一種發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統的制作方法

一種發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統，其包括中央處理器模塊(1)、轉速信號處理模塊(2)、模擬信號處理模塊(3)、USB通訊模塊(4)，其特征在于：中央處理器模塊(1)用于完成轉速信號的獲取和處理，轉速信號處理模塊(2)用于處理磁電傳感器轉速信號和霍爾傳感器轉速信號，給中央處理器模塊(1)提供合適的信號；模擬信號處理模塊(3)用于對采集對象模擬信號的衰減、濾波、隔離、放大和采集轉換；USB通訊模塊(4)用于傳遞上位機命令給下位機和將下位機采集的數據送到上位機。該發明解決了發動機轉速與發動機缸壓、點火信號、噴油信號、VVT信號、溫度、壓力等被測物理量同步測量。
【專利說明】
一種發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統
技術領域
[0001]本發明涉及發動機檢測技術領域，特別涉及一種發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統。【背景技術】
[0002]發動機的性能開發與運行參數的優化、標定，通常是通過穩態工況下的性能或在試驗臺架上通過穩態試驗完成的，但發動機的實際運行工況大部分是瞬變工況，因此瞬變工況下的性能決定了發動機的實際動力性、經濟性與排放水平;過去由于缺乏實時檢測方法及技術，發動機搭載在整車上的實際性能表現，往往不可知;與穩態臺架試驗結果的差異以及誘因，往往說不清楚；臺架(穩態)標定參數在瞬變狀態下的優劣程度，往往撲朔迷離； 發動機轉速和發動機缸壓、點火信號、噴油信號、VVT信號、溫度、壓力等物理量有著相對的角度和時序關系;本測試系統提供一種在線、實時、持續、動態測試方法來找到發動機轉速與被測量發動機缸壓、點火信號、噴油信號、VVT信號、溫度、壓力等物理量之間相對的角度和時序關系，看他們之間的角度和時序關系是否合適;測試中模擬采集信號是從發動機的轉速信號中獲取的CDM信號和TRG信號，測試的對象是發動機的缸壓、點火信號、噴油信號、 WT信號、溫度、壓力等物理量;CDM信號的生成和模擬信號采集的工作時序都是由中央處理器模塊1的時鐘處理模塊10同時提供的，是同步的，從而實現了采集信號與采集對象的同步和一一對應的采集方法。
【發明內容】

[0003]本發明的目是提供一種能夠實現發動機轉速與發動機缸壓、點火信號、噴油信號、 VVT信號、溫度、壓力被測物理量同步檢測的系統。
[0004]本發明的技術方案是提供一種發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統，其包括中央處理器模塊、轉速信號處理模塊、模擬信號處理模塊、USB通訊模塊，其特征在于:
[0005]中央處理器模塊用于完成轉速信號的獲取和處理，CDM信號和TRG信號的產生，高速AD啟動、采集、停止和時序控制，采集數據FIFO存儲，采集數據與USB之間的數據傳輸和通訊；
[0006]轉速信號處理模塊用于處理磁電傳感器轉速信號和霍爾傳感器轉速信號，給中央處理器模塊提供合適的信號；
[0007]模擬信號處理模塊用于對采集對象模擬信號的衰減、濾波、隔離、放大和采集轉換；
[0008]USB通訊模塊用于傳遞上位機命令給下位機和將下位機采集的數據送到上位機。
[0009]進一步地，中央處理器模塊包括時鐘處理模塊、轉速處理模塊、CDM信號產生模塊、 TRG信號產生模塊、AD命令模塊、AD數據模塊，數據總線模塊、FIFO存儲模塊、USB命令模塊； 其中:[〇〇1〇]時鐘處理模塊用于接收外部50MHz晶振信號輸入，通過該時鐘處理模塊處理輸出中央處理器模塊中各子模塊需要的頻率信號；
[0011]轉速處理模塊用于捕獲轉速信號處理模塊處理好的轉速信號，找到缺齒、置同步標識符，算出每一個齒的周期即齒周期；
[0012]⑶M信號產生模塊用于接收轉速處理模塊送過來的每一個捕獲的齒周期，并產生 CDM信號；
[0013]TRG信號產生模塊用于接收⑶M信號產生模塊產生的⑶M信號和上位機設定的TRG 值共同產生TRG信號，確定TRG位置，用于系統同步處理和定位；[〇〇14] AD命令模塊用于向模擬信號處理模塊中的AD采集模塊發出控制命令，啟動采集并產生采集數據；中央處理器模塊的AD數據模塊用于接收條通道產生的AD數據；[〇〇15] AD數據模塊具有16個初始化好的I/O 口接收相應的16條采集通道數據;AD數據模塊利用時鐘處理模塊生成的64MHz時序讀取數據；[〇〇16]數據總線模塊是FIFO存儲模塊數據讀、寫的通道；[〇〇17] FIFO存儲模塊用來暫存AD數據模塊讀取到的AD數據，然后在USB控制模塊的讀命令請求下將存儲在FIFO存儲模塊中的數據送出；
