CN105607614B

CN105607614B - 发动机指令与控制匹配性测试仪的校准装置及方法

Info

Publication number: CN105607614B
Application number: CN201510811789.3A
Authority: CN
Inventors: 孙新新; 常莹; 张周焕; 杜栓才
Original assignee: Xi'an Space Flight Metrology And Measurement Research Institute
Current assignee: Xi'an Space Flight Metrology And Measurement Research Institute
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-12-26
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: CN105607614A

Abstract

本发明涉及发动机指令与控制匹配性测试仪的校准装置及方法，包括微处理器、数据选择器、二分频电路、晶振电路、二进制计数器、译码器以及n路校准通道，每路校准通道均包括数据锁存器、存储器、数模转换器、滤波器以及电压电流转换器；本发明解决了现有发动机指令与控制匹配性测试仪校准存在系统成本高、实际的电流波形中的各个时间参数及其变化量不确定的技术问题，本发明校准装置的多个参数可以设置，适用于不同参数需求的被校设备的校准，适合于对被校设备在不同工作状态下的校准。

Description

发动机指令与控制匹配性测试仪的校准装置及方法

技术领域

本发明涉及发动机专用测试仪器的校准方法，特别是一种发动机指令与控制匹配性测试仪校准方法与装置。发动机指令与控制匹配性测试仪校准方法准确度高，校准装置结构简洁，成本低，性能可靠。

背景技术

发动机指令与控制匹配性测试仪是一种发动机专用测试仪器，用于测试发动机中电信号指令发出后各个电磁阀动作的闭合、断开时间和工作时序。其基本工作原理如图1所示。图1中，发动机控制单元，根据控制程序产生一组电压方波。该电压方波在高电平期间，通过电磁阀驱动单元产生一个驱动电流，流经电磁阀驱动线圈，使电磁阀吸合；该电压方波在低电平期间，通过电磁阀驱动关闭流经电磁阀驱动线圈的驱动电流，使电磁阀放开。为使发动机正常工作，需要各个电磁阀按程序按时吸合和放开。发动机控制单元产生的这组电压方波，对时间的要求比较严格，包括各个波形上升起始时刻、高电平时间和波形下降时刻等。考虑到各个电磁阀在同样驱动信号下动作存在差异，动作存在延时，而保证发动机正常工作的是电磁阀实际吸合和放开的时序过程。

通过研究发现，发动机电磁阀的工作时序与驱动电流波形及控制电压方波存在图2所示关系。在t₀时刻，控制电压波形从低电平变为高电平，由于驱动回路存在线圈电感、线圈内阻和采样电阻，驱动电流以指数规律上升。在t₁时刻，驱动电流达到某一电流值Is，电磁阀的衔铁开始运动，这时，线圈电感开始增加，驱动电流开始下降。在t₂时刻，电磁阀衔铁运动到位，电磁阀完全吸合，线圈电感达到最大值并保持不变，驱动电流由下降变为上升，驱动电流以指数形式逐步增大，驱动电流逐步达到最大电流，并保持不变。在t₃时刻，控制电压波形从高电平变为低电平，由于驱动回路存在线圈电感、线圈内阻和采样电阻，驱动电流以指数规律从最大值开始下降。在t₄时刻，驱动电流降到某一电流值Ic，电磁阀的衔铁开始释放运动，这时，线圈电感开始减小，驱动电流开始上升。在t₅时刻，电磁阀衔铁运动到位，电磁阀完全放开，线圈电感达到最小值并保持不变，驱动电流由上升变为下降，驱动电流以指数形式逐步减小到最小电流，并保持不变。从这一过程可以看出，控制指令要求该电磁阀在t₀到t₄期间吸合，其他时间放开，而实际上电磁阀是在t₂到t₅期间吸合，其他时间放开。

为了判断发动机能否正常工作，是否具有足够的裕量，因而采用发动机指令与控制匹配性测试仪，利用多路采样电阻采集多路驱动电流波形，通过分析电流变化规律分别给出每个电磁阀的t₀～t₅各个时间，为分析发动机工作状况提供数据。由此可以看出，发动机指令与控制匹配性测试仪是一种测量时间参数的专用测试仪器，需要定期进行校准。

