基于單片機和數字信號處理器的汽車發動機點火線圈測試系統

1.引言
隨著汽車電子點火技術的廣泛應用，對電子點火系統各部件的要求也隨之提高。 點火線圈作為汽車電子點火系統的重要部件，其性能直接關系到汽車的工況，因此必須準確測試點火線圈各項參數，建立嚴格的產品出廠檢驗標準。據調查，我國汽車點火線圈系統的國產在線測試設備多以老式設備為主，智能檢測設備較少，而進口設備價格昂貴，且其智能化程度不高。[1]因此研制出具有自動化、智能化的汽車發動機點火線圈測試系統是科研人員努力的方向。本文著重介紹了這種符合現代化生產要求的汽車發動機點火線圈測試臺的設計方法。
2.系統組成
汽車發動機點火線圈測試臺的原理框圖如圖1所示。汽車點火線圈測試臺系統的硬件主要由被測件（線圈、負載）、程控信號源、程控電壓源、I/O控制板、數據采集處理系統、工控機等組成。其中負載、程控信號源、程控電壓源用于模擬點火線圈的工況；其他部件由于測量以及控制。根據相關國家標準，點火線圈的各項參數必須在相應的條件下（不同的測試項目，此條件有可能不同）測得，并且不同信號的線圈的測試條件也不盡相同，所以此處給點火線圈提供工作條件的電壓源和信號源都是可以由上位機中的系統軟件通過串行通信接口來設定的。為了能夠測試多頭線圈（四頭、六頭等）的不同次級線包，信號源經過測量控制電路送往被測件。測量控制電路由各種繼電器以及輸入輸出線路組成。繼電器根據IO控制板發出的控制命令進行相應的動作，以決定送出哪一路信號源以及將何種被測信號接入數據采集系統。IO控制板、和數據采集卡分別通過ISA和PCI總線直接與工控機相連。上位機軟件直接對IO端口進行操作來實現對IO控制板的操作。數據采集與處理系統則通過驅動程序與系統測試軟件進行通信。測試人員只需要操作上位機的系統測試軟件就可以點火線圈的各種參數。【2】【3】
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圖-1? 汽車點火線圈測試臺的原理框圖
由上述可知，點火線圈測試系統實質就是一個數據采集與處理的問題。因此數據采集卡的設計就自然成為本系統中最主要的問題。下面分別介紹個部分的實現。
3.硬件實現
3.1 數據采集卡
分析點火線圈的次級電壓信號可知，信號的最高有效頻寬是5MHz，根據采樣定理知，系統的最高采樣速率至少為10MHz，對如此高的采樣速率，必須要用高速數據采集系統來測試，才能滿足測試要求。【1】圖-2是本系統中數據采集部分的結構框圖。
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圖-2??? 數據采集系統的結構框圖。
采集部分處理器采用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402。它的處理速度可達到100Mbps，具有改進型的8位HPI接口，有16Kxl6Bit DARAM，以及4Kx16Bit ROM 存儲空問，具有較高的性價比。由TMS320C5402內部ROM 不可寫，所以外掛一片27040EPROM 作為外部程序區來存儲程序。因為點火線圈數據采集要求高速度，高精度，以滿足高檔次，大批量生產的要求。同時為擴大此采集系統的應用領域，A/D轉換器采用美國AD公司的AD9432芯片。該芯片為12bit單路模數轉換器，其最高轉換速率為100MHz。輸入信號模擬帶寬可達500MHz，采樣時鐘為PECL差分電平輸入，轉換數據為1TTL電平輸出。片內帶有輸入緩存和采樣保持器，12位并行數據輸出。由于AD9432要求差分輸入形式，因此對于輸入信號必須經過信號調理電路變換為差分形式。【4】
由于系統需要高速采集數據， 所以高速緩存是系統中的一個關鍵環節。高速緩存是系統中的一個關鍵環節，根據系統的要求可選用CY7C4255。CY7C4255是高速、低功耗8k*18低壓同步先進先出（FIFO）存儲器，讀寫周期為10ns，具有獨立的18位輸入、輸出接口和讀、寫時鐘信號，可以實現同步讀寫操作。A/D轉換后的數據連續地寫入FIFO，DSP根據FIFO 的狀態來決定如何讀出數據。DSP讀數并處理此數的速度要比A/D轉換的速度高得多。DSP每次主動讀FIFO數據時，執行的是一個條件讀指令，即FIFO不空時(EF=BIO為高)才讀，FIFO空則DSP等待。當DSP處理任務較重時，FIFO數據長時間沒有被讀走，FIFO 半滿或全滿時，會向DSP發出一個中斷信號，DSP暫停當前工作，進入中斷服務程序，處理FIFO中的數據。通過FIFO將采樣數據向內存轉移，這樣不但獲得100MHz左右的高速采樣率，而且使采樣程序的編寫大大簡化。

