基于ARM的PT泵試驗臺燃油計量系統設計

， ， ，

(防空兵學院 導彈系, 河南 鄭州　450052)

引言

現代電子控制技術在發動機噴射系統中的應用大大改善了發動機性能。電噴發動機噴油器噴油量特性是決定噴油器性能的重要因素。因此對噴油器噴油量的高精度、高效率測量是噴油器技術性能評定的重要環節[1]，同時也是對有故障的噴油器進行故障分析的依據。PT噴油器噴油量實驗主要檢測在不同的供油壓力、不同轉速、不同負載條件下精確流量，沖擊壓力達1200大氣壓，每秒20次，流量只有每分鐘幾十毫升，屬于高沖擊、非連續微小流量檢測，精確檢測難度較大。針對這一問題，本研究設計了基于嵌入式系統的噴油量計量系統，利用ARM的數據采集、電平輸出控制，油脈沖變截面衰減與穩壓、累積計量、光電液面監測等技術，實現了定容高沖擊、非連續微小流量的光電檢測，并設計了多用途流量檢測裝置，實現了不同流量范圍的檢測，具有較強的實際應用價值。

1　燃油計量系統硬件結構

燃油計量系統硬件結構主要包括：處理器模塊，控制器模塊，光電監測模塊，電源模塊，存儲模塊、外圍接口。

圖1　系統硬件結構圖

1.1　處理器模塊

為滿足測量裝置功耗低、體積小，便于攜帶的要求，本測量系統選用S3C6410A芯片作為主處理器。該芯片工作頻率最高可達667 MHz，并含有以下部件：LCD 顯示屏接口、標準RS232串口、USB Host 1.1接口、117個通用I/O、8路A/D通道、5路32 Bit PWM和1個內部時鐘控制器、24路外部中斷等，能夠與常用的外圍設備實現無縫連接。

1.2　電源模塊

ARM開發板內核的工作電壓是1.8 V，儲存器、LCD觸摸屏以及A/D采集通道接口工作電壓均為3.3 V，其他外圍電路則使用5 V電源。基于各模塊供電電壓的不同，設備采用117系列低壓直流穩壓芯片將5 V的直流供電電源分別轉為1.8 V和3.3 V。電源模塊電路設計時均采用電容濾波，減少高頻于擾。

1.3　光電監測模塊

此系統的數據采集模塊包括光電液面傳感器、速度傳感器、運算放大電路、A/D采集模塊。A/D采集模塊是芯片內部集成的8通道模擬輸入的10/12位A/D轉換器，輸入電壓為3.3 V，具有片上采樣保持功能，并支持掉電模式，最大工作時鐘為5 MHz，最大轉換速率可達1 Msps，能夠快速捕獲0～3.3 V之間的模擬電壓并將其轉換為10/12位數字量。

1.4　控制器模塊

控制器模塊包括計量指示燈和電磁換向閥以及光電驅動電路。系統工作時需要通過控制微處理器的GPIO端口輸出電平來控制計量指示燈和電磁閥換向閥的繼電器開關。由于微處理器的GPIO輸出口無法直接驅動繼電器，所以需要加入驅動電路。考慮到繼電器可能出現反向電壓的現象，故采用能耐高反向電壓的三極管作為驅動元件，繼電器選用具有體積小、動作迅速等特點的小型電磁繼電器JZX-18F。其工作電壓為12 V，最大電流3 A。如圖2所示。

圖2　光電隔離驅動電路

為了抗干擾，在信號輸入端加入光電耦合電路，這是一種以光為耦合媒介，通過光信號的傳遞來實現輸入與輸出間電隔離的器件，可在電路或系統之間傳遞電信號，同時確保這些電路或系統之間的電隔絕。當GPH1口輸入高電平時，光耦輸入端產生電流，發光二極管開始發光，光敏三極管導通[2]，繼電器線圈通電，觸電閉合。當GPH1口輸入低電平時，觸電斷開，繼電器的反向電勢可通過二極管DI放電，起到了續流的作用，保護了繼電器的線圈。

2　燃油計量原理及裝置

PT噴油器是發動機PT系統中的核心部件之一，噴射壓力高達1200個大氣壓，進入計量系統后，在油液中形成一股一股的高沖擊震蕩，導致輸出油液無法連續，而每次噴油量只有0.1～0.2 mL，非常微小，很難進行準確計量。