以前，一般采用如图3所示校准系统，对发动机指令与控制匹配性测试仪进行校准。该校准系统由大功率直流电源、发动机指令与控制匹配性测试仪校准器和一组电磁阀组成。发动机指令与控制匹配性测试仪校准器在计算机的控制下，产生一组控制电压波形，控制大电流开关给电磁阀线圈施加驱动电压，电磁阀工作产生一组驱动电流波形，发动机指令与控制匹配性测试仪利用多路采样电阻采集多路驱动电流波形，通过分析电流变化规律得到每个电磁阀的t₀～t₅各个时间，通过比较计算机程序设定的驱动电压波形时间参数和被校测试仪测量得到的时间参数，完成对发动机指令与控制匹配性测试仪的校准。该方案存在以下问题：(1)组成系统的成本很高。每个电磁阀的价格约10万元，一组电磁阀需投资一百多万元，大功率直流电源需要在28V直流电压输出的条件下输出几十安培电流，该设备成本也需要几万元；(2)由于电磁阀不是标准器件，而电磁阀相关的参量不确定，但是这些测量将直接影响驱动电流的实际波形。因此，实际的电流波形中的各个时间参数及其变化量是未知的。严格地说，该方案不能达到校准的目的，只能作为功能验证。

为了降低成本，普遍采用图4所示技术方案，对发动机指令与控制匹配性测试仪进行校准。该校准系统由大功率直流电源、发动机指令与控制匹配性测试仪校准器和2个电磁阀组成。发动机指令与控制匹配性测试仪校准器在计算机的控制下，产生一组控制电压波形，控制大电流开关和多路开关矩阵给电磁阀线圈施加驱动电压，电磁阀工作产生2个驱动电流波形，发动机指令与控制匹配性测试仪利用多路采样电阻采集多路驱动电流波形，通过分析电流变化规律得到2个电磁阀的t₀～t₅各个时间，通过比较计算机程序设定的驱动电压波形时间参数和被校测试仪测量得到的时间参数，完成对发动机指令与控制匹配性测试仪的校准。该方案同样存在以下问题：(1)组成系统的成本仍然比较高。每个电磁阀的价格约10万元，2个电磁阀需投资20万元。大功率直流电源需要在28V直流电压输出的条件下输出几安培电流，该设备成本也需要几万元；(2)由于电磁阀不是标准器件，而电磁阀相关的参量不确定，但是这些测量将直接影响驱动电流的实际波形。因此，实际的电流波形中的各个时间参数及其变化量是未知的。严格地说，该方案同样不能达到校准的目的，只能作为功能验证。

发明内容

为了解决现有发动机指令与控制匹配性测试仪校准存在系统成本高、实际的电流波形中的各个时间参数及其变化量不确定的技术问题，本发明提供一种发动机指令与控制匹配性测试仪校准装置和校准方法。所述发动机指令与控制匹配性测试仪校准装置用可编程恒流源代替大功率电压源、大电流开关和电磁阀，产生波形规范、各个时间参数准确并且可以设置的驱动电流波形，实现对发动机指令与控制匹配性测试仪的校准。

本发明的技术方案如下：

发动机指令与控制匹配性测试仪的校准装置，其特殊之处在于：包括微处理器、数据选择器、二分频电路、晶振电路、二进制计数器、译码器以及n路校准通道，

每路校准通道均包括数据锁存器、存储器、数模转换器、滤波器以及电压电流转换器；

所述微处理器的数据总线与数据锁存器的数据输入端相连接，微处理器的地址总线产生的2n位地址片选信号与数据锁存器的锁存使能信号CP₁～CP_2n连接，微处理器的IO线分别与数据选择器的选择控制信号端S、数据选择器的输入端B、二进制计数器的清零端CLR以及存储器的写信号端W连接；

