多功能发动机转速模拟器设计

摘要 主要介绍多功能发动机转速模拟器的结构原理、硬件电路设计及软件设计。硬件设计主要以AT89C2051单片机为核心部件，通过频率信号产生电路、频率信号调理电路、看门狗复位电路、电流产生电路、电流测量电路、齿数设定电路、MAX7219显示驱动电路和LED显示电路来实现。该多功能发动机转速模拟器不仅能够提供所需的方波信号，且频率调节精度高，能实现电流的输出，还可以检测外部信号的频率及发动机的转速。
关键词 发动机 转速模拟器 AT89C2051 电流输出 MAXl44 AD694

    信号发生器作为电控测量系统中应用最为普通的电控测量仪器之一，是工业控制、教学、科研常用的基本仪器。虽然市场上逐渐出现了各种信号发生器，但其仍然摆脱不了体积大、操作按钮多、价格昂贵等缺点，给动力系统工程人员外出调试和检修电控设备带来了不便。考虑到诸多因素，很有必要研制一种结构简单、携带和使用方便的多功能发动机转速模拟器。它能在不启动发动机的情况下，模拟产生并输出供现场所需的转速(频率)信号、给定电流信号来对电控设备(如电子调速器等)进行调试，可大幅度地节省做试验的费用(如燃油费用等)，而且调节精度高；在开机的状态下可以检测外部信号的频率(即现场发动机的转速信号)，进行数值显示，并且系统采用电池供电，所以该多功能发动机转速模拟器的成功研制将给动力系统工程技术人员进行现场测试带来极大的方便，且具有较高的实用价值、经济价值。

1 系统总体方案设计
    多功能发动机转速模拟器系统原理框图如图1所示。它主要由电源、频率信号产生、频率信号调理、频率信号测量、电流信号产生、电流信号测量及单片机测量显示等模块构成。可通过频率调整旋钮使其输出频率可调的标准方波信号，也可通过电流调整旋钮使其输出可调电流信号O～20 mA，并由数码管显示，此外它还能检测外部输入信号的频率。由于调试对象主要是发动机，所以转速测量是该转速模拟器的另一独特功能。

2 系统硬件电路设计
2．1 信号产生电路
    (1)频率信号产生电路
    频率信号产生电路如图2所示。

    本电路模块的核心部件选用的是LM331电压一频率转换芯片。它是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，具有频率可调范围大、低非线性、转换精度高、可单电源供电等特点，与周围电路一起实现V／F功能。其输出信号的频率可用公式(1)计算：

    fout=(Vin×R2)÷（2.09×R1×R3×C2）    （1）

式中：Vin的单位为V，表示U1的转换电压；R1、R2、R3电阻的单位为Ω；C1电容的单位为F；fout的单位为Hz，表示U1输出的频率值。可见，信号频率与Vin成正比，有着很好的线性关系，只要选择合适的电阻和电容，且变阻器W1的性能足够好，就能够保证输出信号的稳定。这里采用的电阻都是金属膜电阻器。
    (2)电流信号产生电路
    电流信号产生电路如图3所示。本电路模块和频率信号产生模块共用一个滑动变阻器W1。接线如下：J3—1、J3—2、J3—3分别接频率信号产生电路中的J1—1、J1—2、J1—3，通过选段开关来选择频率、电流调节。调节滑动变阻器w1的值可实现O～20 mA的电流输出。该电路选用的核心部件是AD694。AD694是一种单片电压电流转换器(以下简称V／I)。它将输入电压信号转换成标准的O～20 mA电流信号，可广泛用于压力、流量、温度等信号的参数传递，并对阀、调节器以及过程控制中一些常用设备的控制。

2．2 频率信号调理电路
    频率信号调理电路如图4所示。由于频率信号产生电路产生的波形不是很规则，须经过CD4013进行整形处理，最后被单片机采集和LED显示。若K1闭合，则短接了内部信号和地，此时就可以取得外部脉冲信号(如从柴油机磁电传感器来的正弦信号)，因为T1和CD4013会将它们整形成脉宽比为1：1的方波，同样可被单片机所采集。需要注意的是，单片机计算脉冲个数时，应该考虑的是被分频之后的脉冲信号，所以在软件里对所计的脉冲数加倍。

