南昌大学 曾文 姜水生 钟洁 熊翔辉 潘秀明(南昌 330029)
摘要 由测得的发动机示功图进行燃烧分析,对于分析和评估发动机性能具有十分重要的意义。我们自行开发了一套系统,采用自制的软件,使一台PC586微机与一块SC42型A/D、D/A多功能板及其它配套设备联合工作,实现内燃机气缸内压力数据的实时采集和燃烧分析。本文主要介绍SC42型A/D转换板的工作原理及其在系统中的应用。
关键词 A/D转换 内燃机 数据采集
1 前言
目前,微机技术正突飞猛进地向前发展,给世界其他产业带来了全新的概念,也给内燃机的测试技术带来了勃勃生机,使内燃机测试设备的智能化、自动化程度大大提高。要对发动机性能进行研究,就需对内燃机示功图、油管压力、针阀升程、瞬时转速等参数进行测试。并利用测得数据进行燃烧分析、排放分析。因此,国内外先后开发出不少集高速采集、处理、分析和自动控制为一体的燃烧分析仪,这些设备功能强、精度高,但其价格昂贵、专业化程度高,让国内厂家可望而不可及。所以我们将一块SC42型A/D、D/A多功能板直接插入微机中,并利用自己开发出的一套系统软件来完成内燃机的高速数据采集及燃烧分析。
2 SC42型A/D、D/A多功能板的特点及工作原理
2·1 技术指标及特点
分辨率:12bit;
最高采样频率:100kHz;
采样精度:优于0.05%(满量程);
可程控增益,增益量为:1,2,4,8,16;
多通道采集时可由硬件自动切换通道;
触发方式:程序触发、定时触发、外启动采集;
数字量I/O口:48路;
6通道16bit可编程定时计数器;
板上时钟频率:2MHz;
32单端模入通道;
37芯D型连续器,便于接线;
小尺寸、低功耗、低价格。
2·2 A/D转换部分的工作原理
SC42板的A/D转换部分由模拟通道开关、缓冲放大器、A/D转换芯片(含采样保持)、通道控制电路、数字接口电路、A/D触发电路组成。模拟信号通过两片16选1模拟开关接至缓冲放大器(内存一单精密跟随器可提高输入抗阻,并装有程控放大器可设置增益)。A/D1674转换芯片在接受定时计数器8253(1)的触发信号、并行接口8255(2)的启动信号及通道控制寄存器送来的通道控制信号后,对模拟信号进行A/D转换,并将数据由并行接口8255(1)送入计算机中,其工作原理图如图1所示。
3 SC42板在内燃机数据采集及燃烧分析系统中的应用
我们自行开发的这套高速数据采集及燃烧分析系统可分为三部分:数据采集、数据处理和燃烧放热率计算。数据采集分两步完成:首先,发动机的压力信号通过压力传感器、电荷放大器转换成相应的电压模拟信号,与此同时,由曲轴转角信号发生器产生两路脉冲信号,即曲轴转角信号(用于控制外采样频率)及上止点信号(用于启动A/D转换)。然后把这些信号送入SC42型A/D、D/A多功能板中,经A/D转换器转换,把电压模拟信号转换成数字信号,通过汇编语言和C语言采集处理后,将所得数据直接存入计算机内存中。被测的示功图数据经相应的软件整理计算及统计分析和光滑拟合处理,以消除测量中的某些误差,可获得较精确的示功图。最后,利用示功图进行燃烧放热率的计算,实现对燃烧的实时分析。
3·1 SC42板与外部的连接
在系统中,直接将SC42板插入PC系列微机的任一总线空槽内,并通过基地址选择跳线座JP1选择口地址基址,以避免多板使用时发生地址冲突。SC42板与外部信号的连接用37芯D型插座,将外面的电压模拟信号、外触发信号(曲轴转角信号)、外启动信号(上止点信号)接入板内,并在插座前安装一开关,用于控制A/D转换的触发方式。开关向上采用外部的转角信号触发,开关向下采用板内的内部时钟触发。
3·2 SC42板的可编程接口
由SC42板的A/D转换原理可知,SC42板的A/D转换芯片的工作是由板上的可编程接口控制的。他们分别为:
a·并行接口8255(1)
8255可编程并行接口由3个8位的I/O口(A口、B口、C口)和一个与CPU接口的控制寄存器组成。本系统将A/D转换后的数据锁存,并产生状态信号供计算机查询,在计算机响应后将数据送入计算机中。所以该口采用工作方式1,使A口、B口为数据输入
端,C口的某些位为控制位。A/D转换的数据高8位放入B口,数据低4位放入A口的高4位。这样,从SC42板得出的数据占据了字的前12位,在数据处理时,应将读入的数右移4位才是所测得的值。
b·并行接口8255(2)
系统只利用了其C口的D6位作为外启动信号(上止点信号)的输入位,可判断是用上止点信号来启动还是用软件来启动。
c·8253定时计数器
8253定时计数器由3个相互独立的16位计数器和一个控制字寄存器组成。系统选用其计数器和一个控制字寄存器组成。系统选用其计数器0和计数器1工作。计数器0用于控制采样频率。当系统靠曲轴转角触发A/D转换时为软件触发脉冲,计数器0采用工作方式4。当系统用内部时钟来触发A/D转换时,该通道采用工作方式2,产生连续脉冲。当系统需要多通道采集时,利用计数器1自动扫描通道。
d·通道预置及增益控制寄存器在自动扫描方式中,可设定起始通道号。而在非自动扫描方式中,用于设定欲采样的通道号。同时可设定增益量。
4 试验结果
为了检验这套新开发的数据采集及燃烧分析系统的功能,我们对4JB1柴油机不同工况下的气缸压力进行了实时测量,得出其瞬时压力数据,并对其进行数据处理和放热规律计算,其结果示于图2和图3。
5 结论
(1)经实践证明,新开发的数据采集系统因采用SC42型A/D、D/A多功能板,使其采样频率加快、测量精度提高。尤其在发动机高速运转时,采集的数据更可靠,能得出较精确的示功图,所进行燃烧放热规律的计算,满足发动机测试要求。
(2)SC42型A/D、D/A多功能板给采集系统带来了一定的灵活性,可实现通道同时采集,既能由外部信号触发A/D转换,又可由内部时钟产生的脉冲触发A/D转换,既能靠外部信号启动采样,又可由微机直接启动采样。所以本系统不仅适用于内燃机压力数据的采集,也可适用于其他用途的数据采集。
(3)利用SC42型A/D、D/A多功能板使整套系统的开发成本降低了许多。
(4)整套系统简单、小巧、使用、维护极方便。
参 考 文 献
1 王吉华·单片机在内燃机瞬态转速测量中的应用·小型内燃机,1997(6)
2 夏兴兰,李德桃,潘秀明·Jxx内燃机数据采集分析系统的研制·小型内燃机,1996(4)
3 吴光夏·内燃机测试技术发展的崭新阶段·车用发动机,1997(1)
4 张庚辰,臧少武,李志宏·双积分7107型A/D转换器接口电路在内燃机测试中应用的研究·小型内燃机,1995(4)
5 朱杰,陈凯·高速数据采集系统中的若干关键技术·电子测量技术,1997(3)
