基于物聯(lián)網的高壓共軌試驗臺測控系統(tǒng)設計*

韓丹

基于物聯(lián)網的高壓共軌試驗臺測控系統(tǒng)設計*

韓丹

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 汽車工程學院，陜西 咸陽 712000）

高壓共軌系統(tǒng)作為目前柴油機普遍采用的噴油系統(tǒng)，可以提高燃燒效率，降低尾氣污染物排放。為解決高壓共軌試驗臺因不具備聯(lián)網功能而無法進行噴油規(guī)律數據搜集和分析的問題，文章設計了一套基于物聯(lián)網模式的高壓共軌試驗臺測控系統(tǒng)。采用觸摸屏作為本地人機交互方式，物聯(lián)網通信模塊為遠程通信方式，實現(xiàn)了在良好人機交互的前提下的遠程數據采集功能，為電控燃油噴射系統(tǒng)噴油規(guī)律的研究提供了基礎。

高壓共軌系統(tǒng)；物聯(lián)網；燃油噴射

引言

高壓共軌試驗臺是研究噴油規(guī)律和校驗噴油器的主要裝備，在柴油機的研發(fā)、應用和維修中有著不可替代的作用。目前高壓共軌試驗臺應用中以校驗噴油器為主，僅具有噴油器控制、軌壓監(jiān)控、流量監(jiān)測等功能，且為單機獨立工作模式，不具備聯(lián)網功能。單機獨立工作的高壓共軌試驗臺噴油規(guī)律數據搜集和分析能力較弱，無法進行大量數據的采集和分析任務，限制了在其噴油規(guī)律研究中的應用。因此本文研究在試驗臺常用功能基礎上增加聯(lián)網功能和遠程數據采集存儲功能的物聯(lián)網高壓共軌試驗平臺，實現(xiàn)對試驗臺工作過程中的狀態(tài)數據和噴油數據的本地和遠程實時數據采集，為噴油規(guī)律的大數據分析提供基礎。

1 電控燃油噴射系統(tǒng)

柴油機燃油噴射系統(tǒng)油路部分如圖1所示，主要包括高壓油泵、高壓油管、共軌管、噴油器、回油管等組成。

高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)工作時，首先由低壓油泵向高壓油泵供給低壓燃油，高壓油泵在主軸帶動下將燃油通過高壓油管輸送至共軌管，使共軌管內燃油維持一定范圍內，在ECU控制下高壓油管內的高壓燃油通過噴油器噴射定量的燃油，完成噴油過程。由于噴射過程全部為電子控制，可以靈活控制噴油時刻和噴油量。較高的燃油壓力可以使噴射更均勻一致，燃燒更充分，因此可以提高燃油燃燒效率。

圖1 高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)組成結構圖

2 測控系統(tǒng)總體結構設計

為實現(xiàn)燃油噴射過程監(jiān)控和遠程數據傳輸，采用周立功IoT9608工業(yè)物聯(lián)網控制器作為核心設計測控系統(tǒng)和遠程通信系統(tǒng)。IoT9608控制器是由廣州致遠電子有限公司開發(fā)的物聯(lián)網專用控制模塊，如圖2所示。該模塊基于Cortex-A8 AM3352處理器開發(fā)，包含8路A/D轉換、18個IO端口、支持RS485通信和多種聯(lián)網方式，具體參數如表1所示。

圖2 IoT9608控制器實物圖

由表1可知，IoT6908支持多種通信方式并包含多個外設接口，足夠滿足試驗臺各項參數的監(jiān)控需求。測控系統(tǒng)的總體結構如圖3所示，由以IoT9608為核心的監(jiān)控終端和遠程服務器兩部分組成。監(jiān)控終端主要完成試驗臺控制，包括傳感器信號采集、軌壓控制和噴油器控制等；遠程服務器接收監(jiān)控終端記錄的各項數據并將其存儲值數據庫中。由于試驗臺安裝在室內固定環(huán)境，安裝環(huán)境中多具有無線網絡，因此監(jiān)控終端和遠程服務器之間的通信采用了WiFi通信方式，監(jiān)控終端通過WiFi模塊連接至互聯(lián)網并訪問遠程服務器。

