汽车电喷系统传感器在线检测系统的设计

2022-03-15胡瑄

电子制作 2022年4期

胡瑄

（景德镇学院机械电子工程学院，江西景德镇，333000）

0 引言

为了确保汽车发动机在不同工况下，其混合气均能处于最佳浓度，所以设置了电喷系统。在该系统中，通过传感器可以有效监测发动机运行过程中的相关参数，如尾气中的氧含量、空气流量以及冷却液温度等，然后将监测到的相关参数以电信号的方式输入到发送机控制器当中，以准确控制喷油量和时间。由此可见电喷系统中传感器的重要作用，所以在检修汽车发动机的过程中，应加强对传感器的监测，确保其处于正常工作状态。但根据相关调查，发现当前的汽车传感器检测设备还存在一些不足，不能实现对各种传感器的综合检测，所以文章设计了一种能够满足这种检测要求的检测系统。

1 汽车电喷系统概述

在上个世纪60年代，世界整体汽车保有量快速增长，但由于其中燃油输送系统比较简单，不能准确调节混合气，汽车尾气排放量不断增加，对环境产生了严重的影响，因此，很多国家开始限制汽车排放。同时随着电子技术的不断发展，为汽车电控燃油喷射技术奠定了良好的基础。传统的汽车燃油喷射系统为机械式燃油喷射系统，不仅结构比较复杂，混合气控制精度较低，还需要消耗大量的成本在维修和燃油方面。因此，工程师们开发出了电控燃油喷射系统。同时，也是为了弥补传统化油器存在的弊端，如节气门不能灵敏响应，很容易发生气阻等。电控燃油喷射系统的发展历程比较复杂，经过了多个汽车公司的不断完善，才实现高水平的发动机电子控制技术。该系统通过对各个传感器输送的信息，控制喷油器的压力，将燃油与空气混合进入发动机当中，并在最佳时刻点燃可燃混合气，以使得发动机处于最佳运行状态。同时该系统还能实现启动加浓、自动怠速控制、暖机加浓等功能，能够提高发动机燃料的经济性和环保性，在很大程度上促进了汽车使用性能的提升[1]。另外，汽车是一种效率较高的交通工具，而其动力性直接影响着运输效率。所以，对于汽车的各种性能来说，动力性是其中最重要的性能。在使用传统的普通化油器时，会导致混合气不能充分燃烧，增加废弃物的排放量，不仅不能充分发挥汽车的最佳性能，影响汽车的经济性和动力性，也会浪费燃料，加重对环境的污染。而电喷系统能够有效弥补这些不足，对环境保护有很好的影响。当传感器检测到混合气燃烧不完全，不能达到最佳的空燃比，就会导致废气中碳氧化合物的含量增加，而该系统中的控制程序可以将空燃比调整到最佳状态，进而大大降低了废弃物的排放。

2 汽车电喷系统的组成

当前，汽车电控汽油喷射系统的使用已经比较普遍。在该系统中，主要通过控制喷油器的开启时间来控制油量。在汽油喷出之后，会产生一定的压力损失，所以需要将气管压力引入到供油调压器当中，以保持压差平衡。另外，该系统往往配有发动机集中控制系统，以获取更高的喷油控制精度。

■2.1 电喷系统的构成

首先为空气流量传感器，其可以利用热线对发动机内部的空气质量流量进行测量，为了让热线和进气温度存在一定的温差，可以对热线进行加热，再通过电控单元的测量，就可以判断进气的质量流量。其次为燃油供给系统，该系统包括调压器和电动汽油泵等，其中电动汽车泵可以为喷油器提供燃油。最后为空燃比闭环控制，通过电控单元对喷油脉冲宽度进行调整，进而有效控制混合气当中的空燃比，使其处在催化转换器窗口当中。

