基于C8051F310的内燃机活塞温度场测试系统

收稿日期:2010 10 24;修回日期:2011 01 12作者简介:焦玉琴(1972 ),女,高级工程师,主要从事柴油机电控系统软硬件设计;jiao_yuqin@ 。

基于C 8051F 310的内燃机活塞温度场测试系统焦玉琴,王 孝,郁国军,张 春,褚全红,孟长江,朱锐锋(中国北方发动机研究所,山西大同 037036)摘要:介绍了由C8051F310单片机组成的温度场测试系统,提出了高速运动状态下测量发动机活塞温度场的方法,利用热电测量原理和无线传输技术,实现了活塞表面多点温度的同时测量。

详细阐述了测试系统的硬件电路设计和程序设计,在某活塞温度场测量中的应用表明,该系统具有较高的测试精度和可靠性。

关键词:活塞;温度测量;无线数字传输中图分类号:T K413.33 文献标志码:B 文章编号:1001 2222(2011)01 0018 04活塞是内燃机的重要零部件之一,柴油机功率提高后,活塞的热负荷能否满足要求是柴油机正常、安全、可靠运行的关键,它的可靠性和寿命往往制约着内燃机的性能和可靠性,而活塞温度场的分布直接影响着活塞的热应力。

因此,内燃机活塞温度场的测试对控制其热负荷,进一步提高活塞强度,改善内燃机性能,降低噪声及排放有着重要意义。

内燃机活塞在一个全封闭的高温环境中高速运动,信号不易引出,采集设备必须与终端设备分离。

已有的硬度塞法和存储测试法不能及时得到试验数据,基于此,本研究设计了以C8051F310单片机为核心的无线传输测温系统,可方便地嵌入到活塞中,满足狭窄空间、恶劣环境条件下温度场的动态测试要求。

1 系统总体结构活塞温度场测试系统由温度采集单元、数据接收单元、通信软件等组成,系统设计总体框图见图1。

温度采集单元将热电偶温度传感器、单片机(C8051F310)系统及电池集成为一体,热电偶镶嵌固定在活塞表面,单片机系统固定在活塞底部,构成一个相对独立工作的微型测试系统,负责活塞温度场的测量与传输。

为了降低功耗,系统会切换芯片工作状态:当温度低于试验起始温度时,系统处于停机模式,关闭芯片供电,定周期启动系统,监测冷端工作温度;当温度达到试验起始温度时,系统从停机模式转入休眠模式,通过外部中断接收终端系统发送的采集命令,进行温度采集、数据处理及数据编码,然后通过nRF2401发送相应工况下各点测量数据。

数据接收单元由含有无线芯片的单片机系统组成,安装在发动机机体内部,通过USB 口与PC 机连接,收到PC 机发出的采集命令,转换为无线信号通过nRF2401发送给采集单元,将温度信号进行解码,打包后发送给PC 机。

通信软件是用Visual Basic 编写运行在PC 机上的上位机软件,点击界面上的按钮发送采集命令,将接收的数据实时显示,包括冷端温度和各测试点温度,绘制各点温度曲线,并将试验数据保存成Ex cel 格式以供分析。

图1 系统设计总体框图2 硬件设计2.1 CPU 外围电路设计选用C8051F310高速、高性能、完全集成的混合信号系统级嵌入式单片机芯片,指令执行速度快、集成度高,支持在线调试。

通过SPI 口访问无线芯片,通过U ART 口访问USB 芯片,传感器信号经过模拟开关通道切换,经过低通滤波放大器进行A/D第1期(总第192期)2011年2月车 用 发 动 机V EH ICL E EN GI NE No.1(Ser ial N o.192)Feb.2011转换。

硬件接口设计见图2。

图2 硬件结构2.2 数据传输Nordic 公司的单片射频收发芯片nRF2401是实现无线数据传输的关键器件,该器件融合了En hanced ShoekBurst 技术,集成了双向通信所需要的内置硬件链路层,芯片内置频率合成器、调制器等功能模块。

采用GFSK 调制,自动生成报头和CRC 校验码,完成需要高速处理的RF 协议,具有自动应答和重发功能,工作于2.4~ 2.5GH z ISM 频段,芯片空闲状态设置Pow erDow n 模式,该模式下功耗低,工作电流仅0.9mA,当需要传输数据时才转入TX 或RX 模式。

nRF24L0内置高速的SPI 口,MCU 通过SPI 接口对其控制。

在配置模式下,单片机的控制指令、工作参数通过MOSI 引脚输入nRF24L01;在发射或接收模式下,单片机通过MI SO 引脚读出nRF24L01的状态信息,发送或接收数据信息。

当nRF24L01的中断源产生时就会使IRQ 引脚置低,CPU 进行相应中断,作相应的处理。

USB 接口芯片CP2102及相关电路完成测量数据与PC 机的接收转换。

2.3 数据采集数据采集部分主要由传感器、模拟开关、低通滤波放大器、片内A/D 及基准电压等组成,完成多通道数据采集,根据CPU 发送的命令对温度传感器信号进行通道切换。

为了减小线路板体积,增加系统连接可靠性,连接器采用焊盘连接。

选用16选1模拟开关,可以采集多达16个测温点。

选用RAI IL TO RAIL 放大器,提高低通滤波放大器全程范围内放大倍数线性度。

采样精度为10位A/D,采样频率由采集通道数和无线传输率决定,为了保证转换精度,基准电压采用精密电源基准,传感器采用响应速度快、特殊结构的快速热电偶。

2.4 电源管理及复位电源管理主要为各个芯片提供合适工作电压。

为了节约电量,采用低功耗电路设计方法和低功耗休眠机制,实现了无线测温的低功耗设计。

采用3.9V,1/2AA 规格的高温锂电池供电,保证节点的可靠运行,当系统工作温度较低时,关断无线传输和A/D 采集部分电源,系统处于停机模式;当系统工作温度达到测试要求时,程序控制自动接通无线传输供电,系统处于空闲模式;当收到工作信号时,程序控制自动接通A/D 采集供电电源,系统正常工作。

