實用型增壓器轉速表設計

(中國北方發動機研究所1,天津 300400；山西柴油機工業有限責任公司2,山西 大同 037036)

0 引言

增壓系統是實現內燃機功率提升的重要組成部分。不同工況的內燃機均有與之相適應的渦輪增壓器轉速。增壓器的工作狀態決定了內燃機的功率[1]。若增壓器轉速超出與內燃機功率輸出相匹配的允許范圍或者出現異常，將影響內燃機功率的發揮，嚴重時會影響其使用壽命。此外，由于增壓器工作于高溫、高壓、密閉的環境，故障率較高，在試驗及日常檢修過程中，增壓器轉速也是不可缺少的參數之一。通常通過轉速偏離正常值的大小來判斷其是否出現故障[2]，因此精確測量增壓器轉速具有十分現實的意義。

本文設計的增壓器轉速表(以下簡稱轉速表)采用220 V市電供電，輕巧便攜，所測轉速通過數碼管實時顯示，左右通道轉速切換方便，測量精度高，抗干擾能力強，具有很強的實用價值。

1 系統結構及算法

1.1 系統總體結構

轉速表系統總體結構如圖1所示。該系統主要包括電源供電模塊、信號調理模塊、數碼管顯示模塊及系統核心C8051F310單片機。

圖1 轉速表系統結構圖

當增壓器工作時，傳感器會輸出微弱的正弦波信號，且信號頻率與轉速信號頻率相同。該測量系統的整體設計思路為：通過調理電路將微弱的電壓信號放大、整形后，轉換為單片機可以識別的方波信號；經CPU內置的比較器整形，并運用PCA捕捉/比較模塊進行數據計算、處理得到轉速信號頻率，然后轉換成轉速[2]，通過顯示電路實時顯示。

1.2 轉速測量算法

通過C8051F310內置的增強型捕捉定時器PCA，運用測周法測量轉速信號頻率，再將其轉換為本轉速表的轉速為：測周法計算頻率的誤差是由于計數器只能進行整數計數而引起的±1誤差[3]：

ε=ΔN/N=±1/N=±fx/fs

(1)

式中：fx為待測信號頻率；fs為基準時鐘頻率；N為一個脈沖周期內的計數值。

由式(1)可知，如果進行n次重復測量并取平均，則±1誤差會減小[4]。本系統的外部晶振頻率為22.118 4 MHz。在保證計算精度的同時，為避免PCA計數器頻繁溢出而引發定時器中斷，將PCA時鐘頻率設為系統時鐘頻率的4分頻。對于給定的脈沖信號，如果通過PCA捕捉寄存器測得一個脈沖周期包含N個系統時鐘，則信號頻率為f=1/[N/(fSYSCLK/4)],繼而得到實際轉速v=f×60。

2 硬件設計

2.1 C8051F310單片機

C8051F310是完全集成的混合信號片上系統型MCU。CPU速度可達25 MHz，具有豐富的片上模擬外設和數字外設，有效減少硬件設計的擴展芯片，使電路結構更加緊湊、可靠性更高。片內上電復位、軟件看門狗等都是能真正獨立工作的片上外設[5]。

2.2 調理電路的設計

增壓器是內燃機車中轉速最高的部件，轉子工作轉速根據工況的不同，一般在每分鐘幾萬轉至幾十萬轉之間。某型號柴油機配備的磁電式轉速傳感器，輸出電壓幅度為±(10～40 mV)。為準確獲取增壓器轉速信號，設計了信號調理電路[6]，電路框圖如圖2所示。

傳感器輸出的電壓信號通過一階高通濾波后加在運算放大器的正向輸入端，通過信號放大后，輸出電壓約為1 V；此電壓加在滯回比較器的反向輸入端，通過設置閾值電壓,使其輸出的正向電壓約7 V，負向電壓為6 mV左右；此電壓信號通過控制開關三極管的通斷轉換成幅值為0～3.3 V的方波信號，送入單片機內部集成的模擬比較器，再轉換為規則方波。

圖2 調理電路框圖

2.3 電源電路的設計

本文通過單片開關電源芯片TNY266實現了由220 V市電到3.3 V、±8 V電源電壓之間的變換[7]。此單片開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路和最佳性能指標等優點。電源電路原理圖如圖3所示。

圖3 電源電路

220 V市電通過整流橋整流、電解電容濾波后，轉換為直流高壓。經高頻變壓器初級加在開關電源TNY266的漏極。當TNY266關斷時，高頻變壓器漏感產生的尖峰電壓疊加在直流高壓和感應電壓上，可使功率開關管的漏極電壓超過700 V而損壞芯片。為此，在初級繞組兩端增加了漏極鉗位保護電路。D6、D7、D8為輸出整流二極管，輸出電壓經過π型濾波電路吸收整流二極管反向恢復過程中產生的噪聲。電磁干擾濾波器在抑制從電網引入的電磁干擾(EMI)的同時，防止開關電源產生的噪聲經電源線向外傳輸。

該電路采用配TL431的精密光耦反饋電路，對輸出電壓作精細調整。當輸出電壓發生波動且變化量為ΔVO時，通過取樣電阻R5、R6分壓，使TL431輸出電壓VK產生相應變化量，進而使LED的工作電流IF改變；最后通過控制端電流IC的變化量來關斷或開啟MOSFET，使VO產生相反的變化，從而抵消ΔVO的波動。