監(jiān)控終端的人機交互部分選用威綸通公司的MT8101iE工業(yè)觸摸屏作為人機交互界面，實現(xiàn)參數設置、數據顯示和數據本地存儲功能。

表1 IoT9608參數列表

3 監(jiān)控終端硬件電路設計

硬件電路是整個測控系統(tǒng)的基礎，良好的硬件設計可以減小干擾、提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。為此，本文基于IoT9608設計了傳感器信號采集電路、燃油計量單元驅動電路和噴油器驅動電路以實現(xiàn)參數監(jiān)測和噴油控制。

3.1 信號采集電路設計

測控系統(tǒng)中傳感器分別為測量共軌壓力的軌壓傳感器、測量噴油量的噴油量傳感器、測量回油量的回油量傳感器和測量主軸轉速的轉速傳感器，其中軌壓傳感器為電阻應變式傳感器，工作時隨著共軌壓力的變化傳感器電阻值發(fā)生變化，然后通過惠斯通電橋和轉換電路將電阻值轉換為0-5V電壓信號；噴油量和回油量傳感器通過測量一定噴油次數時噴油和回油量杯內的液位高度得到測量結果，并將液位高度轉換為0-5V電壓信號；主軸轉速測量采用Omron公司的工業(yè)級E6C2系列200線增量式旋轉編碼器進行測量，改編碼器可以將轉速信號轉換成脈沖信號，每轉輸出脈沖數為200，因此可以通過測量脈沖頻率的方式得到主軸轉速。

綜上，傳感器按輸出信號可以分為0-5V模擬量傳感器和脈沖數字量傳感器兩類。通過實際測量發(fā)現(xiàn)模擬量傳感器在試驗臺工作時會受到較大干擾，如果不濾除干擾信號則無法得到準確的測量結果。由于干擾信號為高頻信號，而實際信號變化緩慢，因此設計了RC低通濾波電路。所有模擬量傳感器均有參考地、信號輸出和參考5V電源三個引腳，輸出信號為0-5V，軌壓傳感器對應實際軌壓值為0-150MPa，噴油量和回油量傳感器對應實際油量為0-50ml。輸出信號經濾波電路后連接至IoT9608控制器的ADC端口，進行A/D轉換，A/D轉換結果通過線性變換得到測量結果的實際值。脈沖數字量傳感器由于輸出為數字脈沖信號可以由控制器的IO端口直接測量，因此旋轉編碼器的輸出端直接連接至控制模塊的IO端口，通過測量脈沖頻率得到主軸轉速值。

3.2 燃油計量單元驅動電路

由于IoT9608控制器的IO端口輸出能力有限，無法直接驅動燃油計量單元，因此需要專門的信號放大電路將控制器的控制信號放大后驅動燃油計量單元。

在博世官方給出的的工作參數中，線圈電阻為2.6~3.15Ω，燃油計量單元開閉大小受工作電流控制，無供電時處于最大狀態(tài)，電流越大閥門越小，其中最大工作電流為1.8A。由此，可以采用脈寬調制（PWM）的方式對燃油計量單元開閉大小進行控制，通過控制器IO端口輸出PWM信號調節(jié)脈沖寬度來實現(xiàn)工作電流調節(jié)。博世官方給出的參考脈寬調制控制頻率范圍為165~195Hz。電路采用P-MOS管AO3401對單片機信號進行放大后驅動燃油計量單元。

3.3 噴油器驅動電路設計

由于噴油器開啟和保持需要不同的工作電流，因此驅動電路需要根據噴油器的狀態(tài)切換輸出電流。本文采用了雙占空比 PWM 脈沖信號進行控制，在開啟階段為保證較高的電流采用 100%占空比即全開輸出，當噴油器開啟后立刻轉入低占空比使噴油器處于保持狀態(tài)，通過測試發(fā)現(xiàn)噴油器開啟后占空比在 15%比較合適。

圖4 噴油器驅動電路原理圖

噴油器的驅動電壓為48V，開啟時電流要求為19.3A，但開啟時刻的瞬時電流可以達到數十安培到上百安培，因此驅動模塊要有較大的電流余量，但大電流MOS管存在發(fā)熱嚴重、成本高昂的問題，本文采用了4個IR3205 N-MOS管并聯(lián)方式進行驅動，并且采用光耦隔離方式將控制器的控制信號與驅動電路隔離開，避免了噴油器通斷時對控制器的干擾，驅動電路如圖4所示。