■2.2 电喷系统的工作流程

在起动发动机时，根据冷却液温度传感器输入信号，并通过查表，可以利用电控单元确定实际喷油量，然后控制喷油器开启喷油。为了补偿燃油量减少的情况，在起动之后，一旦进入进气管，会增加燃油量。直到发动机起动之后，还是难以形成混合气，所以要想获得最好的排放效果，就需要供给相应时间的混合气，并合理减少其加浓程度。在发动机温度不断上升的过程中，需要不断减少喷油量。电控单元还可以判断节气门的打开速度。大纲发动机处于加速工况下，为了确保其可以安全度过这一过程，应加大喷油量，并为其提供混合气。另外，电控单元还可以对发动机的状态进行判断，一旦发现节气门已经关闭，但发动机仍然转速较高，则判断其处于减速状态，在此工况下，发动机不需要输出频率，所以应完全停止喷油[2]。当电控单元发现发动机处于负荷工况下，其会加大喷油脉冲宽度，确保发动机可以发出最大功率。当电控单元发现发动机工作温度处于正常范围内，则可以进行空燃比闭环控制。

3 检测系统的检测方法

随着汽车产业的发展，燃气汽车逐渐得到了大众的喜爱，在世界范围内得到普及，主要原因在于其不仅资源丰富，还能清洁排放。而电控喷油装置也得到了广泛的应用，其可以保障发动机的状态长期稳定，具有优越的性能，能够最大限度地净化空气，并且节省油量。此外，传感器在汽车电喷系统中的使用也不断增加，不同的种类之间输出不同的信号参数形式。对于种类比较多的传感器，为了有效检测其信号参数，必须要设计一种相应的综合检测系统。在设计该系统之前，先对电喷系统中的传感器进行分类，对不同种类的传感器进行深入分析，总结其特点，进而设计出相应的检测方法[3]。同时，在设计硬件结构时，可以设置相应的检测通道。大致将传感器分为四类，其具体特点如下：其一为旋转类传感器，主要工作原理为霍尔式，输出信号为类似正弦波和正弦波等，主要对其频率值进行检测；其二为模拟量传感器，如滑膜变阻器，检测系统主要对其电压值进行检测；其三为温度传感器，主要为热敏电阻式，输出信号为电阻值等，检测系统可以对其电压值进行测量，也可以对其高低电平进行测量；其四为压力传感器，主要为金属变形片和半导体应变器，检测系统可以对其电压值进行测量，也可以对其高低电平进行测量。

4 检测系统的硬件设计

在完成不同类型检测系统分类，并对其相应检测方法进行分析后，再开始进行检测系统的设计。在实际设计过程中，将该系统主要分为两个大的模块，一大模块为主控平台，是整个检测系统的中央处理单元，主要由ARM处理器、USB接口设备以及LCD触摸显示屏等诸多子模块构成,如图1所示。

图1 检测系统主控平台

在该模块中，采用的微处理器是32位 ARM9微控制器LPC3250，其不仅能够很好地满足不同操作系统的运行要求，还能处理具有高度复杂性的信息，具有良好的性能，并且还能在较高的CPU频率下工作。在本设计中，操作系统选择的是嵌入式操作系统WinCE5.0。同时，LPC3250可以实现外接存储器的控制功能，以及LCD显示触摸屏的功能，主要因为其带有多个不同的接口功能，包括片内静态RAM，高达256KB、触摸屏接口、NAND Flash接口、USB2.0全速接口等[4]。检测系统要实现对传感器性能优劣的判断，首先要依靠驱动资源，并利用数据处理能力，对于采集模块的相关数据，除妖通过接口设备实现接收，然后与传感器标准参数库中的相关数据进行比较，之后再将比较结果显示出来。在该模块中，包含多个子模块，每个模块尤其不同的功能。首先为USB接口设备模块，该模块采用规范接口，传输速率非常快，可达到480MBPS，其主要功能为传输数据和指令。其次为LCD触摸显示屏，其可以用来选择不同的功能，也能用来发送指令，可以用来代替常规键盘，使得电路结构更加简单，便于操作，但其主要功能是用来显示传感器的参数数据以及比较结果。再次为SDRAM 存储器，该模块主要是储存传感器的标准参数，在系统运行的过程中，可以从该模块中找到相应传感器的标准参数，然后才能进行测量比较。最后为NAND FLASH存储器，其主要功能为存储操作系统的启动和引导。

