汽车发动机喷油、点火控制系统信号模拟与故障诊断仪器的设计

金立娟

(黑龙江省交通发展股份有限公司哈大分公司)

1 诊断仪器仪器设计

1.1 诊断仪的设计要求

(1)模拟汽车发动机电子控制系统中传感器的信号，控制诊断仪中执行元件的工作。(2)可以脱离汽车发动机模拟电控燃油喷射、电子点火过程，进而实现对电子控制系统部件检测。(3)设置电路接线转接板，通过转接板可以与同一车系不同车型的ECU连接，从而检测ECU工作是否正常。(4)诊断仪具有诊断检测端子，可以与试验车辆进行连接，进行随车故障诊断。(5)根据车载诊断系统协议，提供标准车载诊断端子，可以方便的与外部设备进行数据通讯。

1.2 诊断仪的设计路线

(1)选择参照车型，结合其发动机运行工况选择一个具有代表性的发动机。(2)采集发动机上的数据流，通过整理建立一个比较标准的发动机特定工况传感器信号数据库。(3)根据测得的数据流分析各传感器信号与发动机转速的关系。(4)根据曲线图用单片机汇编语言模拟各种传感器信号，使模拟信号能够正确控制喷油器、火花塞等执行器的正常工作。(5)诊断仪控制演示面板的设计。

1.3 诊断仪的设计

1.3.1 检测车辆选型、定型

为了保证诊断仪具有一定适用性，同时具有较强的同车系内不同车型的互换诊断性能。根据国内汽车市场车系保有率，选择具有代表意义的大众车系，并在传感器信号分析过程中，选择了大众5气门发动机进行数据采集，收集整理信号的变化规律，进行进行控制系统设计。

1.3.2 控制系统信号数据采集

为使诊断仪真实模拟汽车发动机运行过程中电子控制信号的变化规律，从而实现对于电子控制系统的元件测试功能。需要从所选发动机上大量采集所需的数据流，通过数据流分析各传感器信号的特点，从而能控制信号的精度。在发动机数据采集过程中，使用大众车系专用诊断测试仪进行数据采集。受到测试条件的限制，考虑到由于汽车运行工况的不唯一，同时运行条件的变化对执行元件也会产生不同的执行结果等因素，因此在数据采集过程中，进行了汽车发动机自由加减速工况数据的测试，在水温达到正常即80℃时开始采集，电脑会自动记录，每隔1.3s记录一次，控制节气门拉索，使发动机转速从怠速起缓慢增加到3 500r/min左右，反复多次测试，得到比较准确的发动机信号数据。并在此基础之上，进行数据的分析与整理。将采集得到的数据进行处理，摒弃突变信号，建立不同测试条件下的传感器信号数据库。

1.3.3 数据流的分析处理

发动机怠速时的转速范围为800～920r/min。此时，各传感器信号比较稳定;随着转速的增加，各传感器信号开始变化。从所测数据中可以看出，转速越高，在同一段时间内，曲轴相应转过的角度越大，如果混合气的燃烧速率不变，最佳点火提前角则应线性增加。但转速升高时，由于混合气的压力与温度的提高以及扰流的增加，使燃烧速度随之加快，故最佳点火提前角应随发动机的转速升高而增大，但不是线性关系。

当发动机启动时，由于转速波动较大，无论是空气流量计还是进气歧管压力传感器，都不能精确测量进气量。因此，启动时，ECU一般不根据吸入的空气质量来计算喷油时间，而是根据发动机冷却水的实际温度由ROM内存储的水温—喷油时间图查出基本喷油脉宽，然后再根据进气温度信号和蓄电池电压信号，进行进气温度修正和蓄电池电压修正，以此得到启动时的喷油脉宽。

根据所测得的数据，可以作出点火提前角、空气质量流量、喷油时间、节气门开度、氧传感器电压分别和发动机转速的关系图曲线。如图1、图2。

图1 点火提前角与发动机转速的关系曲线

图2 空气质量流量与发动机转速的关系曲线

1.3.4 车用传感器信号的模拟、设计

(1)信号模拟:基于测试结果，分析不同车用传感器信号的特点，将车用传感器信号进行分类模拟。

①线性模拟，随机变化:处理过程中将温度传感器、位置传感器等信号在正常工作范围内进行线性变化模拟其变化规律。②线性模拟、运行工况匹配:将空气流量信号线性模拟过程中尽可能与发动机自由加减速工况变化实际需求一致。③标准信号源输出，连续变化:模拟车辆曲轴转速信号与转角信号，考虑到实际检测过程分析结果的真实，只建立了发动机运行转速从600～3500 RPM之间的变化。④反馈传感器信号模拟变化:主要考虑到发动机控制系统中反馈用的传感器的控制信号，诊断仪主要输出连续反馈信号，进行不同控制修正。变化过程含正常及故障规律。