所述晶振电路输出的时钟信号通过二分频电路与数据选择器的输入端A连接；

所述存储器的数据端同时连接数据锁存器数据输出端和数模转换器的数据输入端；

所述数据选择器的输出端Y与二进制计数器的脉冲输入端CP连接；

所述二进制计数器的输出端的次低位Q₁和最低位Q₀与译码器输入端连接，所述二进制计数器的输出端的高位Q₁₇～Q₂与存储器的地址输入端A连接；

所述译码器的输出端Y0与存储器的读控制线R连接,译码器的输出端Y2与数模转换器的写控制线WR连接；

所述数模转换器输出端与滤波器输入端相连接，滤波器的输出端与电压电流转换器的输入端相连接；

所述电压电流转换器的输出低端与被校发动机指令与控制匹配性测试仪的校准通道输入低端相连接；

所述电压电流转换器的输出高端与被校发动机指令与控制匹配性测试仪的相应校准通道输入高端相连接。

n为8。

上述微处理器的工作过程：

在微处理器内存储电磁阀特性参数和电磁阀控制电压波形参数；

微处理器根据电磁阀特性参数和电磁阀控制电压波形参数，微处理器计算各个校准通道的标准时间参数：

微处理器以最小时间单位，按时间顺序逐点计算出每个校准通道的电流波形数据i(t)，并将各个校准通道的电流波形数据i(t)存储在对应的数据存储器中。

发动机指令与控制匹配性测试仪校准方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)参数输入：

2)根据电磁阀特性参数和电磁阀控制电压波形参数，微处理器计算各个校准通道的标准时间参数：

t_o为电磁阀吸合指令下达时刻，t₁为电磁阀的衔铁开始吸合运动时刻，t₂为电磁阀吸合时刻，t₃为电磁阀释放指令下达时刻，t₄为电磁阀的衔铁开始释放运动时刻，t₅电磁阀放开时刻；

3)波形数据计算和存储：

微处理器以最小时间单位Δt，按时间顺序逐点计算出每个校准通道的电流波形数据i(t)，并将各个校准通道的电流波形数据i(t)存储在对应的数据锁存器；其中t＝jΔt，j＝0,1,2,......2^m-1，m为微处理器的处理位数；

将存储在数据锁存器中的电流值数据依次存入相应存储器的存储单元；

4)电流波形产生

从存储器的第一存储单元开始依次读出电流值数据，并写入各个校准通道的数模转换器中，数模转换器输出相应的电压信号波形；

各个校准通道的电压信号波形，经过滤波器后，经过电压电流转换器后，输出各个校准通道的电流波形；

5)校准结果产生：

被校发动机指令与控制匹配性测试仪测量各个校准通道输出的电流波形，得到各个校准通道的测量波形时间t_x1～t_x5，并将测量波形时间t_x1～t_x5与计算的各个校准通道的标准时间参数t₁～t₅，进行比较,产生校准结果。

通过测控计算机或者输入按键输入电磁阀特性参数和电磁阀控制电压波形参数；

其中：电磁阀特性参数包括：线圈静态电感L(单位H)、线圈电阻R(单位Ω)、电磁阀开始吸合电流I_s(单位A)、吸合时间t_d(单位s)、电磁阀开始释放电流I_c(单位A)、释放时间t_p(单位s)和电磁阀吸合后线圈电感L_m(单位H)；

电磁阀控制电压波形参数包括：驱动电压U(单位V)、电磁阀吸合指令下达时刻t_o(单位s)；电磁阀释放指令下达时刻t₃(单位s)。

步骤2)具体为：微处理器按照以下公式，计算各个校准通道的标准时间参数

其中，

其中：T₀＝1/f为晶振电路产生频率为fHz的脉冲信号的周期；

步骤3)具体为：

3.1)微处理器通过IO线给数据选择器的选择控制信号S端发送信号，使数据选择器的输出端Y与输入端B相等，微处理器单元通过IO线给二进制计数器发送清零信号CLR使二进制计数器输出均为0；

