摘要：針對現(xiàn)有電控發(fā)動機故障模擬實驗臺用于實訓教學中的不足，設計了基于計算機測控技術(shù)的實驗平臺方案。通過在計算機上設置故障點，模擬各種工況下的發(fā)動機電氣線路故障，并把發(fā)動機節(jié)點電壓和傳感器波形投影在熒幕上，解決了儀表測量的場地限制問題。該實驗臺故障設置方便，教學效率高，適合整班教學。
關(guān)鍵詞：電控發(fā)動機；故障模擬；實驗臺；計算機測控技術(shù)

0 引言
    隨著以ECU為核心的電控發(fā)動機在汽車行業(yè)的廣泛應用，發(fā)動機的故障診斷方法發(fā)生了很大的變化。傳統(tǒng)發(fā)動機的故障診斷，主要依賴維修者的經(jīng)驗，通過看、聞、聽、摸、換來確定故障點。而對于電控發(fā)動機的維修診斷，首先要使用儀器儀表來測量節(jié)點電壓和傳感器波形，然后再結(jié)合原理進行數(shù)據(jù)分析，才能準確完成故障定位。
    發(fā)動機故障模擬實驗臺是用于電控發(fā)動機故障診斷培訓的一種教學設備。實驗臺的面板上配有發(fā)動機的電路原理圖，設置了測量用的接線柱，采用機械開關(guān)(多數(shù)是鈕子開關(guān))切斷部分電路，設置、模擬發(fā)動機電路故障，供學員進行故障診斷訓練。
    實際使用中，多名學生組成1個小組，使用萬用表和示波器測量面板接線柱上的節(jié)點電壓和傳感器波形，討論、分析和診斷發(fā)動機故障。基于測量空間的限制，1個實驗臺僅能同時容納6名左右的學員。這種分組教學模式，耗費時間長，教學效率低，不能適應以班級為單位的實訓教學需求。
    針對上述不足，筆者把實驗臺內(nèi)的測量和故障設置部分從原設備里分離出來，由外接的計算機完成操作臺功能，開發(fā)設計了一種基于計算機測控技術(shù)的電控發(fā)動機故障模擬實驗臺。

1 總體設計
    為了拓展教學場地，擴大學生的視野，筆者采用計算機來測量發(fā)動機的節(jié)點電壓和傳感器波形，將計算機與投影儀相連，把發(fā)動機的電路原理圖、節(jié)點電壓測量結(jié)果和傳感器波形投影在實驗室的熒幕上，使用多媒體手段來實現(xiàn)整班教學?？傮w結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1。

    圖1中，發(fā)動機故障診斷臺架和計算機是實驗臺的核心部分。發(fā)動機故障診斷臺架內(nèi)包含了AJR電控發(fā)動機、測量端子、調(diào)理電路板和故障執(zhí)行電路板。計算機內(nèi)部安裝了A／D轉(zhuǎn)換電路板。核心硬件原理框圖如圖2所示。

    電控發(fā)動機的節(jié)點電壓信號和傳感器波形信號經(jīng)測量端子轉(zhuǎn)接后，首先送入調(diào)理電路板進行信號調(diào)理，然后再送到A／D轉(zhuǎn)換電路板轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，經(jīng)計算機識別后顯示出來。
    隨著計算機在教學上的應用，通過計算機設置發(fā)動機的故障點成為技術(shù)發(fā)展的趨勢。在發(fā)動機故障診斷臺架內(nèi)，配置了帶有計算機通信功能的故障執(zhí)行電路板，板載繼電器的觸點替代了機械開關(guān)。教師通過鼠標操作，在計算機上能設置故障點，由故障執(zhí)行電路板模擬發(fā)動機電路故障。

2 詳細設計
2．1 硬件設計
    本文論述的實驗臺選配了上海大眾時代超人AJR型電控發(fā)動機。它燃油噴射系統(tǒng)的電氣控制部分主要由ECU(電子控制單元)、傳感器和執(zhí)行器組成，如圖3所示。

    在調(diào)理電路板上，來自電控發(fā)動機傳感器的信號被放大或分壓，經(jīng)低通濾波和高通濾波，把降噪后的信號限幅后，送到輸出級。輸出信號被限幅在±5 V范圍內(nèi)，能滿足A／D轉(zhuǎn)換電路板對輸入信號幅值的要求。調(diào)理電路板的信號處理流程如圖4所示。