[0018] USB控制模塊是用于接收上位機命令并且解釋給下位機來執行。[〇〇19]進一步地，轉速信號處理模塊包括磁電信號處理模塊、霍爾信號處理模塊、復合信號處理模塊；
[0020]發動機轉速信號包括磁電式轉速信號和霍爾式轉速信號；其中:磁電式轉速信號由磁電信號處理模塊處理，霍爾式轉速信號由霍爾信號處理模塊處理，然后二者送給復合信號處理模塊處理，最后提供給中央處理器模塊的轉速處理模塊捕獲。
[0021]進一步地，模擬信號處理模塊包括AD衰減模塊，AD保護模塊，AD隔離模塊，AD驅動模塊，AD采集模塊；[〇〇22]模擬信號從AD衰減模塊接入，使其信號電壓減半;模擬信號接著進入AD保護模塊， AD保護模塊，作用是承受各種意外信號沖擊，保護信號通道安全;模擬信號接著進入AD隔離模塊，AD隔離模塊作用是對信號起隔離、濾波、阻抗轉換、放大作用且保持輸入電壓與輸出電壓大小和相位不變;模擬信號接著進入AD驅動模塊，AD驅動模塊作用是提供差分信號給 AD轉換器;模擬信號接著進入AD采集模塊，AD采集模塊作用是按照命令要求對經過處理好的模擬信號進行AD轉換，將轉換結果串行送出到中央處理器模塊1的AD數據模塊。[〇〇23] 進一步地，USB通訊模塊包括USB2.0高速收發器模塊，智能SIE模塊，USB FIFO模塊，其中:[〇〇24] USB2.0高速收發器模塊用于接收上位機發下來的命令經USB通訊模塊的數據線傳給中央處理器模塊的USB控制命令，然后接收中央處理器模塊發出的采集數據傳給上位機； [〇〇25]智能SIE模塊用于處理低速USB和高速USB切換；[〇〇26] USB FIFO模塊用于暫存交換數據。[〇〇27]本發明的有益效果在于:
[0028]1、本測試系統創新了一種時序同步的方法，解決了發動機轉速與發動機缸壓、點火信號、噴油信號、VVT信號、溫度、壓力等被測物理量同步的方法，即中央處理器模塊1的時鐘處理模塊10為各子模塊提供統一的工作時序，各子模塊的動作都是按照統一的工作時序同時進行工作的。
[0029]2、本測試系統創新了一種缺齒判斷方法，為尋找缺齒提供了判斷方法;缺齒判斷方法就是:當前齒周期大于前一個齒周的2倍且小于前一個齒周期的4倍，滿足這個條件就認為找到了缺齒，如果不滿足就繼續尋找直到找到為止。
[0030]3、本測試系統創新了一種⑶M信號產生辦法、一種不丟⑶M數，也不增⑶M數的辦法，即實現CDM信號穩定、可靠、持續的方法，其辦法就是每個齒周期產生固定的CDM個數。
[0031]4、本測試系統創新了一種TRG信號產生辦法，即利用同步標識符和CDM數產生TRG信號。[〇〇32]5、本測試系統創新了一種數據采集方法，即采集信號的產生和采集對象的處理是由同一時序控制的，都是由中央處理器模塊1的時鐘處理模塊1 〇的時序控制的；采集信號 CDM是從發動機轉速獲取的，而發動機轉速與發動機缸壓是有相對的時序關系的，從而實現了采集信號CDM和采集對象發動機缸壓合二為一的采集方法;控制AD采集模塊35采集的觸發信號就是系統自己產生的CDM信號和TRG信號，系統產生的CDM信號是從發動機轉速同步獲取的，故CDM信號和發動機轉速是同步的；發動機的缸壓、點火信號、噴油信號、VVT信號、 溫度、壓力等被測物理量經過模擬信號處理模塊3的處理送到AD采集模塊35,在CDM信號的采集觸發下完成模擬信號向數字信號的轉換;而轉速處理模塊11、CDM信號產生模塊12、AD 采集模塊35的工作時序都是由中央處理器模塊1的時鐘處理模塊10同時提供的，是同步的， 從而實現了采集信號與采集對象的同步和一一對應的采集;發動機缸壓是發動機燃料燃燒瞬間產生的，變化速度快，要求實時采集，本測試使用同一系統控制的CDM信號(電子角標) 和采集命令來采集缸壓，增強了缸壓采集的實時性、可靠性、準確性，實現了二者融合；
[0033]6、本測試系統創新了一種數據存儲空間的設計，就是利用中央處理器模塊1的存儲空間設計單獨存儲空間，即FIFO存儲空間17;該方法就是將中央處理器模塊1中的系統存儲空間的一部分獨立劃分成8個相等空間，每個空間大小為512字節，每個大小為512字節空間命名為“頁”，8個“頁”都編上號便于檢索;存儲空間“頁”每次存入的數據大小是2N個，N是自然數，N的數值受采集通道的影響，當“頁”的數據達到512字節，即一頁滿了，就可以向USB 通訊模塊3傳輸數據了；因為2者都包含8個512字節的數據空間，都是FIFO方式，實現2者無縫交換數據。
[0034]7、本測試系統創新了一種模擬信號隔離方法，該方法對模擬信號不僅起到了隔離、濾波、阻抗轉換、放大等作用，而且保持輸入電壓與輸出電壓大小和相位不變，保住了信號的變化規律，隔開了信號的巨變對后面電路的沖擊。
