基于單片機和數字信號處理器的汽車發動機點火線圈測試系統

1.引言
隨著汽車電子點火技術的廣泛應用，對電子點火系統各部件的要求也隨之提高。 點火線圈作為汽車電子點火系統的重要部件，其性能直接關系到汽車的工況，因此必須準確測試點火線圈各項參數，建立嚴格的產品出廠檢驗標準。據調查，我國汽車點火線圈系統的國產在線測試設備多以老式設備為主，智能檢測設備較少，而進口設備價格昂貴，且其智能化程度不高。[1]因此研制出具有自動化、智能化的汽車發動機點火線圈測試系統是科研人員努力的方向。本文著重介紹了這種符合現代化生產要求的汽車發動機點火線圈測試臺的設計方法。
2.系統組成
汽車發動機點火線圈測試臺的原理框圖如圖1所示。汽車點火線圈測試臺系統的硬件主要由被測件（線圈、負載）、程控信號源、程控電壓源、I/O控制板、數據采集處理系統、工控機等組成。其中負載、程控信號源、程控電壓源用于模擬點火線圈的工況；其他部件由于測量以及控制。根據相關國家標準，點火線圈的各項參數必須在相應的條件下（不同的測試項目，此條件有可能不同）測得，并且不同信號的線圈的測試條件也不盡相同，所以此處給點火線圈提供工作條件的電壓源和信號源都是可以由上位機中的系統軟件通過串行通信接口來設定的。為了能夠測試多頭線圈（四頭、六頭等）的不同次級線包，信號源經過測量控制電路送往被測件。測量控制電路由各種繼電器以及輸入輸出線路組成。繼電器根據IO控制板發出的控制命令進行相應的動作，以決定送出哪一路信號源以及將何種被測信號接入數據采集系統。IO控制板、和數據采集卡分別通過ISA和PCI總線直接與工控機相連。上位機軟件直接對IO端口進行操作來實現對IO控制板的操作。數據采集與處理系統則通過驅動程序與系統測試軟件進行通信。測試人員只需要操作上位機的系統測試軟件就可以點火線圈的各種參數。【2】【3】

圖-1 汽車點火線圈測試臺的原理框圖
由上述可知，點火線圈測試系統實質就是一個數據采集與處理的問題。因此數據采集卡的設計就自然成為本系統中最主要的問題。下面分別介紹個部分的實現。
3.硬件實現
3.1 數據采集卡
分析點火線圈的次級電壓信號可知，信號的最高有效頻寬是5MHz，根據采樣定理知，系統的最高采樣速率至少為10MHz，對如此高的采樣速率，必須要用高速數據采集系統來測試，才能滿足測試要求。【1】圖-2是本系統中數據采集部分的結構框圖。

圖-2 數據采集系統的結構框圖。
采集部分處理器采用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402。它的處理速度可達到100Mbps，具有改進型的8位HPI接口，有16Kxl6Bit DARAM，以及4Kx16Bit ROM 存儲空問，具有較高的性價比。由TMS320C5402內部ROM 不可寫，所以外掛一片27040EPROM 作為外部程序區來存儲程序。因為點火線圈數據采集要求高速度，高精度，以滿足高檔次，大批量生產的要求。同時為擴大此采集系統的應用領域，A/D轉換器采用美國AD公司的AD9432芯片。該芯片為12bit單路模數轉換器，其最高轉換速率為100MHz。輸入信號模擬帶寬可達500MHz，采樣時鐘為PECL差分電平輸入，轉換數據為1TTL電平輸出。片內帶有輸入緩存和采樣保持器，12位并行數據輸出。由于AD9432要求差分輸入形式，因此對于輸入信號必須經過信號調理電路變換為差分形式。【4】
由于系統需要高速采集數據， 所以高速緩存是系統中的一個關鍵環節。高速緩存是系統中的一個關鍵環節，根據系統的要求可選用CY7C4255。CY7C4255是高速、低功耗8k*18低壓同步先進先出（FIFO）存儲器，讀寫周期為10ns，具有獨立的18位輸入、輸出接口和讀、寫時鐘信號，可以實現同步讀寫操作。A/D轉換后的數據連續地寫入FIFO，DSP根據FIFO 的狀態來決定如何讀出數據。DSP讀數并處理此數的速度要比A/D轉換的速度高得多。DSP每次主動讀FIFO數據時，執行的是一個條件讀指令，即FIFO不空時(EF=BIO為高)才讀，FIFO空則DSP等待。當DSP處理任務較重時，FIFO數據長時間沒有被讀走，FIFO 半滿或全滿時，會向DSP發出一個中斷信號，DSP暫停當前工作，進入中斷服務程序，處理FIFO中的數據。通過FIFO將采樣數據向內存轉移，這樣不但獲得100MHz左右的高速采樣率，而且使采樣程序的編寫大大簡化。