4 監(jiān)控軟件設計

監(jiān)控軟件包含IoT9608控制器Linux程序和觸摸屏人機交互界面兩部分，其中Linux程序由A/D轉換子程序、脈沖頻率計數子程序、噴油器控制PWM子程序、軌壓控制子程序、WiFi通信子程序和Modbus通信子程序組成，各子程序分別占用一個進程共同完成數據監(jiān)測和控制任務。A/D轉換子程序完成模擬量傳感器的數據采集和線性變換任務，脈沖頻率計數子程序完成旋轉編碼器輸出脈沖采樣并計算主軸轉速，噴油器控制PWM子程序根據設置的噴油次數和脈寬完成噴油動作，軌壓控制子程序讀取當前共軌壓力值與設定值進行比較并根據比較結果調整燃油計量單元開度，WiFi通信子程序完成所有參數向遠處服務器的上傳任務，Modbus通信子程序接收觸摸屏的Modbus指令并進行解碼，根據指令要求向其他個子程序發(fā)送設置值或讀取參數值。

觸摸屏人機交互界面是操作人員對試驗臺進行設置和操作的工作界面，主要完成試驗臺工作參數設置，如共軌壓力、噴油脈寬、噴油次數等，并進行工作過程中試驗臺參數的實時顯示和本地存儲。

5 遠程服務器程序設計

圖5 服務器工作流程圖

遠程服務器是實現(xiàn)試驗臺聯(lián)網并進行數據存儲的主要方式，一臺服務器可以同時接受和監(jiān)控多臺試驗臺，為噴油數據的搜集提供有效手段，也是進行大數據處理的必要條件。遠程服務器主要作為服務端響應試驗臺發(fā)送的存儲服務請求，采用MQTT協(xié)議進行通信，服務器工作流程如圖5所示，在接收到試驗臺發(fā)送的工作參數數據后，將數據直接存儲在MySQL數據庫中，便于后續(xù)查詢和分析，數據庫字段包括噴油器型號、記錄時間、共軌壓力實際值、共軌壓力設定值、噴油脈寬、噴油次數、噴油量、回油量等。

6 結論

本文基于物聯(lián)網通信協(xié)議MQTT設計了高壓共軌試驗臺測控系統(tǒng)，以物聯(lián)網控制器IoT9608為核心實現(xiàn)了噴油控制、軌壓控制、噴油量和回油量監(jiān)測、主軸轉速監(jiān)測等測控

功能，并且基于WiFi模塊實現(xiàn)了遠程聯(lián)網功能和測控數據的遠程實時監(jiān)測與存儲，為噴油規(guī)律的大數據積累提供了平臺。

[1]韓丹.電控燃油噴射系統(tǒng)循環(huán)供油準確性相關影響因素的研究[D].石河子大學,2016.

[2]李鐵栓,崔國旭,黃小丁,張幽彤.高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)智能化試驗臺研究[J].車輛與動力技術,2010(02):24-27.

[3]龔永罡,付俊英,汪昕宇,王蘊琪,高爽.MQTT協(xié)議在物聯(lián)網中的應用研究[J].電腦與電信,2017(11):89-91+94.

[4]雷霖,唐成達,賴真良,趙永鑫,張鵬.高壓共軌噴油器驅動電路的優(yōu)化設計[J].車用發(fā)動機,2018(06):66-70.

Design of Control System for High Pressure Common Rail Test Bench Based onthe Internet of Things*

Han Dan

（Shaanxi Polytechnic Institute, College of automobile engineering, Shaanxi Xianyang 712000）

High pressure common rail system is widely used for diesel engines, which can improve combustion efficiency and reduce exhaust emission.This paper designs high pressure common rail control system based on the Internet of things mode,in order to solve the problem that the high pressure common rail test bench cannot collect and analyze the data of fuel injection rule because of the lack of networking function.Touch screen is adopted as the local human-computer interaction mode. And the Internet of things communication module is the remote communication mode.The remote data acquisition function is realized on the premise of good man-machine interaction.It provides the foundation for the study of the injection rule of the electronic control fuel injection system.

high pressure common rail system;the Internet of things;fuel injection

U461.99

A

1671-7988(2019)14-120-04

U461.99

A

1671-7988(2019)14-120-04

韓丹（1991-），女，碩士，助教，主要從事汽車電子技術方面的研究。

院級科研計劃項目（ZK18-21）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.039