基于MSP430的無載測(cè)功系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

 　　1無載測(cè)功系統(tǒng)概述

　　發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效功率是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性能指標(biāo)之一，通過這項(xiàng)指標(biāo)，可以定性的評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀況，并定量的獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。目前發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率的檢測(cè)方法有穩(wěn)態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩種。

　　穩(wěn)態(tài)測(cè)功是指當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門開度一定，轉(zhuǎn)速一定和其他參數(shù)保持不變的穩(wěn)定狀態(tài)下，用機(jī)械測(cè)功器、電渦流測(cè)功器、水利測(cè)功器或在底盤測(cè)功試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法。利用這種方法測(cè)出的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確可靠，主要在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造、定型及院校和科研部門做性能試驗(yàn)時(shí)使用。其特點(diǎn)是測(cè)功一次費(fèi)時(shí)費(fèi)力較多，成本較高，且需要大型、固定安裝的測(cè)功器（這種測(cè)功儀器的費(fèi)用通常是很高的），因而在一般的運(yùn)輸、維修和交通監(jiān)理部門中采用不多。并且，除底盤測(cè)功試驗(yàn)臺(tái)外，其他測(cè)功器也不適合對(duì)汽車進(jìn)行不解體檢測(cè)。

　　動(dòng)態(tài)測(cè)功是在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速均變動(dòng)的狀態(tài)下測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)功率的方法。由于動(dòng)態(tài)測(cè)功時(shí)無須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)施加外部負(fù)荷，因而又稱為無負(fù)荷測(cè)功或無外載測(cè)功。動(dòng)態(tài)測(cè)功的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加負(fù)荷，不需大型設(shè)備，既可以在臺(tái)架上進(jìn)行，也可以就車進(jìn)行，因而大大提高了檢測(cè)的方便性和迅速性，特別適用于檢測(cè)在用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，適合于維修檢測(cè)等部門。

　　本系統(tǒng)采用光電傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集和處理，通過TI公司的MSP430F1232結(jié)合測(cè)試算法進(jìn)行研究。

　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為保證儀器對(duì)速度的測(cè)試精度，儀器擬采用光電傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，通過最小二乘法進(jìn)行曲線擬合以提高測(cè)試精度。

　　2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　硬件處理單元原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由微處理器、光電傳感器、信號(hào)采集及處理電路、鍵盤、LCD顯示、串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠纸M成。

　　2.1.1 MCU是該測(cè)功系統(tǒng)的核心，由它完成數(shù)據(jù)采樣處理及優(yōu)化，包括鍵盤輸入、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、以及PC機(jī)通信等功能。該系統(tǒng)采用的是TI公司的MSP430F1232混合信號(hào)控制器，其內(nèi)部有8K FLASH ROM，3個(gè)雙向并行I/O 口，其中P1和P2口都具有中斷功能（相當(dāng)于14個(gè)外部中斷）以及16位定時(shí)器A（帶3個(gè)通道），8通道10位最大轉(zhuǎn)換速度為200kspsA/D轉(zhuǎn)換器，串行通信接口等。另外該微處理器具有超低功耗的特點(diǎn)，在系統(tǒng)供電方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖1  智能化信號(hào)處理單元原理框圖

　　2.1.2 數(shù)據(jù)采集及處理電路：利用光電傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，輔以電路進(jìn)行整形處理。

　　（1）轉(zhuǎn)速傳感器的類型很多，因光電傳感器[1]具有線性度好、分辨率高、噪音小和精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以我們選擇光電轉(zhuǎn)速傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。在本系統(tǒng)中選用60齒的齒盤進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，齒盤每轉(zhuǎn)一齒將產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，這就意味著齒輪轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生60個(gè)脈沖信號(hào)。

　?。?）信號(hào)調(diào)理電路：傳感器輸出的信號(hào)是一系列不規(guī)則的信號(hào)，不利于單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)提取，通過此調(diào)理電路，經(jīng)低通濾波（RIN2、CIN1和RIN3、CIN2）除掉一部分毛刺，再由施密特觸發(fā)器74HC14將信號(hào)整形為規(guī)則的方波信號(hào)。電路設(shè)計(jì)為兩路輸入信號(hào)（其中一路為備用接口單元），通過端口引腳將數(shù)據(jù)送入單片機(jī)（如圖2所示）。

圖2信號(hào)調(diào)理電路

　　2.1.3鍵盤輸入及LCD接口電路[2]

　　按鍵屬于矩陣式設(shè)計(jì)，它由4個(gè)行線和4個(gè)列線組成。如圖3所示，一個(gè)4*4的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)16按鍵的鍵盤；設(shè)置十個(gè)數(shù)字鍵，用來輸入轉(zhuǎn)速閾值和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等值，復(fù)位鍵和清零鍵各占一位，其余為備用鍵。

　　LCD顯示部分采用的是具有漢字顯示功能的LCD模塊，OCMJ128*64能顯示8*4行漢字，可用來顯示當(dāng)前所測(cè)速度、加速度以及求得的瞬時(shí)功率和所需輸入的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息。

圖3鍵盤及LCD接口電路

　　2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.2.1無載測(cè)功系統(tǒng)模型建立[3]

　　本測(cè)功系統(tǒng)是基于動(dòng)力學(xué)的方法分析建立的，原理為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)分開時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速或某一低轉(zhuǎn)速急加速至節(jié)氣門(油門)最大開度，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力克服各種阻力矩和本身運(yùn)動(dòng)件的慣性力矩，迅速達(dá)到空載最大轉(zhuǎn)速，形成一定比例的飛升曲線。對(duì)于某一結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其運(yùn)動(dòng)件及附件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以認(rèn)為是一定值，因而只要測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)在指定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)急加速時(shí)的平均加速度，即可得知發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性;或者說通過測(cè)量某一定轉(zhuǎn)速時(shí)的瞬時(shí)加速度，就可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率的大小，瞬時(shí)加速度越大，表明發(fā)動(dòng)機(jī)功率越大。發(fā)動(dòng)機(jī)功率表示為:Pe=Te*n/9549

　　式中:

　　Pe-----發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率(kW):

　　n-------發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);

　　Te------發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩(N*m)

　　根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)可得出功率模型為：Pe=C2*n*(dn/dt),其中：C2=k*(π/30)*(J/9549),k為動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)功率的修正系數(shù)，可通過臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)得出；J是一個(gè)未知量，一般情況下出廠說明書中會(huì)給出該參數(shù)，可直接將其代入。因此，測(cè)定瞬時(shí)功率問題轉(zhuǎn)化為求轉(zhuǎn)速[5]和角加速度或曲軸轉(zhuǎn)速變化率的問題。

　　轉(zhuǎn)速的測(cè)量有測(cè)周法和測(cè)頻法[4]：測(cè)頻法是在固定的時(shí)間內(nèi)，對(duì)傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行記數(shù)；測(cè)周期法是在k個(gè)（k>=1）轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)周期內(nèi)，對(duì)具有恒定頻率f(周期T)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。進(jìn)行低速測(cè)量時(shí)，測(cè)周法的精度較高，而相對(duì)于較高的轉(zhuǎn)速測(cè)量，測(cè)頻法精度優(yōu)于測(cè)周法，本系統(tǒng)采用的是測(cè)頻法。假設(shè)在一定的時(shí)間T內(nèi)，測(cè)速脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)取的脈沖數(shù)為m，轉(zhuǎn)速n計(jì)算公式：n=60m／pT，p為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即碼盤的孔數(shù)。