一种基于计算机的电控发动机故障模拟实验台设计

摘要：针对现有电控发动机故障模拟实验台用于实训教学中的不足，设计了基于计算机测控技术的实验平台方案。通过在计算机上设置故障点，模拟各种工况下的发动机电气线路故障，并把发动机节点电压和传感器波形投影在荧幕上，解决了仪表测量的场地限制问题。该实验台故障设置方便，教学效率高，适合整班教学。
关键词：电控发动机；故障模拟；实验台；计算机测控技术

0 引言
    随着以ECU为核心的电控发动机在汽车行业的广泛应用，发动机的故障诊断方法发生了很大的变化。传统发动机的故障诊断，主要依赖维修者的经验，通过看、闻、听、摸、换来确定故障点。而对于电控发动机的维修诊断，首先要使用仪器仪表来测量节点电压和传感器波形，然后再结合原理进行数据分析，才能准确完成故障定位。
    发动机故障模拟实验台是用于电控发动机故障诊断培训的一种教学设备。实验台的面板上配有发动机的电路原理图，设置了测量用的接线柱，采用机械开关(多数是钮子开关)切断部分电路，设置、模拟发动机电路故障，供学员进行故障诊断训练。
    实际使用中，多名学生组成1个小组，使用万用表和示波器测量面板接线柱上的节点电压和传感器波形，讨论、分析和诊断发动机故障。基于测量空间的限制，1个实验台仅能同时容纳6名左右的学员。这种分组教学模式，耗费时间长，教学效率低，不能适应以班级为单位的实训教学需求。
    针对上述不足，笔者把实验台内的测量和故障设置部分从原设备里分离出来，由外接的计算机完成操作台功能，开发设计了一种基于计算机测控技术的电控发动机故障模拟实验台。

1 总体设计
    为了拓展教学场地，扩大学生的视野，笔者采用计算机来测量发动机的节点电压和传感器波形，将计算机与投影仪相连，把发动机的电路原理图、节点电压测量结果和传感器波形投影在实验室的荧幕上，使用多媒体手段来实现整班教学。总体结构示意图参见图1。

    图1中，发动机故障诊断台架和计算机是实验台的核心部分。发动机故障诊断台架内包含了AJR电控发动机、测量端子、调理电路板和故障执行电路板。计算机内部安装了A／D转换电路板。核心硬件原理框图如图2所示。

    电控发动机的节点电压信号和传感器波形信号经测量端子转接后，首先送入调理电路板进行信号调理，然后再送到A／D转换电路板转成数字信号，经计算机识别后显示出来。
    随着计算机在教学上的应用，通过计算机设置发动机的故障点成为技术发展的趋势。在发动机故障诊断台架内，配置了带有计算机通信功能的故障执行电路板，板载继电器的触点替代了机械开关。教师通过鼠标操作，在计算机上能设置故障点，由故障执行电路板模拟发动机电路故障。

2 详细设计
2．1 硬件设计
    本文论述的实验台选配了上海大众时代超人AJR型电控发动机。它燃油喷射系统的电气控制部分主要由ECU(电子控制单元)、传感器和执行器组成，如图3所示。

    在调理电路板上，来自电控发动机传感器的信号被放大或分压，经低通滤波和高通滤波，把降噪后的信号限幅后，送到输出级。输出信号被限幅在±5 V范围内，能满足A／D转换电路板对输入信号幅值的要求。调理电路板的信号处理流程如图4所示。

    A／D转换电路板选用了低成本的单端输入32路PCI采样卡，安装在计算机的PCI插槽内，转换精度是12位。PCI总线的A／D采样卡以其成熟的技术和低廉的价格在电子产品质量控制、信号采集、过程控制和伺服控制等领域广泛应用。调理后的模拟信号在A／D转换电路板上完成模／数转换，转换的结果从PCI总线送入计算机CPU进行软件处理。为了确保对电控发动机传感器波形的采样不失真，采样卡的A／D转换时间小于1．2μs。选用具有32路循环采样功能、带FIFO缓冲存储器的采样卡，能有效地降低设备配置成本。
    故障执行电路板主要完成电控发动机的故障模拟功能。以单片机为核心的故障执行电路板上，设计按装了多个小型继电器。继电器的常闭触点串接在ECU外部的传感器回路、执行器回路和电源回路中。当计算机通过串行口发出故障设置指令时，故障执行电路板接收并控制对应的板载继电器线圈通电，继电器吸合，常闭触点断开，切断部分发动机电路，完成了故障模拟。
2．2 软件设计
    电控发动机故障模拟实验台的计算机上按装了Windows XP操作系统。为了兼顾人机对话和测量的实时性，软件采用了C++ Bulider 6．0编写，具有较高的代码效率和友好的人机界面。软件由主程序、数据采集和串口信息处理3个模块组成。
2．2．1 主程序
    主程序负责图形界面显示和人机对话操作，主要包括：发动机电路原理图显示、菜单显示、对话框显示、鼠标处理、单选框和复选框处理等模块。在C++Builder软件中提供了大量的界面设计控件，仅需拖放就可以完成大部分界面设计工作，具有框架代码自动生成功能。这种所见即所得的设计模式，极大降低了图形界面的软件设计难度。
2．2．2 数据采集

    在数据采集软件模块中，CPU向A／D转换电路板发出设置参数，然后从板上读取转换后的结果，得到发动机节点电压值和传感器波形测量值。程序流程如图5所示。

    数据采集线程启动后，首先完成A／D设备创建、硬件参数设置等初始化工作，然后CPU循环读取采样数据。当一批数据读取并处理完毕之后，CPU向主程序线程发送一个事件，通知主程序绘图，刷新界面显示。在软件退出之前，系统释放A／D设备资源，关闭数据采集线程。数据采集模块的部分源程序如下：

2．2．3 串口信息处理
    串口信息处理模块运行以后，计算机的CPU可以从RS 232C串行接口向故障执行电路板发送故障设置命令。
    在Windows XP操作系统下有两种常用的串口通信编程方式：调用Windows的API函数和使用Active X控件MScomm。相比较而言，使用API函数较为复杂。因此，在该设计中，采用了Microsoft公司提供的ActiveX控件MScomm来完成串口信息传送。该控件可以方便地应用在VB，VC，C++Bulider等多种语言开发工具中，为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。

3 结语
    在电控发动机的维修实训中，用计算机测量发动机节点电压和传感器波形，把测量结果送入投影仪来拓宽学生的视野，可以实现整班教学，提高教学效率，节省教学成本。通过计算机设置故障点，提升了电控发动机故障模拟的自动化水平。教学实践表明：在多媒体实验室按装了基于计算机测控技术的电控发动机故障模拟实验台以后，实训教学取得了更好的效果。