3.2)Δt＝8T₀，令j＝1；

3.3)按照下述公式，计算各个校准通道当前时刻的电流值数据i(t)，并存入对应的数据锁存器中；

(a)当0≤t≤t₁,也即，0≤j≤N₁,其中，

(b)当t₁≤t≤t₂,也即，N₁≤j≤N₂，

其中，

(c)当t₂≤t≤t₃,也即，N₂≤j≤N₃，

其中，

(d)当t₃≤t≤t₄,也即，N₃≤j≤N₄，其中，

(e)当t₄≤t≤t₅,也即，N₄≤j≤N₅，其中，

(f)当t≥t₅，也即，j≥N₅，

其中，

3.4)微处理器给存储器的写信号端W一个写信号，将各个校准通道的电流值数据存入相应存储器的第一个存储单元中；存储单元地址加1；

3.5)令当前j加1，执行步骤3.3)，直至j＝2^m-1；

2^m-1＝65535。

本发明所具有的优点：

1、本发明校准装置的多个参数可以设置，适用于不同参数需求的被校设备的校准，适合于对被校设备在不同工作状态下的校准。

2、本发明校准装置避免使用昂贵的电磁阀和大功率电源，系统建造成本较低。

3、本发明校准装置避免使用性能不确切的电磁阀器件，用高稳定性晶振作为时间标准对被校设备进行校准，能适用于高精度被校设备，并且可以直接溯源到时间参数。

附图说明

图1为发动机指令与控制匹配性测试仪基本原理图；

图2为发动机电磁阀的工作时序与驱动电流波形及控制电压方波图；

图3为现有校准系统原理图；

图4为现有另一种校准系统原理图；

图5为本发明校准装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出详细的说明。

如图5所示，发动机指令与控制匹配性测试仪校准装置，包括微处理器、多个数据锁存器、多个存储器、数模转换器、滤波器、电压电流转换器、通信接口、晶振电路、二分频电路、数据选择器、二进制计数器、译码器。所述微处理器单元，通过通信接口与测控计算机相连。所述微处理器单元含有按键输入和数码显示部分。所述微处理器单元的数据总线与数据锁存器的数据输入端相连接，由地址总线产生的2n位地址片选信号与数据锁存器的锁存使能信号CP₁～CP_2n相连接，4个IO线分别与数据选择器的选择控制信号S端、数据选择器的输入B端、二进制计数器的清零端CLR、存储器的写信号W相连接。所述存储器的数据端D₁₅～D₀同时连接数据锁存器数据输出端和数模转换器的数据输入端。晶振电路输出的时钟信号通过二分频电路与数据选择器的输入A端相连接。数据选择器的输出Y端与二进制计数器的脉冲输入CP端相连接。二进制计数器的输出端的次低位Q₁和最低位Q₀与2-4译码器输入端相连接。二进制计数器的输出端的高16位Q₁₇～Q₂与存储器的地址输入端A₁₅～A₀相连接。2-4译码器的输出端Y0与存储器的读控制线R相连接。2-4译码器的输出端Y2与数模转换器的写控制线WR相连接。各个校准通道的数模转换器输出与滤波器输入端相连接，滤波器的输出端与电压电流转换器的输入端相连接。电压电流转换器的输出低端连接在一起与被校发动机指令与控制匹配性测试仪的输入低端相连接。各校准通道的电压电流转换器的输出高端分别与被校发动机指令与控制匹配性测试仪的相应校准通道输入高端相连接。

晶振电路经二分频电路分频后，经数据选择器、二进制计数器、二-四译码器输出脉冲，即晶振输出8个脉冲，译码器的4个输出循环一次。首先在微处理器内存储电磁阀特性相关参数和电磁阀控制电压波形参数，根据这些参数可以计算各个校准通道时间t₁～t₅下的电流值。

微处理器通过片选信号选中数据锁存器将该校准通道的电流值存入数据锁存器，通过IO线W将数据锁存器内数据写入存储器；译码器输出端Y0输出一个脉冲时，将存储器内数据读出，译码器输出端Y2输出一个脉冲时，存储器内读出的数据写入数模转换器进行D/A变换，将数字信号转成模拟信号，经滤波电路、电压电流转换器，输出电流值，此时输出了一个电流值；存储器地址加1后，将该地址数据通过数模转换、滤波器、电压电流转换器输出电流值，此时连续输出了两个电流值，存储器地址不断加1，直至将存储器内所存数据输出完毕。以上为单校准通道电流波形数据输出，由于配置了8个校准通道，可同时程控实现8校准通道电流波形输出。

