值可以得到兩個(gè)上升沿之間定時(shí)器T1的高頻脈沖次數(shù)M2，最后根據(jù)定時(shí)器T1的時(shí)鐘頻率f0和M2計(jì)算可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，程序中中斷的次數(shù)由變量i2確定。與傳統(tǒng)的編程方法相比，本方法考慮了定時(shí)器的溢出問(wèn)題，同時(shí)在記錄定時(shí)器的值時(shí)采用讀取FIFO棧底的值而不是讀取棧頂?shù)闹担@樣可以實(shí)現(xiàn)更大的測(cè)速范圍，經(jīng)測(cè)試，最低測(cè)量頻率可達(dá)1 Hz。中斷服務(wù)子程序的流程圖如圖7所示。捕獲中斷子程序代碼如圖8所示。

圖7 中斷服務(wù)子程序流程圖

3.2 信號(hào)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在DSPF2812配套的CCS編程軟件中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)查看，但是該種方法可讀性和實(shí)時(shí)性較差，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，本設(shè)計(jì)采用DSP 和上位機(jī)之間通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。LabVIEW是一種基于數(shù)字流的編程語(yǔ)言，其特點(diǎn)是圖形化模塊化，將 DSP 運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)通過(guò) RS232 串口發(fā)送至 PC，采用LabVIEW對(duì)串口收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、處理和存儲(chǔ)[4]。

DSP通過(guò)SCI模塊與LabVIEW的VISA模塊實(shí)現(xiàn)串口通信，SCI采用查詢(xún)方式進(jìn)行發(fā)送，通過(guò)更改寄存器的值，將波特率設(shè)置為9 600，8位數(shù)據(jù)位，一位停止位。在實(shí)際的通信過(guò)程中，考慮到 DSP 的串行緩沖區(qū)和 PC的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)位最大是 8 位，而要發(fā)送的轉(zhuǎn)速信號(hào)值為16位，在發(fā)送過(guò)程中采用將高8位和低8位進(jìn)行依次發(fā)送[5]，在LabVIEW接收程序中再將數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，通過(guò)計(jì)算得到實(shí)際的轉(zhuǎn)速值，但由于高、低8位的依次發(fā)送造成了接收時(shí)的不明確，無(wú)法確定接收的數(shù)據(jù)是高8位還是低8位，為解決這一問(wèn)題，在發(fā)送軟件中加入了辨識(shí)位AB、CD，所以只需要在接收程序中加入辨識(shí)位的判斷即可確定高、低8位。DSP的SCI發(fā)送程序代碼如下：

圖8 捕獲中斷子程序代碼

LabVIEW接收程序中，通過(guò)VISA庫(kù)中的串口通信函數(shù)設(shè)定VISA資源名稱(chēng)、波特率、停止位、數(shù)據(jù)位以及校驗(yàn)位，并且確保與DSP發(fā)送程序中設(shè)定的值相同，否則無(wú)法完成接收。在接收程序中首先判斷辨識(shí)位，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行重組并計(jì)算，得到轉(zhuǎn)速值。LabVIEW程序前面板如圖9。

圖9 LabVIEW程序前面板

4 測(cè)試結(jié)果分析

應(yīng)用DSPF2812的捕獲單元模塊測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)的方法可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)可以保證較高的精度，該方法在極端情況下會(huì)產(chǎn)生1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的檢測(cè)誤差[6]，如圖10。

圖10 檢測(cè)誤差分析

為測(cè)試本系統(tǒng)的可行性，首先在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用信號(hào)發(fā)生器模擬發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈沖信號(hào)，為便于觀察測(cè)量結(jié)果，文中將測(cè)得的頻率值換算成轉(zhuǎn)速值，經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)可行。最后將本系統(tǒng)應(yīng)用于哈弗H6和福特?？怂沟溶?chē)型進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，所測(cè)得的轉(zhuǎn)速值與實(shí)際轉(zhuǎn)速值之間的誤差很小。函數(shù)發(fā)生器的模擬測(cè)量值以及實(shí)際測(cè)量值的數(shù)據(jù)如表1所示。通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析可得，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量和記錄汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

表1 函數(shù)發(fā)生器的模擬轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)論

基于DSPF2812的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)采集發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于調(diào)試，在保證測(cè)量精度的前提下增大了測(cè)量范圍，并且在實(shí)際測(cè)試中取得了較好的效果。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)提供了數(shù)據(jù)參考。同時(shí)本系統(tǒng)具有測(cè)量精度較高、測(cè)速范圍廣以及便于調(diào)試等特點(diǎn)，也可以將其應(yīng)用到電機(jī)速度測(cè)量等其它測(cè)速領(lǐng)域，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1]李益華，周黎明．汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2010,23(4):34-35.

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Design of the Measurement System for Engine Speed Based on DSPF2812

Yu Haizheng, Feng Guosheng, Yuan Xinhua, Deng Xiaolong, Li Pengfei

(School of Mechanical Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

On the basis of a study of several theories of measuring the engine speed, a system of testing the engine speed based on the theory of T is designed, in which DSPF2812 is regarded as the controller and the measuring principle, system hardware and software are given. LabVIEW is used to achieve the data processing and displaying. Good performance is obtained in actual measurement. The system has high speed measuring precision, wide speed range and the characteristics of real time, which can provide an important reference for researching the engine, solving problems and analysis. In addition, the system can be used for other fields, such as measuring the speed of motors, which has a good practicability.

engine speed; measurement; DSPF2812; theory of T; LabVIEW

2015-04-01 責(zé)任編輯:車(chē)軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.02.14

河北省自然科學(xué)基金(E2014210050)；石家莊市科研計(jì)劃項(xiàng)目(141081011A)；河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目(C2015005019)

于海征(1990-)，男，碩士研究生,主要從事車(chē)輛電子控制的研究。E-mail: yuhaizheng1111@163.com

U464.12+<3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：="" a="" class="emphasis_bold">3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 2095-0373(2016)02-0072-063 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：="" a=""

2095-0373(2016)02-0072-06

A 文章編號(hào)： 2095-0373(2016)02-0072-06

于海征，馮國(guó)勝，袁新華，等.基于DSPF2812的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(2):72-77.