[0035]8、本測試系統創新了一種發動機采集數據實時傳輸的方法，同時保證了在最大采集情況下數據實時傳輸且不丟失;就是利用批量傳輸方式，數據傳輸可以使用不同的端點 EP2、4、6、8,且端點可以配置成雙重緩沖、三重緩沖、四重緩沖，共有8個512字節FIFO緩沖空間可以循環使用，完全滿足中央處理器模塊1實時送來的數據暫存和傳輸。
[0036]9、本測試系統提供16路高速采集通道，可以同時采集16路高速動態傳感器數據， 能夠實時、準確的捕獲發動機各種工況的變化，便于快速找到發動機在各種工況下各個物理量之間的相互關系及其是否兼容，便于車載發動機試驗;高速通道可以為缸壓傳感器(動態)、進氣壓力傳感器(動態)、排氣壓力傳感器(動態)、點火信號、噴油信號、VVT信號等。
[0037]10、本測試系統創新了將數據傳輸方式和精準電子角標結合的方法;本系統采用高速USB2.0(將來可以升級到USB3.0等)與上位機之間傳輸數據，高速USB2.0的最高傳輸速度可達480Mbps，16路采集數據的最大數據量為183.32Mbps，從而解決了數據傳輸的實時性，為車載發動機試驗提供了可持續、動態、實時測試各個參數的工具，填補了車載發動機試驗長期難以持續、實時測試的空白。【附圖說明】
[0038]圖1本發明所述的發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統方框圖；[〇〇39]圖2本發明所述的中央處理器模示意圖；
[0040]圖3本發明所述的轉速信號處理模塊示意圖；[0041 ]圖4本發明所述的模擬信號處理模塊示意圖；
[0042]圖5本發明所述的USB通訊模塊示意圖；[〇〇43] 其中:1-中央處理器模塊，10-時鐘處理模塊，11-轉速處理模塊，12-CDM信號產生模塊，13-TRG信號產生模塊，14-AD命令模塊，15-AD數據模塊，16-數據總線模塊，17-FIF0存儲模塊，18-USB控制模塊;2-轉速信號處理模塊，21-磁電信號處理模塊，22-霍爾信號處理模塊，23-復合信號處理模塊，3-模擬信號處理模塊，31-AD衰減模塊，32-AD保護模塊，33-AD 隔離模塊，34-AD驅動模塊，35-AD采集模塊，4-USB通訊模塊4，41-USB2.0高速收發器模塊， 42-智能SIE模塊，43-USB FIFO模塊。【具體實施方式】[〇〇44]以下將結合附圖1-5對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0045]如圖1所示，發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統，主要包括4部分，分別是中央處理器模塊1、轉速信號處理模塊2、模擬信號處理模塊3、USB通訊模塊4。[〇〇46]中央處理器模塊1[〇〇47]中央處理器模塊1用于整機的指揮、協調，轉速信號的獲取和處理，CDM信號和TRG 信號(電子角標)的產生，高速AD啟動、采集、停止和時序控制，采集數據FIFO存儲，采集數據與USB之間的數據傳輸和通訊等功能。[0〇48]中央處理器模塊1的方框圖如圖2所不，分9部分，分別為:時鐘處理模塊10、轉速處理模塊11、CDM信號產生模塊12、TRG信號產生模塊13、AD命令模塊14、AD數據模塊15,數據總線模塊16、FIFO存儲模塊17、USB命令模塊18。[〇〇49] 中央處理器模塊1采用的是Altera的FPGA，型號是EP4CE22E22I7N，該FPGA的邏輯單元多達22320個，可以靈活組成各種所需的數字電路，實現本系統所需功能;存儲器多達 594Kbits，可以組成多種形式和功能的存儲器來存放AD轉換結果、各種中間命令等；18x18 乘法器有66個，給各種算法提供了硬件運算平臺，大大提高了處理數據的速度和能力；I/O 口有8塊最大可用76個，這些硬件模塊提供了實時處理信號和數據的平臺。
[0050]中央處理器模塊1的時鐘處理模塊10接收外部50MHz晶振信號輸入，通過該模塊處理輸出中央處理器模塊1中各子模塊需要的頻率信號;各子模包括轉速處理模塊11、CDM信號產生模塊12、TRG信號產生模塊13、AD命令模塊14、AD數據模塊15,數據總線模塊16、FIF0 存儲模塊17、USB命令模塊18等；中央處理器的所有軟件模塊的動作都是在中央處理器模塊 1的時鐘處理模塊10的統一指揮下同時進行工作的，從而起到協調和步調一致的作用;發動機轉速和發動機缸壓、點火信號、噴油信號、VVT信號、溫度、壓力等物理量有著相對的角度和時序關系;要找到發動機轉速與發動機缸壓、點火信號、噴油信號、VVT信號、溫度、壓力等被測物理量的關系，必須要有統一的時序，而中央處理器模塊1的時鐘處理模塊10提供了各子模塊工作的時序，且各子模塊的動作都是同時進行的，這樣就有了統一的時序;這就創新了一種時序同步的方法，解決了發動機轉速與發動機缸壓、點火信號、噴油信號、VVT信號、 溫度、壓力等被測物理量同步的方法。