系统处于停机模式时,由外置看门狗复位,复位周期为5s,复位脉冲为200ms 。

2.5 印制板设计由于活塞可利用的空间特别狭窄,元器件的选取、线路板布局及设计受到极大约束。

元器件高度及线路板厚度总共不超过4m m,因此将线路板厚度控制在0.8mm,元器件高度控制在3mm,还得留有绝缘垫及胶的厚度。

线路板尺寸尽量缩小,根据活塞的结构、元器件尺寸及测试原理及需求,将线路板设计为25m m 80m m,信号输入只能采用焊盘连接。

3 软件设计3.1 程序结构及初始化软件包括三部分:单片机控制采集传输程序、单片机控制数据接收程序和PC 机监控程序。

前两者主要完成以C8051F310和nRF24L01为核心的多通道信号的采集、无线传输及数据转换,后者则完成信号的显示和存储。

系统开启后,进行C8051F310内部资源的初始化,包括系统时钟、定时器、外部中断、串口中断、A/D 模块、端口、波特率发射器等的初始化及nRF24L01初始状态的配置和变量初始化,软件结构见图3。

图3 软件结构!19!2011年2月焦玉琴,等:基于C8051F310的内燃机活塞温度场测试系统3.2 软件总体框架单片机控制程序向A/D 采集控制寄存器写命令,启动A/D,使其开始采样。

由于每路传感器信号都要被A/D 采样,并转换为10bit 数字量,分配2Byte,那么10通道则为20Byte,将数字量经过冷端补偿和分段线性查表转换成温度信号,再送入nRF24L01打包发射,10m s 后,接收机收到该数据,并通过单片机和U SB 芯片实时写入计算机缓存区内,这样双方数据传输2400次,每次20By te,传输完毕后数据曲线会在VB 界面上实时显示。

3.3 数据传输发送端C8051F310完成初始化后,把nRF24L01配置成PT X 工作模式。

若从上位机接收到数据,则启动C8051F310发送数据。

若发送成功,则产生T X_DS 中断,继续发送;若重发超限,则产生M AX_RT 中断,进行出错处理。

接收端C8051F310完成初始化后,把nRF24L01配置成PRX 工作模式。

当正确接收数据时,nRF24L01产生接收中断标志,C8051F310从nRF24L01读取数据并向下位机发送。

3.4 A /D 采集及冷端温度标定A/D 转换为10位逐图4 软件流程次逼近型A /D 转换,转换启动方式采用写1到ADC0CN 的AD0BUSY 位作为触发源,启动跟踪,持续3个SAR 开始转换,转换速率设为100ksps,采用右对齐方式。

测点实际温度为冷端温度与热电偶温度之和,冷端温度传感器采用两点法标定,热电偶采用分段线性化处理,50∀一段标定,标定范围为0~400∀,通过信号发生器FLUKE741B 对分段线性化处理系数进行严格标定,软件流程图见图4。

4 系统可靠性设计及实现4.1 系统抗干扰性由于采用无线通信,通过天线传输信号,为节约电量,需要降低无线信号发射接收功率,因此尽量缩短无线传输信号的距离,取而代之的是延长U SB 有线数字信号传输距离。

在线路板设计中,不准在天线下走线、铺铜等,增加高频信号发射接收的抗干扰能力。

在程序设计中,无线信号采用自动重发功能,提高软件的可靠性。

如果程序跑飞,系统有硬件看门狗,提高了系统的抗干扰能力。

在信号触发设计中,不采用外部触发方式激活,而采用温度自触发方式,只有发动机在暖机情况下系统才自动激活。

4.2 线路板密封工艺系统工作环境存在油、汽及铁屑等,因此需要将线路板整体用704胶灌封,为了防止线路板与支架短路,在线路板与支架之间贴一层薄绝缘垫,热电偶及电源线的固定则采用高强度AB 胶WD 1001。

4.3 系统一体化设计如果增加节点,必然会增加不可靠因素,因此,在设计中不是将无线模块单独放在外边,通过引线与测温系统连接,而是将无线模块镶嵌在线路板中,这样设计尽管给线路板设计提出相当大的难度,但大大增加了系统可靠性,降低工艺实现的难度。

5 试验结果及分析5.1 测量精度为了验证该系统实际测量精度,需要构建一定的测试环境,普通高温箱不具备300∀以上的高温控制功能,本系统是在某高温试验室进行了相应试验,试验结果见图5。

将装有热电偶的活塞放在高温箱里,测温电路板放在高温箱外边,热电偶传感器线延长引到线路板上,将试验箱温度设到300∀,活塞测温系统测量的温度值与标准试验设备温度值进行比较,验证测温精度。

由于活塞在高温箱里达到热平衡时间较长,因此,只测量了一个具有代表意义的点300∀。

如果将传感器引线都延长,不易焊接,图5 测量精度试验结果!20!车 用 发 动 机 2011年第1期达到平衡时各点温度一样,因此只延长了一个测温通道。

环境温度为19.02∀,热电偶测量温度为281.09∀,高温箱实际温度为二者之和,因此300∀时实际测量温度为300.11∀,误差为-0.037%,说明该系统的测量精度很高。

5.2 实测数据将装有测温系统的活塞安装在单缸发动机上进行测温试验。