发动机指令与控制匹配性测试仪校准装置的工作过程：

(1)参数输入

微处理器，通过测控计算机或者输入按键输入电磁阀特性相关参数和电磁阀控制电压波形参数。电磁阀特性相关参数包括：线圈静态电感L(单位H)、线圈电阻R(单位Ω)、电磁阀开始吸合电流I_s(单位A)、吸合时间t_d(单位s)、电磁阀开始释放电流I_c(单位A)、释放时间t_p(单位s)、电磁阀吸合后线圈电感L_m(单位H)；电磁阀控制电压波形参数包括：驱动电压U(单位V)、驱动电压波形由低电平转为高电平时间，也即电磁阀吸合指令下达时刻t_o(单位s)；驱动电压波形由高电平转为低电平时间，也即电磁阀释放指令下达时刻t₃(单位s)。

(2)时间参数计算

晶振电路产生频率为fHz的脉冲信号。脉冲周期：T₀＝1/f。

微处理器，先根据输入参数，计算出相关时间参数：

(4)波形数据计算和存储

微处理器，以最小时间单位Δt＝8T₀，按时间顺序逐点计算出每个校准通道电流波形数据i(t)，也即，以时间t＝jΔt，j＝0,1,2,......65535，按照下述公式，计算各个校准通道电流波形数据i(t)：

(a)当0≤t≤t₁,也即，0≤j≤N₁,其中，

(b)当t₁≤t≤t₂,也即，N₁≤j≤N₂，

其中，

(c)当t₂≤t≤t₃,也即，N₂≤j≤N₃，

其中，

(d)当t₃≤t≤t₄,也即，N₃≤j≤N₄，其中，

(e)当t₄≤t≤t₅,也即，N₄≤j≤N₅，其中，

(f)当t≥t₅，也即，j≥N₅，

其中，

具体地，首先，微处理器通过IO线给数据选择器的选择控制信号S端发送信号，使数据选择器的输出Y端与输入B端相等，而与输入A端无关。微处理器单元通过IO线给二进制计数器发送清零信号CLR使计数器输出均为0，也即各个存储器的4位十六进地址均为0000H。

令j＝0，用上述公式计算1校准通道的电流值，所述微处理器通过片选信号控制CP₁和CP₂均为低电平，1校准通道的电流值数据存入1校准通道数据锁存器；用上述公式计算2校准通道的电流值，所述微处理器通过片选信号控制CP₃和CP₄均为低电平，2校准通道的电流值数据存入2校准通道数据锁存器。........，以此类推，直到用上述公式计算n校准通道的电流值，所述微处理器通过片选信号控制CP_2n-1和CP_2n均为低电平，n校准通道的电流值数据存入n校准通道数据锁存器。

微处理器通过片选信号控制W为低电平给存储器发送一个写信号，各个校准通道的电流值数据存入相应校准通道存储器的0000H单元。

微处理器单元通过IO线给数据选择器的B端发送4个脉冲信号，二进制计数器加4，各个存储器的地址加1，均为0001H。

令j＝1，用上述公式计算1校准通道的电流值，所述微处理器通过片选信号控制CP₁和CP₂均为低电平，1校准通道的电流值数据存入1校准通道数据锁存器；用上述公式计算2校准通道的电流值，微处理器通过片选信号控制CP₃和CP₄均为低电平，2校准通道的电流值数据存入2校准通道数据锁存器。........，以此类推，直到用上述公式计算n校准通道的电流值，所述微处理器通过片选信号控制CP_2n-1和CP_2n均为低电平，n校准通道的电流值数据存入n校准通道数据锁存器。

微处理器通过片选信号控制W为低电平给存储器发送一个写信号，各个校准通道的电流值数据存入相应校准通道存储器的0001H单元。

以此类推，直到下一步：

微处理器通过IO线给数据选择器的B端发送4个脉冲信号，二进制计数器加4，各个存储器的地址加1，均为FFFFH。

令j＝65535,用上述公式计算1校准通道的电流值，所述微处理器通过片选信号控制CP₁和CP₂均为低电平，1校准通道的电流值数据存入1校准通道数据锁存器；用上述公式计算2校准通道的电流值，所述微处理器通过片选信号控制CP₃和CP₄均为低电平，2校准通道的电流值数据存入2校准通道数据锁存器。........，以此类推，直到用上述公式计算n校准通道的电流值，所述微处理器通过片选信号控制CP_2n-1和CP_2n均为低电平，n校准通道的电流值数据存入n校准通道数据锁存器。