主控平台的另外一大模块为传感器信号采集模块。该模块同样是由多个子模块构成，包括传感器信号检测电路和数据传输控制单元等。在诸多子模块当中，最为主要的是传感器信号检测电路，通过相应控制操作，该模块能够实现对各种不同类型传感器的在线检测，如空气流量传感器、氧传感器以及冷却液温度传感器等。同时，能够对传感器的实际信号参数进行读取，并经过相应处理，将其传输到相应模块中。由于传感器类型较多，所以在对检测数据进行处理时，也不能采取同样的预处理方式，预处理的硬件电路构成如图2所示。因此，在进行预处理之前，需要对各种类型的传感器设置相应的检测通道。在选择检测通道时，主要借助单片机控制数字开关来实现，并由另外一个单片机负责测量发动机转速，以及对车速信号的频率值进行测量，在完成相应计算后，将其结果上传到主控平台[5]。此外，还有另外几个子模块，首先为传感器信号调理电路，其不仅能够过滤实测信号，保障检测值的真实性，还能放大实测信号，确保检测值的稳定性。其次为A/D转换单元，该模块能够将模拟信号转化为数字信号，进而保障主控平台能够接受到传感器的检测信号。最后为数据传输控制单元，由于系统需要传输大量数据，而这些数据需要借助USB设备实现传输，因此，为了更好地控制该接口的工作，应选用AT89C513单片机，其拥有80C52X2内核，支持不同的USB接口，能够有效控制该接口的传输工作，确保不同模块之间的数据能够准确发送，保证系统能够稳定安全运行。

图2 传感器信号检测电路

5 检测系统的软件设计

系统软件主要包括操作系统下相关应用软件的设计，以及驱动软件的设计。此外，主要还有数据传输模块的软件设计，该模块主要包括响应设备请求以及设备枚举等。其中设备枚举是USB主机对相应设备进行配置的过程，以及其单片机获取USB设备信息的过程，在完成这部分操作后，等待单片机发送数据采集的指令，在USB设备接收到该指令后，再开始进行采样。在完成采样后，单片机利用A/D转换模块获取相应数据，在完成数据收集后，再关闭采样通道。之后单片机将相应数据传送至寄存器当中，然后将相关数据送入主控平台，这样才完成数据传送。通过主控平台发送的信号，可以判断传送是否成功，一旦成功，则可以将寄存器中的内容清除干净，准备迎接下一次的数据传输，若传送失败，则需要继续进行数据传送。此外，主控平台的应用软件设计由多个不同的程序所组成，包括传感器信号采集模块控制程序以及USB装置控制程序等[6]。首先，通过传感器信号采集模块控制程序的设计，可以实现信号采集模块指令的发送，能够控制其信号采集和传输。其次，通过USB装置控制程序的设计，可以实现对USB接口数据传输的有效控制。再次，通过传感器标准数据库查表程序的设计，可以实现对传感器性能优劣的判断，该程序能够实现对传感器标准数据的查找，并与实测数据进行对比。最后，通过LCD显示程序的设计，能够显示出来被检测传感器实际参数与标准参数的对比结果。

由于电喷系统的工作条件比较恶劣，所以为了保障系统的稳定运行，应对软件进行抗干扰设计。首先，可以通过设置开门狗的方式，可以实现对程序运行状态的监视。主要依靠开门狗定时器来实现监视，在程序正常运行的过程中，会有一段代码不断刷新定时器寄存器当中的值，在这种状态下，只要程序没有出现运行错误，看门狗定时器便不会发挥作用，一旦出现错误，其会及时刷新，使得程序复位[7]。其次，应尽量采用算术对一些重要信号的平均值进行计算，以免由于受到干扰，导致数据采集出现误差，造成较大的失误。同时，在编写一些比较重要的程序段时，应增加一些标志位语句，这样在之后就可以据此判断该程序段的执行是否正确，一旦发现出现错误执行的情况，将会重新执行该段程序。最后，在编写中断修理程序时，应确保优先级较低的中断源能够正常执行。