电控发动机测控网络系统研究

电控发动机在传感器的作用下在线采集发动机的工况，通过采样得到的实时工况信号被传输给相应的电控单元，电控单元根据接收到的发动机工况对其点火提前角进行在线调整。从系统优化的角度提供了适合点火的相应混合气体，使得电控发动机的输出状况最佳。然而由于系统控制结构复杂，传统的测量仪器无法对其性能进行良好的测试以及故障诊断。对此，本文设计了一套基于工业控制计算机的网络测量与控制系统，用以测量发动机的点火时刻、转速以及温度等，同时将测量得到的数据发送给多个微机，使得微机能够实时调用所需信息并对其进行数据分析、处理、显示、诊断等操作。经验证表明，本系统能够充分发挥资源共享和信息系统整体功能的效益，为电控发动机的故障诊断、研究试验和教学培训提供了一种有效手段。

1测试原理

电控发动机网络系统结构主要分为以下三个部分，它们分别是传感器、电控单元(ECU)以及执行器。其中传感器又可以分为以下几种：转速传感器、节气门开度传感器、温度传感器、曲轴位置传感器、空气流量计等，其主要功能是为电控单元(ECU)实时提供发动机的工况。电控单元里涵盖有系统控制所需的专用接口电路，同时针对不同工况下的系统运作的最佳点火提前角度及与之相对应的混合气体浓度进行了归纳整合，当传感器检测到某个工况时，电控单元控制对应的点火提前角以及混合气体浓度，由执行器对其进行调整。整个系统三个部分紧密结合，共同控制系统，当其中任何一个部分出现故障或命令发生错误则会导致整个系统无法正常运行，因此，要求测试仪能够准确测试出不同传感器所输出的不同信号，并且准确模拟出电控发动机输出的相应传感器信号，用于测试ECU和执行器的性能。

2测试系统设计

2.1硬件设计

系统的硬件结构如图1所示，主要包括工业控制计算机和信号测试单元两个环节。整个系统以工控机为核心实现控制，为减少控制现场环境干扰同时保证系统可靠性，工控机选用ISA总线结构，过程中用到的板卡包括以下3个：(1)数据采集控制板卡PCL-818L，该板卡具有如下工作特性：模拟输入通道分为8路差分信号输入通道或者16路单端输入通道，输入信号又分为单极性或者双极性，数字输入通道与数字输出通道均分为16路，另外包括3个向下计数器，2个12位单片乘法模拟输出通道；(2)16通道继电器输出端子板卡PCLD-785，该板卡和PCLDAS的20芯接口相配合，适合用于数字输出；(3)16路光隔离D/I端子板卡PCLD-782，该板卡和PCLDAS卡20芯接口相配合，适合用于数字输入。上述三个个板卡均提供WindowsDLL驱动程序，其中涉及到了复杂的I/O访问，中断处理以及DMA处理等，利用VB编程软件可以对这些驱动程序进行编程仿真，实现数据的采集。测试的信号被分为数字信号和模拟信号两类，其中数字信号又涉及到曲轴转角、怠速开关以及喷油驱动等，PCLD-782B通道光电隔离板对系统测试到的输入数字信号进行处理，并将其传递给工业控制计算机，系统选用的PCID-782B为24/16通道数字输入子板，该子板全部输入通道均具有高于1500VDC的光电隔。而模拟信号则涉及到空气流量、电瓶电压、节气门开度等，此处系统选取的板卡为PCL-818HD数据采集卡，对测试到的模拟信号进行A/D转换，转换后的数字信号被输入给工业控制计算机。

2.2软件设计

系统的软件仿真部分采取的是VisualBasic语言，VB语言相比于其他环境具有操作便捷、简洁易懂、功能齐全等优点，适合本课题的开发使用。根据软件可实现的功能将系统大致分成以下四个模块，它们分别是：系统初始化模块、系统信号在线实时采集与显示模块、系统信号数据记录以及数据报表模块、系统终端帮助模块[9]。整个系统的实现流程图如图2所示。

2.2.1初始化模块系统初始化模块主要用于设置系统软件参数初始值以及完成不同功能的板卡软件设计，在本系统中板卡功能主要涉及到A/D转换、定时/计数器测试频率、测量波形脉宽等。课题采用了ISA总线结构对数据进行采集以及控制等处理，驱动程序由生产厂商为用户提供，此类DLL可以实现较为复杂的I/O访问、DMA处理等。除了软件参数的设置，系统还需要对各个硬件进行初始化，通过访问主界面中的工具/初始化栏可以调用“初始化参数模块”来实现。