(2)信号设计

①线性信号设计;②转速信号设计。

发动机转速信号模拟输出为60-2脉冲波形，在发动机不同转速时，输出波形的频率不同。

其中，在一个周期内每输出58个对称脉冲以后，有两个脉冲宽度的低电平。此波形用定时器控制输出。溢出时间的计算方法如下。

曲轴每转两圈为一个周期，这样对应于Nr/min的周期T为

周期T(ms):

溢出时间t(ms):

定时器初值TC:

在转速信号模拟中，采用了AT89C51芯片，12MHZ晶振，设计过程中加有按键复位电路。系统主要程序的设计包括如下。

a主程序:主程序在刚上电时对系统进行初始化，然后读一次键开关状态，由键位值决定程序的执行方式。当p1.0口为高电平时，执行自增程序;当p3.0口为高电平时，执行自减程序。在此程序中，最低转速为600r/min，最高转速为3500r/min，当p1.0和p3.0都为低电平时，p1.2口输出当前转速的波形信号，从而控制执行器的工作。b初始化程序:在系统初始化时，将所用的定时器初值从ROM表中装入寄存器R3和R4中。c自增功能程序:自增程序中使用了定时器1，控制转速的增加，每隔2s，转速增加50r/min，当增到上限3500r/min时，便不再增加。d自减功能程序:类似于自增程序，每隔2s，转速减少50r/min，当减到600r/min时，便不再减小。e子程序:子程序中使用了定时器0，以p1.2口为输出口，控制输出60-2脉冲信号。

1.3.5 诊断仪控制面板设计

在本实验台的设计过程当中，考虑到教学演示操作功能的操作方便性和整体美观性以及台架整体的利用，我们设计了一个斜面操作、立面观看演示的台架。台架上安装了转向轮，移动很方便，还设计了防尘档板，形状显得更加美观大。

2 实验台的定型

(1)台架的总体结构。根据人体工程学原理，我们设计了一块大约30°的斜面操作板，还有一块功能演示板。操作台两垂边分别是150mm，500mm;操作台下边离地高度是900mm，操作台上边至上边缘的高600mm，上立体是长宽高800mm×250mm×600mm，整个台架高1650mm，宽750mm，长800mm。(2)台架的总体布置。在实验台的下方有主机和显示器、蓄电池和油箱以及一些附加件。在操作面板上装有89C51芯片盒、转接板、诊断端子、控制开关、电源开关、数码显示管，在功能演示面板上有喷油装置、点火装置以及油量流量计和点火时刻表。(3)台架的校核。实验台中，估计各器件与台架总重为100kg，所以选择了2mm厚的钢板，为了便于焊接选择45号钢，台架上最重的是主机和显示器，油箱，台架自重，所以四个转向轮周围是危险点，之后采用力学原理进行校核，直到支撑架符合要求，所选材料合格。

3 运行调试

3.1 程序的调试

在程序的调试当中，使用了伟福系列E51/S仿真器和RIGOL DS 5062C型示波器。在程序调试前，先把仿真器与电脑主机箱连接好，接通电源，把示波器与89C51芯片的p1.2引脚连接。启动计算机，设置仿真器，选择E51/S型仿真头。调入所编程序，进行编译，然后执行程序。在这里，由于没有外部扳键，在程序中用软件控制p1.0或p3.0的位状态。当p1.0与p3.0位都为低电平时，自动捕捉所得到的信号波形输出的频率保持在一定幅度内不变;当置p1.0位为高电平时，波形的输出频率每隔2秒钟会增加一点，当增到某一频率时将不再增加;相反，当置p3.0位为高电平时，波形的输出频率将会逐渐减小，当降到某一最小频率时将保持不变。其中，由于扳键的抖动、连接电路的稳固性和仪器本身的精度，在波形输出时会出现小范围的波动，属正常情况。

3.2 外部电路的调试

将调试无误的程序写入89C51芯片的ROM中，接好上电复位电路和按键复位电路，并将扳键开关与p1.0和p3.0口按照电路图接好，将信号输出口p1.2口与汽车电脑入口端子相连，并将汽车电脑的控制端子与点火装置、喷油器接好。开启电源，芯片在上电时自动复位，如果开关在空挡位置，则喷油、点火装置在怠速工况下工作;如果开关置在p1.0处，则喷油、点火逐渐加快，当到某一时刻将不再增快;如果开关置在p3.0处，则喷油、点火速度逐渐减缓，当到某一时刻就会保持不变。在工作的任意时刻，可以通过复位开关进行硬件复位。

4 结论

(1)模拟发动机电控燃油喷射、电子点火，以满足教学实验的要求。(2)通过实验台上的转接板可以与同一车系不同车型的电脑连接，从而检测汽车电脑工作是否正常。