[0051]中央處理器模塊1的轉速處理模塊11主要用于捕獲轉速信號處理模塊2處理好的轉速信號，找到缺齒、置同步標識符，算出每一個齒的周期即齒周期;在尋找缺齒時可以選擇上升沿或下降沿捕獲，也可不選擇使用默認方式一上升沿捕獲;轉速處理模塊11接收上位機下達的齒類型60-2、36-1、30-1和捕獲的轉速信號，進行缺齒判斷，找到缺齒了，即實現了轉速信號的同步，置同步標識符，作為CDM信號的起點和TRG信號的參考點;接著進行齒周期的計算，利用時鐘處理模塊10提供給轉速處理模塊11的時鐘計算每一個捕獲的齒周期， 提供給CDM信號產生模塊12和系統其它模塊使用;有了齒周期就可以進行缺齒判斷，本系統創新了一種缺齒判斷方法，即當前齒周期大于前一個齒周的2倍且小于前一個齒周期的4 倍，滿足這個條件就認為找到了缺齒，如果不滿足就繼續尋找直到找到為止。[〇〇52]中央處理器模塊1的CDM信號產生模塊12就是接收轉速處理模塊11送過來的每一個捕獲的齒周期，產生可靠、穩定、不丟也不增CDM信號；根據上位機下達的采集步長1度、 0.5度、0.25度、0.2度、0.1度和齒類型60-2、36-1、30-1，確定每個齒周期的〇^個數，產生 CDM信號;為了準確和測量可靠，本系統的CDM信號是由每一個齒周期信號獨立產生的，起點就是轉速處理模塊11中置的同步標識符，每一個齒周期產生的CDM信號個數是相同的；如上位機選擇的采集步長是0.5度，對于60-2的齒來說，也就是每個齒產生12個CDM信號，一圈 360度，60個齒，產生的CDM個數就是720個;如上位機選擇的采集步長是0.1度，對于60-2的齒來說，也就是每個齒產生60個⑶M信號，一圈360度，60個齒，產生的⑶M個數就是3600個； 轉速變化引起齒周期變化，齒周期的狀態分3種情況，第一種是勻速，齒周期固定，每個齒周期產生固定的CDM個數，第二種情況是加速，齒周期縮短，齒周期輸出固定的CDM個數后會超出一部分齒周期時間，這時下一個齒周期產生CDM時需要減去上一個齒周期的超出部分，然后再輸出固定的CDM個數，從而保證每個齒周期產生固定的CDM個數，實現不丟CDM數，第三種情況是減速，齒周期延長，齒周期輸出固定的CDM個數后會剩余一部分齒周期時間，但是下一個齒周期產生CDM信號時從新的齒周期開始，略去前一次的剩余齒周期時間，從而保證每個齒周期產生固定的CDM個數，實現不增CDM數；只要發動機定了，它的齒類型就定了，因此無論轉速快或漫、加速還是減速，在選定的采集步長下CDM個數就是一個定值，從而實現了 CDM的穩定性和可靠性，這樣就創新了一種CDM信號產生辦法、一種不丟CDM數，也不增CDM 數的辦法;CDM信號是模擬信號處理模塊3的觸發信號，每一個CDM信號觸發一次模擬信號的采集，由于觸發信號CDM可靠、穩定、不丟失，因此模擬信號的采集也是可靠、穩定、不丟失， 從而實現了模擬信號采集的可靠、穩定和不丟失采集數據的新方法；[〇〇53]根據上位機選定的TRG數值，以轉速處理模塊11產生的同步標識符為參考點，按照 CDM數確定TRG位置，即從那個CDM信號開始產生TRG信號；如采集步長是0.1，上位機選定的 TRG數是23.5，那么TRG信號就是在第235個CDM信號時產生，每一圈只產生一個TRG信號；產生了 CDM信號和TRG信號就是實現了電子角標的生成，就可以提供給模擬信號處理模塊3使用，就有了對模擬信號進行采集的觸發信號，由于是系統內部產生的，同時提供給系統內部使用，不受外部環境等的影響，增強了模擬信號采集的實時性、可靠性和穩定性，特別是對缸壓、點火信號、噴油信號等變化快的信號的采集提供了實時和準確的保證，這樣就創新了一種TRG產生辦法，即利用同步標識符和CDM數產生TRG信號。[〇〇54]中央處理器模塊1的AD命令模塊14用于向模擬信號處理模塊3中的AD采集模塊35 發出控制命令，啟動采集并產生采集數據;AD命令模塊14發出的控制命令包括AD采集模塊 35的配置、片選、啟停、時鐘、模式等命令;通過AD命令模塊14配置AD采集模塊35的功能包括基準電壓的調整、工作模式的選擇，且能同時控制外部16條通道的采集，將轉換結果串行送到中央處理器模塊1的AD數據模塊15,采集完成;控制AD采集模塊35采集的觸發信號就是系統自己產生的CDM信號和TRG信號，系統產生的CDM信號是從發動機轉速同步獲取的，故CDM 信號和發動機轉速是同步的;發動機的缸壓、點火信號、噴油信號、VVT信號、溫度、壓力等被測物理量經過模擬信號處理模塊3的處理送到AD采集模塊35,在CDM信號的采集觸發下完成模擬信號向數字信號的轉換;而轉速處理模塊11、CDM信號產生模塊12、AD采集模塊35的工作時序都是由中央處理器模塊1的時鐘處理模塊10同時提供的，是同步的，從而實現了采集信號與采集對象的同步和一一對應的采集，即完成了實時采集，也就實現了 CDM(電子角標) 信號的產生與發動機缸壓的采集合二為一的方法;發動機缸壓是發動機燃料燃燒瞬間產生的，變化速度快，要求實時采集，本測試使用同一系統控制的CDM信號(電子角標)和采集命令來采集缸壓，增強了缸壓采集的實時性、可靠性、準確性，實現了二者融合;從而創新一種新的數據采集方法，即采集信號的產生CDM和采集對象的處理發動機缸壓都是由同一系統中央處理器模塊1的時鐘處理模塊10的時序控制的，CDM信號是從發動機轉速獲取的，而發動機轉速與發動機缸壓是有固有的時序關系，從而就實現了采集信號CDM和采集對象發動機缸壓合二為一的采集方法，增強了缸壓采集的實時性、可靠性、準確性，實現了二者融合。 [〇〇55]中央處理器模塊1的AD數據模塊15用于接收16條通道產生的AD數據;AD數據模塊 15有16個初始化好的I/O 口接收相應的16條采集通道數據;AD轉換芯片ADS7854最大采集速率為1MHz，采用的數據輸出模式是32CLK雙-SD0模式，AD數據模塊15利用時鐘處理模塊10生成的64MHz時序讀取數據;AD數據模塊15不僅要讀取外部16路采集數據，而且要把采集到的 16路數據通過數據總線模塊16寫到系統內部的FIFO存儲模塊17中，且要按照每頁512個字節進行，因為FIFO存儲模塊17與外接的USB通訊模塊4是按512字節進行數據交換的。[〇〇56]中央處理器模塊1的數據總線模塊16是FIFO存儲模塊17數據讀、寫的通道;為了提高讀、寫速度，系統設計總線寬度為32位;一方面AD數據模塊15通過數據總線模塊16向FIFO 存儲模塊17中寫入數據，另一方面系統在接到USB控制模塊18的數據讀命令時，需要通過數據總線模塊16從FIFO存儲模塊17中將請求數據送到外接的數據總線上向外傳輸。[〇〇57]中央處理器模塊1的FIFO存儲模塊17是系統自己設計的一種數據先進先出的存儲空間，用來暫存AD數據模塊15讀取到的AD數據，然后在USB控制模塊18的讀命令請求下將存儲在FIFO存儲模塊17中的數據送出；因為USB通訊模塊3與外界交換數據是按照一次512字節進行的且其方式是FIFO、總的空間是8*512字節，那么就需要在中央處理器模塊1中新設計相同的數據存儲空間來滿足USB通訊模塊3的要求，才能達到高速USB2.0的傳輸速度，也才能滿足系統實時傳輸的要求;FIFO存儲模塊17是系統按照USB數據傳輸格式在中央處理器模塊1中利用系統的存儲空間新設計的一種存儲空間，該存儲空間是將系統存儲空間的一部分獨立劃分成8個相等空間，每個空間大小為512字節，給其命名為“頁”，8個頁都編號便于檢索，這樣做的目的就是開辟8個512字節的數據空間來與USB通訊模塊3中的USB FIFO 模塊43交換數據，這樣就實現了一次交換512字節的數據;AD數據模塊15讀取到的AD數據是間斷的，每次讀取的數據大小是2N個，N是自然數，N的數值受采集通道的影響，當FIFO存儲模塊17中的數據達到512字節，即一頁滿了，就可以向USB通訊模塊3傳輸數據；因為2者都包含8個512字節的數據空間，都是FIFO方式，實現2者無縫交換數據;從而在中央處理器模塊1 中創新了一種存儲空間的設計方法，即FIFO存儲空間17,該方法就是將中央處理器模塊1中的系統存儲空間的一部分獨立劃分成8個相等空間，每個空間大小為512字節，給其命名為 “頁”，給8個頁編上號便于檢索;存儲空間“頁”每次存入的數據大小是2N個，N是自然數，N的數值受采集通道的影響，當“頁”的數據達到512字節，即一頁滿了，就可以向USB通訊模塊3 傳輸數據了；因為2者都包含8個512字節的數據空間，都是FIFO方式，實現2者無縫交換數據；[〇〇58]中央處理器模塊1的USB控制模塊18是用于接收上位機命令并且解釋給下位機來執行的，起一個信息交換的作用。[〇〇59]轉速信號處理模塊2[〇〇6〇]如圖3所示，轉速信號處理模塊2分3部分，分別為磁電信號處理模塊21、霍爾信號處理模塊22、復合信號處理模塊23;轉速信號處理模塊2用于處理磁電傳感器轉速信號和霍爾傳感器轉速信號，給中央處理器模塊1提供合適的信號。[〇〇61]發動機轉速信號通常有2種，磁電式轉速信號和霍爾式轉速信號;磁電式轉速信號由磁電信號處理模塊21處理，霍爾式轉速信號由霍爾信號處理模塊22處理，然后二者送給復合信號處理模塊23處理，最后提供給中央處理器模塊1的轉速處理模塊11捕獲;磁電式轉速信號是正玄波，其幅值隨轉速的增大而增大，磁電信號處理模塊21主要由MAX9924UAUB組成，該芯片特點是閥值自動可調，該特點正好適合處理幅值隨轉速增大而增大的磁電傳感器信號，從而有效使其正玄信號方波化，就可以送入復合信號處理模塊23處理;霍爾式轉速信號是方波，經過霍爾信號處理模塊22處理同樣送入復合信號處理模塊23處理;復合信號處理模塊23的主要組成電路是SN74LVC2G17，該芯片是雙施密特觸發緩沖器，主要功能是解決電平兼容和對信號進行濾波，同時使信號更接近理想的方波有利于中央處理器模塊1的轉速處理模塊11的處理，更加實時、準確的捕獲轉速信號。[〇〇62]模擬信號處理模塊3[〇〇63]如圖4所示，模擬信號處理模塊3包括AD衰減模塊31，AD保護模塊32，AD隔離模塊 33，AD驅動模塊34，AD采集模塊35;模擬信號處理模塊3用于對采集對象模擬信號的衰減、濾波、隔離、放大和采集轉換等。