所述微处理器通过片选信号控制W为低电平给存储器发送一个写信号，各个校准通道的电流值数据存入相应校准通道存储器的FFFFH单元。

(5)电流波形产生

微处理器单元通过IO线给数据选择器的选择控制信号S端发送信号，使数据选择器的输出Y端与输入A端相等，而与输入B端无关。微处理器单元通过IO线给二进制计数器发送清零信号CLR使计数器输出均为0，也即各个存储器的4位十六进地址均为0000H。

晶振电路输出2个脉冲，2-4译码器的Y0输出端输出1个脉冲，读出各个校准通道存储器0000H单元的数据，并送到各个校准通道的数模转换器数据输入端。晶振电路再输出4个脉冲，2-4译码器的Y2输出端输出1个脉冲，各个校准通道存储器0000H单元的数据写入各个校准通道的数模转换器中，数模转换器输出相应的电压信号。晶振电路再输出2个脉冲，各个存储器的地址均加1，为0001H。

晶振电路输出2个脉冲，2-4译码器的Y0输出端输出1个脉冲，读出各个校准通道存储器0001H单元的数据，并送到各个校准通道的数模转换器数据输入端。晶振电路再输出4个脉冲，2-4译码器的Y2输出端输出1个脉冲，各个校准通道存储器0001H单元的数据写入各个校准通道的数模转换器中，数模转换器输出相应的电压信号。晶振电路再输出2个脉冲，各个存储器的地址均加1，为0002H。

如此不断循环，每8个晶振电路脉冲，各个校准通道均从存储器中取出下1个单元的数据，并写入各个校准通道的数模转换器中。数模转换器按照规定的时间间隔输出相应的电压信号，形成各个校准通道的电压波形。

各个校准通道的电压波形，经过滤波器后，滤除高次谐波，经过电压电流转换器后，输出各个校准通道的电流波形。

(6)校准结果产生

被校发动机指令与控制匹配性测试仪测量得到各个校准通道的波形时间t_x1～t_x5,与对应校准通道程序设定的时间t₁～t₅，作为标准进行比较,产生校准结果。

本发明的技术效果如下：采用本发明的技术方案，时间标准决定于晶振电路，其温度系数达到10^-6/℃，因此，校准装置具有很高的准确度。

本发明不局限于上述最佳方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.发动机指令与控制匹配性测试仪的校准装置，其特征在于：包括微处理器、数据选择器、二分频电路、晶振电路、二进制计数器、译码器以及n路校准通道，

2.根据权利要求1所述的发动机指令与控制匹配性测试仪校准装置，其特征在于：n为8。

3.根据权利要求1或2所述的发动机指令与控制匹配性测试仪校准装置，其特征在于：所述微处理器的工作过程：

4.发动机指令与控制匹配性测试仪校准方法，其特征在于包括以下步骤：

1)参数输入：

3)波形数据计算和存储：

4)电流波形产生

5)校准结果产生：

5.根据权利要求4所述的发动机指令与控制匹配性测试仪校准方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的发动机指令与控制匹配性测试仪校准方法，其特征在于：

步骤2)具体为：微处理器按照以下公式，计算各个校准通道的标准时间参数为

其中，

其中，

其中：T₀＝1/f为晶振电路产生频率为fHz的脉冲信号的周期。

7.根据权利要求6所述的发动机指令与控制匹配性测试仪校准方法，其特征在于：步骤3)具体为：

3.2)Δt＝8T₀，令j＝1；

(a)当0≤t≤t₁,也即，0≤j≤N₁,其中，

(b)当t₁≤t≤t₂,也即，N₁≤j≤N₂，

其中，

(c)当t₂≤t≤t₃,也即，N₂≤j≤N₃，

其中，

(d)当t₃≤t≤t₄,也即，N₃≤j≤N₄，其中，

(e)当t₄≤t≤t₅,也即，N₄≤j≤N₅，其中，

(f)当t≥t₅，也即，j≥N₅，

其中，

3.5)令当前j加1，执行步骤3.3)，直至j＝2^m-1。

8.根据权利要求7所述的发动机指令与控制匹配性测试仪校准方法，其特征在于：2^m-1＝65535。