2．3 串行A／D转换电路
    串行A／D转换电路如图5所示。由AD694产生的0～20 mA电流，转换成O～2．O V的模拟电压信号后，连接到MAXl44的CHO和CHl端口。由于模拟信号电压范围为O～2．O V，因此可将MAXl44的参考基准电压设置为2．048V，这样可以提高转换精度，也便于转换后数据的后续处理。2．048 V的基准电压可由REFl91提供。

2．4 AT89C2051单片机测量显示电路
    测量显示电路的核心部件是AT89C2051单片机，电路如图6所示。其中复位看门狗采用MAX813L，实现上电复位和程序监测(在程序中实现)；发动机齿数由人工根据实际的齿数来设定，并被单片机所读取；MAX7219为BCD译码器，起显示驱动作用；微处理器采用Atmel公司的AT89C2051，其内部含2KB程序存储器、128字节数据存储器、15个I／O口及2个定时器，足够为本多功能转速模拟器使用。

3 系统软件设计
    本系统的软件流程如图7所示。它包括频率／转速测量、串行A／D转换值读取、数值显示及相关处理部分。

3．1 频率／转速测量软件设计
    当电路一上电，MAX813L产生复位信号，促使单片机复位，程序跳至起始地址0000h，首先对内部寄存器和MAX7219初始化，如TO、T1、TMOD，接着对TO、T1、EXl开中断。喂狗语句放在循环查询处，给MAX813L喂狗的时间间隔应小于1．6 s，否则它将再次产生复位信号，扰乱程序的正常运行。接着检测P1．3脚，若为低电平，则执行串行A／D转换值的读取程序；若为高电平，则单片机在信号下降沿被触发中断，开通T1定时、TO计数。当T1定时1 s到，关闭TO、T1，读取TO值后，再对TO、T1开中断，重新计时计脉冲数。接着计算(T0值乘以2)、判断(当不超过9999或等于O时，定为合法，并置FLAG标志)，然后送MAX7219，经其译码后在LED上显示，并有频率指示灯亮，告知使用者显示的是频率值，以便根据所需调整旋扭W1(见图2)，使发生器发出想要的频率值信号，这就是测量信号频率的原理；若数值不合法，LED将不显示或显示O，此时应调整W1直到合法。外来信号的频率测量和显示程序同前(需将扭转开关旋到输入档)。若P2．7脚为低电平，则测量的是发动机的转速，需将前面的频率值代入转速公式(2)：

    n=(f·60)/k  (2)
式中：n为柴油机转速(r／min)，f为所测到的频率值(Hz)，k为发动机测速齿轮的齿数。
    可见单片机需要读取齿数值，然后计算并判断(n不大于9999)，并送LED显示。需注意的是：上面所讲的是先通过在1 s时间内对转速脉冲信号的个数进行累加计数，再代入公式(2)计算转速。这种测量方法称为测频法。当发动机在低速下运转时，则要使用测周期法：先测出脉冲平均周期，然后使用除法算出频率值，代入转速公式计算，显示后跳至循环查询处，然后使用除法算出频率值，代入转速公式计算，显示后跳至循环查询处，并继续查询定时中断。
3．2 串行A／D转换值的读取软件设计
    由于MAXl44与单片机的接口十分简单，只需3根I／O线即可，故本系统使用单片机的P1．O、P1．1、P1．2。该电路采用内部时钟模式，单片机通过编程产生串行时钟，并按时序读出数据，其A／D转换后的数据(16位)可以存于MAXl44内部的存储单元R2、R3中，通过标志位CHID可以区分CHO和CHl通道，然后将高4位屏蔽即可得到实际的A／D转换数据，利用ANL R3，OFH将高4位屏蔽。该程序结束后，R3内为A／D转换的12位数据的高4位，R2中为低8位，然后利用单片机内设定的程序转换(OFFFH对应为2．048V，即20．48 mA；0000H对应为OV，即O mA)，即可显示电流值的大小。

结 语
    本多功能发动机转速模拟器使用器件少，成本低，调节方便，易于实现。通过调试发现，只要阻容元件的温度系数低，则输出频率、电流是相当稳定的，因此性价比高。该多功能转速模拟器的使用情况表明，其可靠性好、输出稳定、携带方便。