[0064]模擬信號從AD衰減模塊31接入，使其信號電壓減半，目的是使測量量程加倍達到 +/-10V滿足設計要求。
[0065]模擬信號接著進入AD保護模塊32,該模塊作用是承受各種意外信號沖擊，保護信號通道安全;保護模塊采用PESD5V0S2BT雙向雙路ESD保護二極管來執行，該雙向雙路ESD二極管能承受的最大脈沖功率可達130瓦，可承受的最大脈沖電流可達12安倍，能夠承受各種意外信號沖擊。[〇〇66]模擬信號接著進入AD隔離模塊33,該模塊作用是對信號起隔離、濾波、阻抗轉換、 放大等作用且保持輸入電壓與輸出電壓大小和相位不變;該模塊主要組成是由ADA4807運放組成電壓跟隨器，不僅起到了隔離、濾波作用，而且使輸入電壓與輸出電壓大小和相位一樣，還能實現阻抗轉換，電壓跟隨器的輸入阻抗很大，減少了信號源的壓力，更加真實的保持了信號原型;ADA4807是軌到軌輸入/輸出放大器，其-3dB帶寬可達180MHz;其具有低功耗，單個放大器的電源電流僅有1.0mA;具有極低輸入失調電壓和漂移，其最大值分別為+/-125uV和3.7uV/°C，同時具有極低輸入失調電流和漂移，其最大值分別為100nA和250pA/°C， 這些特性不僅保證了信號傳輸的真實性，而且對信號起到了隔離、濾波、阻抗轉換、放大等作用;發動機的缸壓信號、點火信號、噴油信號等作為被測信號，其特點就是信號的幅值和帶寬變化大，帶寬比較寬，信號易被噪聲干擾;測量系統需要具備輸入阻抗大、輸入失調電壓和漂移小、輸入失調電流和漂移低、帶寬寬才能處理好信號；而ADA4807運放組成的電壓跟隨器作為隔離電路正具備上述特點，這樣就創新了一種測量發動機缸壓、點火信號、噴油信號等幅值大、帶寬寬的隔離電路方法，其一保住了信號的變化規律，其二隔開了信號變化對后面電路的沖擊。[〇〇67]模擬信號接著進入AD驅動模塊34,該模塊作用是提供差分信號給AD轉換器，保證信號真實、平衡;該模塊主要組成是ADA4940,它是一種低失真、低噪聲、超低功耗的全差分 ADC驅動器;使用ADC差分驅動器的目的是使其能提供差分信號給AD轉換器，保證信號真實、 平衡;ADA4940信號帶寬可達260MHz，諧波失真在1MHz下為-96dB THD;利用外部配置4個電阻組成的反饋網絡就實現了差分增益電路，反饋網絡決定了放大器的閉環增益，方便調節。 [〇〇68]模擬信號接著進入AD采集模塊35,該模塊作用是按照命令要求對經過處理好的模擬信號進行AD轉換，將轉換結果串行送出到中央處理器模塊1的AD數據模塊15;該模塊主要組成是ADS7854，該器件包含2組獨立的AD轉換，為14位同步采樣模數轉換器，其內部包含兩個獨立編程的基準電壓源，可用于系統級的增益校準，并且配有一個寬電源供電范圍內運行的靈活串行接口，從而輕松實現與多種主機控制器的通訊;本設計選定的基準電壓源是 2.5V，數據輸出串行接口選定的是32CLK雙-SD0模式;AD采集模塊35接收中央處理器模塊1 的AD命令模塊14發出的模擬信號控制命令，包括片選、啟停、時鐘、模式等命令，按照命令要求對經過處理好的模擬信號進行AD轉換，將轉換結果串行送出到中央處理器模塊1的AD數據模塊15。
[0069] USB通訊模塊4[〇〇7〇]如圖5所示，USB通訊模塊包括USB2.0高速收發器模塊41，智能SIE模塊42，USB FIFO 模塊 43。
[0071] USB通訊模塊主要任務是傳遞上位機命令給下位機和將下位機采集的數據送到上位機。[〇〇72] USB2.0高速收發器模塊41的功能是接收上位機發下來的命令經USB通訊模塊4的數據線傳給中央處理器模塊1的USB控制命令18,然后接收中央處理器模塊1發出的采集數據傳給上位機;USB通訊模塊采用CYPRESS公司的CY7C68013A專用模塊，在使用中設置為高速傳輸，最高可達480Mbps，使用批量傳輸方式，就是USB通訊模塊與上位機交換數據是按照每頁512字節進行的，USB通訊模塊4與中央處理器模塊1交換數據也是按照512字節進行的； 在批量傳輸方式中，數據傳輸可以使用的端點為EP2、4、6、8其中EP4、8是雙緩沖，EP2、6可以配置成雙緩沖、三重緩沖、四重緩沖的；USB通訊模塊4中的USB FIFO模塊43是4K的，可以配成8個512字節空間，就是用來給端點按照需求配置的，主要目的是存儲中央處理器模塊1發上來的AD采集數據，因為AD采集根據采集步長和采集通道不同，產生的采集數據變化較大， 如在轉速為1000RPM下，采集步長是1度，通道數為1通道下，數據只有96Kbps，如在轉速為 