PCI接口芯片采用PLX公司的PCI9052它是一款面向低端應用的高性能PCI接口芯片。接口芯片和TMS320VC5402的連接較簡單，在此從略。
采樣系統的軟件設計主要包括DSP中對數據的讀取和處理以及采集卡的設備驅動程序開發兩部分。本文主要在CCS平臺上采用匯編語言實現DSP的編程。PCI設備驅動程序開發則采用微軟公司為Windows9x 操作系統的驅動程序設計的一種構架——VxD。
3.2 程控電壓源和程控信號源
根據各種不同型號線圈的測試條件要求，程控電壓源必須可產生3－25V 連續可調的直流電壓。程控信號源可產生連續可調的霍爾波信號，頻率為0.5－250Hz（最小步進1HZ），幅值為0－10V，占空比為1％－99％（最小步進1％）。
程控電壓源的設計采取工業成品加控制板的方式來實現，具體來說就是買一個符合要求的可以方便地進行二次開發（控制）的電壓源，然后根據電壓源的說明書，制作控制板。市面上這種電壓源很多，控制板的制作也較簡單，在此不加贅述。
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圖－3 程控信號源系統框圖
從上述所給指標可以看出，該程控信號發生器頻率變化范圍寬，對穩定度和精度的要求都很高一而且有一定自動化的要求。這些都是模擬電路難以達到的，所以我們采用了單片機控制的全數字電路，系統框圖見圖－3。
要產生脈沖波形有很多方法，但關鍵是如何使占空比可變。在此，采用軟件控制單片機的一位輸出口，定時對它置位和清零的方法來實現，這樣就可以方便地調整占空比，同時頻率也是可變的。經過計算可以發現，當頻率為250Hz，占空比為1％ 時，信號保持高電平的時間為40μS，因此MCS-51單片機的速度能達到要求。【5】
3.3 IO控制板和測量控制電路
在介紹系統組成的時候以及說明了測量控制電路的作用和組成。下面簡要介紹一下IO板的設計與實現。此處的IO板僅僅由一個簡單的并行接口芯片8255A組成，并直接將此板接插在工控機的ISA擴展槽上（如果工控機上沒有ISA插槽，也可以直接接PCI插槽）。上位機軟件對IO板的操作僅僅是寫一些控制字，就可以讓IO板的輸出發生相應的變化，從而驅動相應的測量控制電路中的繼電器進行相應的動作。我們知道，在Windows 9x的操作系統中，應用軟件可以直接對接口電路中的寄存器進行訪問而不需要驅動程序。所以，如果本系統中的上位機采用Windows 98 做為操作系統，就不需要為IO板編寫驅動程序了。這正是筆者在此測試系統的工控機中使用Windows 98 SE作為操作系統的主要原因之一。
4.系統軟件設計
系統軟件包括上位機軟件和下位機軟件，下位機軟件的設計在介紹各個部分的硬件實現的時候已經有所述及，在此不在贅述。
上位機程序設計可分為四大部分：測試界面的設計、用于存儲測量結果以及測試參數設置的數據庫的設計、上位機與下位機之間串口通信程序的設計、測量算法的設計。
上位機軟件采用Visual Basic 6.0來實現。Visual Basic 6.0是Windows環境下簡單、易學、高效的可視化編程語言開發系統。VB6.0既可使用DLL來實現IO端口的輸入輸出功能，又可通過Mscomm控件或API函數實現串口通信，能方便地實現圖像顯示和數據存儲，還能夠充分發揮VB數據庫功能以及生成用戶界面快等優點。因此采用VB6.0來實現本系統恰到好處。在這里介紹在VB6.0下如何訪問插在工控機I/O插槽中的IO板的端口。
由于VB不能直接對寄存器進行操作,沒有直接的輸入輸出端口操作語句,而VC++同時具有匯編語言和高級語言的功能與特點,如果利用VC++編制一個動態鏈接庫,庫中包含對輸入輸出端口的讀/寫函數,然后在VB程序中,通過聲明DLL中的函數并提供DLL路徑來調用這些函數完成控制行為，那么在VB中就可以很方便的實現對IO口的操作。
5.結束語
本文所介紹的汽車發動機點火線圈測試系統的實現方法，實際應用于武漢理工大學汽車電子電氣研究所為廣州飛達電器公司和北京同享同悅汽車電子有限公司研制的點火線圈測試臺上，取得了很好的效果。
本文作者創新點：本文中所論述的點火線圈測試系統能測量國家標準中規定的所有點火線圈的參數，達到替代進口設備，填補國內空白的目的，并且汽車發動機點火線圈測試的準確性、精確度方面都達到了較高要求，完善提高了國內現有設備的性能.