2.2.2实时信号采集与显示模块系统信号在线实时采集与显示模块主要用于完成系统实现过程中的点火、转角、喷油、节气门开度、转速等环节信号的采集、检测以及波形显示[10]。点火以及喷油等脉宽测试中，设置软件板卡内部某一条通道为内部时钟状态，当待测信号达到门控端口时，信号低电平，则计数器停止计数，反之，当信号为高电平，则计数器开始计数，由于计数发生在内部时钟信号发出的瞬间，因此，计数的结果即为内部时钟发出的个数，而待测信号的脉宽则可以通过换算得到。转速测试中，采用的是与分电器转轴相连接的光电脉冲式传感器，当分电器旋转一周，相应的脉冲传感器输出一个脉冲，为使得计数器在方式0下计数，设置定时/计数器的中断时间间隔为1s，门控端始终处于高电平状态，当被测信号达到CLK端口，经过1s的中断时间后信号被锁存，待测的转速可以通过换算而得到。经测试后的信号波形以及相关测试得出的数据均可由VB中的绘图功能绘制并显示在界面中。在对本系统进行信号采集、分析、处理之后，对显示界面上的信号波形以及数据进行分析，总结出与之对应的信号曲线如图3(a)所示，图3(b)为FLUKE美国专用汽车信号检测仪检测出的系统点火信号波形图，从图中可以看出，两信号曲线走向基本相同。

2.2.3数据记录和数据报表模块数据记录以及报表模块主要用来建立并维护系统数据库，根据需要实时地查阅调用相关数据信息。VB中提供了16种数据通道在线采集，每个数据所用的采集时间可精确到秒，利用报表设计器可以建成对应数据的报表文件。

2.3系统抗干扰设计

由于电控发动机所处的工作条件相当恶劣，不可避免的会出现很多干扰因素，对此，需要着力解决系统抗干扰问题，在本课题中，主要采取了如下两种抗干扰措施，分别是硬件抗干扰、软件抗干扰。

2.3.1硬件抗干扰(1)测量电路选用的是具有预处理功能的8254频率测量电路，有效抑制了转速测量时的噪音干扰。(2)测量所用计算机选用的是具有强抗扰能力的PC工业控制计算机。(3)测量过程中为防止干扰进入系统，选用的技术为光电隔离，有效地防止了干扰源从通道进入系统。

2.3.2软件抗干扰(1)采取数字滤波的方式滤除测试过程中的干扰信号，减小系统测试误差，提高精度。(2)在测试进行中，实现系统实时跟踪措施，有效地避免了一些突发事件，如电源突变导致程序无法正常运行的情况。(3)在系统程序控制过程中采取软件冗余手段。

3网络系统设计

电控发动机网络系统结构如图4所示，主要由数据采集、数据处理、数据传送、数据接收查询、数据显示等五大模块组成。其功能是采集电控发动机运行过程中的各种数据，进而通过网络传送给多台计算机，以直观图或对比的形式显示出来，达到资源共享，为系统的分析、故障诊断提供参考。系统采用客户端／服务器(C/S)的设计思想，即数据采集与处理在一台性能较好的服务器上进行，数据查询显示在成本较低的多客户端上进行。这样可以节约系统运行的成本，有效地提高网络系统的性能。

3.1服务器端程序设计服务器端程序的设计主要包括数据采集(OnComm函数)、数据处理(AssembleData()函数)和数据发送(Send-Data()函数)三个模块程序的设计。数据采集采用的是VB语言中的MSCOMM控件，在串口的作用下把下位机中的数据实时传递给上位机。数据处理模块(AssembleData())将数据按要求组装成实际的实时数据，并通过数据库访问组件(ADO)按一定的格式写入数据库;同时，处理好的实时数据通过数据发送模块(SendData())在网络上以广播的形式发送。数据发送模块采用的则是Winsock控件中的UDP协议，Winsock控件为TCP和UDP的访问创造了良好的条件和便捷的途径，在对其属性进行设置调整并调用方法之后，可以与另外一个计算机相连，实现远程数据双向传输。UDP协议是一种无连接协议，采用UDP协议可以确保服务器能够稳定运行，不至于因为客户端的故障而被迫停止运行。服务器端每次接收实时数据后，调用组装数据函数AssembleData()将各个实时数据组装成一个字符串，通过数据发送函数SendData()将数据发送出去。

3.2客户机程序设计客户机程序设计主要内容是针对数据的接收与显示。数据的接收依然是采用Winsock控件UDP协议，在Winsock控件中调用其中的GetData()函数则可以得到服务器发出的数据字符串。在此基础上，程序根据工作人员选择需要查看的参数，按照规范的数据包格式自动出示对应的数据显示在电脑屏幕上。启用历史数据查询程序的客户机则是通过远程数据访问组件ADO直接从服务器的开放数据库中取得历史数据，并且显示在屏幕终端。

4结论

设计的基于工业控制计算机的网络测量与控制系统，可实现对发动机各种参数，如点火时刻、转速、温度等的测试，并且可通过网络系统发送到多台计算机上，每个微机能够实时调取接收到的各种数据信息，对其进行检测、分析、处理、故障诊断等，最终达到资源共享。系统采用的服务器客户端结构，能够实现数据的远程查看，从而进行异地故障排查。最终测试证明本系统可以大幅度提高系统的抗干扰能力及其可靠性。户需求，优化了系统设计，有利于司机掌握更多的列车状态、操控车辆，有助于检修人员更好地维护车辆、排查故障，保障运营秩序。通过与其他网络形式对比分析，该网络结构合理，符合使用需求。

作者：吴涛 范育奇 周晨 陈金威 单位：江苏省吴中中等专业学校 南京师范大学 电气与自动化工程学院