6000RPM下，采集步長是0.1度，通道數為16通道下，數據可達184.32Mbps;為了保證實時且不丟數據，傳輸有必要使用USB通訊模塊中USB FIFO模塊43的多重配置，使數據有緩沖的空間，從而保證了實時傳輸的可靠性、穩定性；發動機運轉時轉速變化通常從10 0 0 R P M到 6000RPM變化，對不同的量采集的步長也不同，通常在1度到0.1度變化，對采集的對象有多有少，通常在1通道到16通道選擇，這樣采集數據量的變化從96Kbps到184.32Mbps，在不同端點的緩沖配置下USB能傳輸的數據速率為480Mbps，遠比中央處理器模塊1產生數據的速率大;USB通訊模塊4中的USB FIFO模塊43是4K的，可以配成8個512字節空間，就是用來給端點按照需求配置，以滿足不同速率的傳輸;這樣就創新了一種發動機采集數據實時傳輸的方法，同時保證了在最大采集情況下數據實時傳輸且不丟的方法，就是利用批量傳輸方式， 數據傳輸可以使用不同的端點EP2、4、6、8,且端點可以配置成雙重緩沖、三重緩沖、四重緩沖，共有8個512字節FIFO緩沖空間可以循環使用，完全滿足中央處理器模塊1實時送來的數據暫存和傳輸。[〇〇73]智能SIE模塊42主要是處理低速USB和高速USB切換，低速傳輸耗能小于高速傳輸， 因此系統使用在低速時可以利用智能SIE模塊42將系統設置為低速USB使用。[〇〇74] USB FIFO模塊43主要功能是暫存交換數據，數據進出機制是先進先出機制，有4K 大小，可以配成8個512字節空間，按照設計需求配置給不同端點使用。
[0075]本測試系統能提供16路高速采集通道，可以同時采集16路高速動態傳感器數據， 能夠實時、準確的捕獲發動機各種工況的變化，便于快速找到發動機在各種工況下各個物理量之間的相互關系及其是否兼容，便于車載發動機試驗;高速通道可以為缸壓傳感器(動態)、進氣壓力傳感器(動態)、排氣壓力傳感器(動態)、點火信號、噴油信號、VVT信號等;這些被測量通過模擬信號處理模塊3的處理，在AD命令模塊14的統一指揮下同時在AD采集模塊35中進行AD轉換，轉換數據經AD數據模塊15的處理，經過數據總線模塊16存儲到FIFO存儲模塊17中。[〇〇76] AD命令模塊14中使用的采集信號是CDM信號和TRG信號，它們是系統的轉速通道接入發動機轉速經轉速處理模塊11、CDM信號產生模塊12和TRG信號產生模塊13產生的；CDM信號是模擬信號處理模塊3的觸發信號，每一個CDM信號觸發一次模擬信號的采集，由于觸發信號CDM可靠、穩定、不丟也不增，因此模擬信號的采集也是可靠、穩定的，從而實現了模擬信號采集的可靠、穩定和不丟采集數據的新方法;控制AD采集模塊35采集的觸發信號就是系統自己產生的CDM信號和TRG信號，系統產生的CDM信號是從發動機轉速同步獲取的，故 CDM信號和發動機轉速是同步的；發動機的缸壓、點火信號、噴油信號、VVT信號、溫度、壓力等被測物理量經過模擬信號處理模塊3的處理送到AD采集模塊35,在CDM信號的采集觸發下完成模擬信號向數字信號的轉換;而轉速處理模塊11、CDM信號產生模塊12、AD采集模塊35 的工作時序都是由中央處理器模塊1的時鐘處理模塊10同時提供的，是同步的，從而實現了采集信號與采集對象的同步和一一對應的采集，即完成了實時采集，也就實現了 CDM(電子角標)信號的產生與發動機缸壓的采集合二為一的方法;發動機缸壓是發動機燃料燃燒瞬間產生的，變化速度快，要求實時采集，本測試使用同一系統控制的CDM信號(電子角標)和采集命令來采集缸壓，增強了缸壓采集的實時性、可靠性、準確性，實現了二者融合;從而創新一種新的數據采集方法，即采集信號的產生和采集對象的處理都是由中央處理器模塊1 的時鐘處理模塊10的時序控制的，也就是CDM信號的產生和發動機缸壓的處理都是時鐘處理模塊10的時序控制的;CDM信號是從發動機轉速獲取的，而發動機轉速與發動機缸壓是有相對時序關系的，從而就實現了采集信號CDM和采集對象發動機缸壓合二為一的采集方法， 增強了缸壓采集的實時性、可靠性、準確性，實現了二者融合；
[0077]本測試系統創新了將新的數據傳輸方式和精準電子角標結合，本系統采用高速 USB2.0 (將來可以升級到USB3.0等)與上位機之間傳輸數據，高速USB2.0的最高傳輸速度可達480Mbps，16路采集數據的最大數據量為184.32Mbps，從而解決了數據傳輸的實時性，為車載發動機試驗提供了可持續、動態、實時測試各個參數的工具，填補了車載發動機試驗長期難以持續、實時測試的空白。
【主權項】