本研究設計的高沖擊、非連續微小流量光電檢測裝置包括復合油缸柱塞端部的錐形頭、壓力控制開關、多級緩壓背壓控制閥、ARM開發板、光電液面傳感器、容積式流量計、電磁換向閥等。多級緩壓背壓控制閥前后部安裝有3級油脈沖變截面衰減與穩壓機構。整個裝置如圖3所示。

1.球閥　2.螺紋調節器　3.壓力開關　4.多級緩壓背壓控制閥5.ARM開發板　6.光電液面傳感器　7.容積式流量計　8.電磁閥圖3　燃油計量系統原理圖

噴油器裝在試驗臺復合油缸柱塞端部錐形頭內時，在頭部形成密封腔，使所有噴出的油都必須經過球閥1，從而模擬氣缸中的背壓，并防止柱塞回程時已噴出的油流回到噴油器中去。開啟球閥間所需壓力由錐形頭背后的螺紋調節器2來調整。

當噴油器噴油時，壓力開關閉合，計量指示燈滅，此時按下ARM操作界面的計量啟動按鈕，微處理器GPIO口輸出開關控制量通過繼電器控制電磁閥DT5斷電，計量啟動指示燈亮，噴油器噴出的燃油經錐形頭、單向閥進入容積式流量計。當光電液面傳感器檢測到容積式流量計中噴油量達到設定值時，計量結束。通過檢測一定容積的噴油次數計算標準噴油量，并將計算的標準結果顯示在AMR實驗板的操作界面上。然后GPH1端口控制DT5通電，流量計中的燃油釋放到油箱中。延時一定時間后，計量啟動指示燈熄滅，一次完整計量過程完成。光電檢測部分實物圖如圖4所示。

圖4　光點檢測部分實物圖

考慮容積式流量計的容量一定，影響到了到測量系統的通用性。本研究設計了一種多用途的流量測量裝置，該裝置可以同時滿足小流量和大流量的測量，可用以替換圖3中容積式的流量計。該裝置可根據實際應用增減光面傳感器的個數和位置以達到測量范圍的選擇。圖5中光電傳感器采集到信號輸送到ARM的A/D采集端口，電磁閥則由ARM的GPIO端口控制[3]。

圖5　多用途流量測量裝置

3　燃油計量系統軟件設計

ARM板上的操作系統選用了Windows CE 操作系統，該系統是微軟開發的一個開放的、可升級的32位嵌入式系統[4]，具有模塊化、結構化和基于Win32 的應用程序接口以及與處理器無關等特點。它繼承了傳統的Windows 圖形界面，用戶不僅可以使用Visual Basic、Visual C++ 等編程工具，也可使用與之相同的函數、相同界面風格。此計量系統上的應用程序都是EVC++4.0環境下編譯的。

計量系統軟件應用程序主要包括A/D采集程序、流量計算程序、電磁閥控制程序、命令處理程序。軟件流程圖如圖6所示[5]。

以多用途流量測量裝置為例。光面傳感器個數為3個，分別接入ARM的A/D采集通道1、2、3。程序開始后，依次檢測通道1、2、3是否有信號輸入。如通道1有輸入，則啟動計時器；如通道2、3有信號輸入，則讀取時間，計算流量。流量計算程序流程圖[6]如圖7所示。

圖6　軟件程序流程圖

圖7　流量計算程序流程圖

4　結論

該計量系統采用了ARM嵌入式采集和控制技術，具有操作簡單、成本低廉、適應性強、工作可靠等特點，實現了噴油器噴油量的高精度、高效率的檢測，為噴油器的狀態監測提供了有力保障。

參考文獻：

[1]楊武，姚錫凡，胡俊. 基于單片機控制的電控噴油器測試儀的研制[J]. 機電工程技術，2006，35(12)：32-33.

[2]姚帆. 基于ARM的嵌入式系統在汽車自動空調系統中的應用[D]. 秦皇島:燕山大學，2010.

[3]王旭，郝大光，楊延相，等. 電噴發動機噴油器噴油量多通道檢測儀的研制[J]. 小型內燃機與摩托車，2004，(1)：21-23.

[4]劉洪濤.ARM嵌入式體系結構與接口技術[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[5]劉延軍，鄒德江，杜會林.基于ARM和WINCE的嵌入式熱流計的設計[J]. 長春理工大學學報(自然科學版)，2008，31(2)：132-134.

[6]王軍. 基于ARM的多路智能溫度控制器的設計與研究[D]. 無錫：江南大學，2011.