2.4 顯示電路的設計

由于增壓器在工作時，轉速會迅速上升至幾萬轉，且幾十轉的轉速對于幾萬轉的轉速可以忽略不計，因此本設計通過4位數碼管只顯示轉速計算值百位及以上位數。顯示電路如圖4所示。

通過單片機P0口并行驅動4位數碼管；P2口控制開關管的通斷，分時輪流控制各個數碼管的COM端，使各個數碼管輪流受控顯示，每位數碼管的點亮時間為5 ms，運用人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，使數碼管顯示的數據穩定，且沒有閃爍感。以上就是數碼管動態顯示技術。該技術具有使用硬件I/O端口少、節省線路板空間、功耗低等優點。

圖4 顯示電路

3 軟件設計

為提高系統程序的可移植性和易維護性，采用模塊化設計方法。整個程序由主程序、初始化子程序、轉速計算子程序、濾波子程序、定時器中斷服務子程序、看門狗子程序、按鍵掃描子程序等部分組成[8]。主程序主要完成系統初始化及實際轉速測量過程中各個功能模塊的協調。按鍵掃描和轉速計算等子程序利用C8051F310豐富的中斷資源，在外部中斷、PCA捕捉定時器中斷和定時器中斷子程序中完成[5，9]。

3.1 PCA中斷服務子程序

PCA中斷服務子程序主要完成脈沖周期計算，為轉速計算提供依據。由于PCA定時器和捕捉比較模塊使用同一個中斷向量，而中斷引發到中斷得到響應會有幾個機器周期的延時。因此，在計算脈沖周期時的重點是對緊鄰PCA定時器中斷產生的PCA捕捉比較中斷的發生先后順序做出判斷。

當系統沒有信號輸入時，PCA計數器也在運行，因此當有信號輸入時，第一次進入捕捉中斷時的PCA溢出計數器的值不一定為0。為保證第一個脈沖周期計算值的準確性，程序對是否是“第一次進入PCA捕捉中斷”作了判斷。具體做法是當過了設定的時間沒有信號輸入時，給無脈沖標志賦1，脈沖周期設為0xAFFFFF，代表無窮大。程序流程如圖5所示。

圖5 PCA中斷服務子程序流程圖

3.2 數字濾波

為增強系統的可靠性，降低實際應用過程中隨機噪聲和低頻脈沖的干擾，在硬件濾波的基礎上，采用數字濾波算法降低干擾信號在有用信號中的比例。數字濾波的優點是在不增加任何硬件設備的情況下，改變濾波程序或參數，就可以方便地改變濾波特性[10]。因此在脈沖周期計算及轉速計算過程中均調用一階低通濾波算法。算法公式為y(n)=ax(n)+by(n-1)，系數a+b=1。經過試驗調試，該系統的a、b參數值分別為0.3、0.7。

3.3 軟件看門狗

為保證程序運行的可靠性，同時節省成本，充分利用C8051F310片上資源，加入軟件看門狗[5]。為兼顧系統中的每個模塊及子程序，在每段子程序末尾置標志，在定時中斷中復位看門狗，復位看門狗之前先檢測程序運行標志是否置位。如果標志置位，則說明程序運行正常，清看門狗同時清程序運行標志；反之復位。這樣保證了在正常時間內，只要有一個子程序沒有跑到，看門狗都能使系統復位，防止系統陷入死循環或跑飛。

假設很長一段時間都沒有信號輸入，PCA捕捉中斷就不會執行。為防止在這種情況下程序陷入死循環，每隔5 min給一個復位指令。

3.4 一鍵多功能識別技術

為增強轉速表的實用性、可操作性，采用一鍵多功能識別技術，通過一個按鈕控制要顯示的通道的轉速。系統上電時，默認的按鍵ID號為0，此時左右通道轉速以3 s為間隔交替顯示，對應各通道轉速的LED指示燈交替點亮。鍵每按下一次，ID號加1，ID號最大值為2。ID號為1時只顯示左通道轉速，相應指示燈點亮；ID號為2時，只顯示右通道轉速，相應指示燈點亮。

為降低系統功耗，節能減排，在ID號為0時，如果有一路轉速變為0，則在30 s后，只顯示不為0的轉速，并點亮相應的指示燈；如果兩路轉速均變為0，則在交替顯示1 min后，系統進入低功耗模式，顯示屏不顯示任何數字，只點亮上面的LED指示燈，系統進入休眠模式。在這種情況下，只要有轉速輸入，系統便被喚醒，恢復到正常運行模式。

程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖(ID=0)

4 結束語

本文設計了一款便攜式增壓器轉速表。該轉速表以高性能的C8051F310單片機[11]為核心，采用內置的PCA捕捉模塊基于測周法測量轉速，在硬件濾波的基礎上結合軟件濾波，能快速準確測量增壓器轉速，且抗干擾能力強。利用信號發生器進行模擬增壓器轉速測量，結果表明在28～280 000 rad/min范圍內的任意轉速，增壓器轉速表測得的數值與信號發生器顯示值相比，誤差<±0.5%。逐漸增大或減小轉速時，轉速表顯示的數值隨之增大或減小，且響應速度快，數字顯示穩定。一鍵多功能識別模式使得要顯示的數據在左右通道間方便切換，應用靈活。經過試驗考核及數臺樣機近一年的現場使用，證明該轉速表工作性能穩定，測量精度高，響應速度快，各項指標均達到設計要求。

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