1.一種發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統，其包括中央處理器模塊(1)、轉速 信號處理模塊(2)、模擬信號處理模塊(3)、USB通訊模塊(4)，其特征在于:中央處理器模塊(1)中央處理器模塊(1)用于完成轉速信號的獲取和處理，CDM信號和 TRG信號的產生，高速AD啟動、采集、停止和時序控制，采集數據FIFO存儲，采集數據與USB之 間的數據傳輸和通訊；轉速信號處理模塊(2)用于處理磁電傳感器轉速信號和霍爾傳感器轉速信號，給中央 處理器模塊(1)提供合適的信號；模擬信號處理模塊(3)用于對采集對象模擬信號的衰減、濾波、隔離、放大和采集轉換； USB通訊模塊(4)用于傳遞上位機命令給下位機和將下位機采集的數據送到上位機。2.根據權利要求1所述的發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統，其特征在于:中 央處理器模塊(1)包括時鐘處理模塊(10)、轉速處理模塊(11)、CDM信號產生模塊(12)、TRG 信號產生模塊(13)、AD命令模塊(14)、AD數據模塊(15)，數據總線模塊(16)、FIF0存儲模塊(17)、USB命令模塊(18);其中:時鐘處理模塊(10)用于接收外部50MHz晶振信號輸入，通過該時鐘處理模塊(10)處理 輸出中央處理器模塊(1)中各子模塊需要的頻率信號；轉速處理模塊(11)用于捕獲轉速信號處理模塊(2)處理好的轉速信號，找到缺齒、置同 步標識符，算出每一個齒的周期，即齒周期；CDM信號產生模塊(12)用于接收轉速處理模塊(11)送過來的每一個捕獲的齒周期，并 產生CDM信號；TRG信號產生模塊(13)用于接收CDM信號產生模塊(12)產生的CDM信號和上位機設定的 TRG值共同產生TRG信號，確定TRG位置，用于系統同步處理和定位；AD命令模塊(14)用于向模擬信號處理模塊(3)中的AD采集模塊(35)發出控制命令，啟 動采集并產生采集數據；中央處理器模塊(1)的AD數據模塊(15)用于接收(16)條通道產生 的AD數據；AD數據模塊(15)具有16個初始化好的I/O 口接收相應的16條采集通道數據;AD數據模 塊(15)利用時鐘處理模塊(10)生成的64MHz時序讀取數據；數據總線模塊(16)是FIFO存儲模塊(17)數據讀、寫的通道；FIFO存儲模塊(17)用來暫存AD數據模塊(15)讀取到的AD數據，然后在USB控制模塊(18)的讀命令請求下將存儲在FIFO存儲模塊(17)中的數據送出；USB控制模塊(18)是用于接收上位機命令并且解釋給下位機來執行。3.根據權利要求1所述的發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統，其特征在于:轉 速信號處理模塊(2)包括磁電信號處理模塊(21)、霍爾信號處理模塊(22)、復合信號處理模 塊(23);發動機轉速信號包括磁電式轉速信號和霍爾式轉速信號；其中:磁電式轉速信號由磁 電信號處理模塊(21)處理，霍爾式轉速信號由霍爾信號處理模塊(22)處理，然后二者送給 復合信號處理模塊(23)處理，最后提供給中央處理器模塊(1)的轉速處理模塊(11)捕獲。4.根據權利要求1所述的發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統，其特征在于:模 擬信號處理模塊(3)包括AD衰減模塊(31)，AD保護模塊(32)，AD隔離模塊(33)，AD驅動模塊 (34)，AD采集模塊(35);模擬信號從AD衰減模塊(31)接入，使其信號電壓減半;模擬信號接著進入AD保護模塊 (32)，AD保護模塊(32)，作用是承受各種意外信號沖擊，保護信號通道安全;模擬信號接著 進入AD隔離模塊(33)，AD隔離模塊(33)作用是對信號起隔離、濾波、阻抗轉換、放大作用且 保持輸入電壓與輸出電壓大小和相位不變;模擬信號接著進入AD驅動模塊(34)，AD驅動模 塊(34)作用是提供差分信號給AD轉換器;模擬信號接著進入AD采集模塊(35)，AD采集模塊 (35)作用是按照命令要求對經過處理好的模擬信號進行AD轉換，將轉換結果串行送出到中 央處理器模塊1的AD數據模塊(15)。5.根據權利要求1所述的發動機控制與運行參數的在線瞬態測試系統，其特征在于: USB通訊模塊(4)包括USB2.0高速收發器模塊(41)，智能SIE模塊(42)，USB FIFO模塊(43)， 其中:USB2.0高速收發器模塊(41)用于接收上位機發下來的命令經USB通訊模塊(4)的數據 線傳給中央處理器模塊(1)的USB控制命令，然后接收中央處理器模塊(1)發出的采集數據 傳給上位機；智能SIE模塊(42)用于處理低速USB和高速USB切換；USB FIFO模塊(43)用于暫存交換數據。
【文檔編號】G01M15/05GK105973612SQ201610303911
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】賀繼齡
【申請人】湖南奔騰動力科技有限公司, 賀繼齡