    A／D轉(zhuǎn)換電路板選用了低成本的單端輸入32路PCI采樣卡，安裝在計算機的PCI插槽內(nèi)，轉(zhuǎn)換精度是12位。PCI總線的A／D采樣卡以其成熟的技術(shù)和低廉的價格在電子產(chǎn)品質(zhì)量控制、信號采集、過程控制和伺服控制等領(lǐng)域廣泛應用。調(diào)理后的模擬信號在A／D轉(zhuǎn)換電路板上完成模／數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果從PCI總線送入計算機CPU進行軟件處理。為了確保對電控發(fā)動機傳感器波形的采樣不失真，采樣卡的A／D轉(zhuǎn)換時間小于1．2μs。選用具有32路循環(huán)采樣功能、帶FIFO緩沖存儲器的采樣卡，能有效地降低設備配置成本。
    故障執(zhí)行電路板主要完成電控發(fā)動機的故障模擬功能。以單片機為核心的故障執(zhí)行電路板上，設計按裝了多個小型繼電器。繼電器的常閉觸點串接在ECU外部的傳感器回路、執(zhí)行器回路和電源回路中。當計算機通過串行口發(fā)出故障設置指令時，故障執(zhí)行電路板接收并控制對應的板載繼電器線圈通電，繼電器吸合，常閉觸點斷開，切斷部分發(fā)動機電路，完成了故障模擬。
2．2 軟件設計
    電控發(fā)動機故障模擬實驗臺的計算機上按裝了Windows XP操作系統(tǒng)。為了兼顧人機對話和測量的實時性，軟件采用了C++ Bulider 6．0編寫，具有較高的代碼效率和友好的人機界面。軟件由主程序、數(shù)據(jù)采集和串口信息處理3個模塊組成。
2．2．1 主程序
    主程序負責圖形界面顯示和人機對話操作，主要包括：發(fā)動機電路原理圖顯示、菜單顯示、對話框顯示、鼠標處理、單選框和復選框處理等模塊。在C++Builder軟件中提供了大量的界面設計控件，僅需拖放就可以完成大部分界面設計工作，具有框架代碼自動生成功能。這種所見即所得的設計模式，極大降低了圖形界面的軟件設計難度。
2．2．2 數(shù)據(jù)采集

    在數(shù)據(jù)采集軟件模塊中，CPU向A／D轉(zhuǎn)換電路板發(fā)出設置參數(shù)，然后從板上讀取轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，得到發(fā)動機節(jié)點電壓值和傳感器波形測量值。程序流程如圖5所示。

    數(shù)據(jù)采集線程啟動后，首先完成A／D設備創(chuàng)建、硬件參數(shù)設置等初始化工作，然后CPU循環(huán)讀取采樣數(shù)據(jù)。當一批數(shù)據(jù)讀取并處理完畢之后，CPU向主程序線程發(fā)送一個事件，通知主程序繪圖，刷新界面顯示。在軟件退出之前，系統(tǒng)釋放A／D設備資源，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集線程。數(shù)據(jù)采集模塊的部分源程序如下：

2．2．3 串口信息處理
    串口信息處理模塊運行以后，計算機的CPU可以從RS 232C串行接口向故障執(zhí)行電路板發(fā)送故障設置命令。
    在Windows XP操作系統(tǒng)下有兩種常用的串口通信編程方式：調(diào)用Windows的API函數(shù)和使用Active X控件MScomm。相比較而言，使用API函數(shù)較為復雜。因此，在該設計中，采用了Microsoft公司提供的ActiveX控件MScomm來完成串口信息傳送。該控件可以方便地應用在VB，VC，C++Bulider等多種語言開發(fā)工具中，為應用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。

3 結(jié)語
    在電控發(fā)動機的維修實訓中，用計算機測量發(fā)動機節(jié)點電壓和傳感器波形，把測量結(jié)果送入投影儀來拓寬學生的視野，可以實現(xiàn)整班教學，提高教學效率，節(jié)省教學成本。通過計算機設置故障點，提升了電控發(fā)動機故障模擬的自動化水平。教學實踐表明：在多媒體實驗室按裝了基于計算機測控技術(shù)的電控發(fā)動機故障模擬實驗臺以后，實訓教學取得了更好的效果。