燃料開關(guān)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    眾所周知能源危機(jī)和大氣污染是未來汽車燃料所要解決的最關(guān)鍵問題。為降低排放，緩解石油能源緊張的局面，氣體燃料受到了世界各國(guó)的重視和推廣。大量實(shí)車試驗(yàn)均證實(shí)以天然氣(CNG)或液化石油氣(LPG)為燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx，總碳?xì)銽HC，CO及CO2的排放較汽油的排放污染明顯減少，且大大節(jié)省了能源。
    雙燃料汽車技術(shù)的關(guān)鍵之一是油和氣轉(zhuǎn)換控制，燃料開關(guān)正是用于以自動(dòng)或手動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)燃料間的切換，其品質(zhì)也關(guān)系到汽車的整體性能。本文所針對(duì)的燃料開關(guān)具有以下的主要功能：燃料切換、燃料容量顯示、蜂鳴器報(bào)警以及指示燈亮度關(guān)于環(huán)境光照度自動(dòng)調(diào)節(jié)等。為確保燃料開關(guān)的質(zhì)量控制滿足最苛刻的歐洲汽車零部件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，燃料開關(guān)必須百分之百進(jìn)行測(cè)試。傳統(tǒng)測(cè)試方法是通過測(cè)試人員手工測(cè)試，測(cè)試速度慢，受人為因素影響，差錯(cuò)率相對(duì)較高，產(chǎn)品質(zhì)量得不到保障。于是有必要研究一種能用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種能用于對(duì)燃料開關(guān)進(jìn)行完成功能測(cè)試、通訊速率自動(dòng)測(cè)定并具有過壓自動(dòng)保護(hù)能力的燃料開關(guān)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。
    該測(cè)試系統(tǒng)基于PC機(jī)和單片機(jī)P89LPC938，測(cè)試人員通過PC機(jī)向測(cè)試系統(tǒng)發(fā)出測(cè)試命令，由單片機(jī)識(shí)別并處理測(cè)試指令，向燃料開關(guān)發(fā)出相應(yīng)的測(cè)試信號(hào)，以測(cè)試對(duì)應(yīng)性能。下面將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及每個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)說明分析。

1 燃料開關(guān)測(cè)試系統(tǒng)的組成及工作原理
    該測(cè)試系統(tǒng)由電源模塊、單片機(jī)P89LPC938控制模塊、通信接口模塊及電平轉(zhuǎn)換模塊組成，圖1是測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

    該測(cè)試系統(tǒng)的工作原理：測(cè)試人員在PC機(jī)界面選擇要測(cè)試的項(xiàng)目，PC機(jī)通過串口將此命令發(fā)送給測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)過RS 232-TTL電平轉(zhuǎn)換后，該指令送至單片機(jī)控制模塊，由單片機(jī)P89LPC938組成的控制單元識(shí)別所收到的測(cè)試要求后，從指令集中取出相應(yīng)的命令信號(hào)以協(xié)定的通信協(xié)議向燃料開關(guān)發(fā)送命令，如果燃料開頭能夠正確識(shí)別所收到的命令，它將回送應(yīng)答信號(hào)，同時(shí)執(zhí)行該命令所要求的測(cè)試項(xiàng)目，如點(diǎn)亮不同的指示燈，發(fā)出不同音調(diào)與音高的報(bào)警聲等。待每項(xiàng)測(cè)試執(zhí)行完成后，結(jié)果回送給單片機(jī)，單片機(jī)再經(jīng)由串口將此結(jié)果發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。
    各模塊的作用如下：
    電源模塊：由于不同芯片所要提供的電壓不同，且在此測(cè)試系統(tǒng)中，需要5 V及3．3 V，所以電源模塊的電路要產(chǎn)生不同的電壓提供給各芯片。
    電平轉(zhuǎn)換模塊：實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)之間的RS 232電平至TTL電平轉(zhuǎn)換。
    PC機(jī)顯示存儲(chǔ)模塊：測(cè)試人員通過PC機(jī)發(fā)送測(cè)試命令，并將每個(gè)燃料開關(guān)的序列號(hào)及相應(yīng)的各項(xiàng)功能測(cè)試結(jié)果顯示并保存。
    通信接口模塊：本文所針對(duì)的燃料開關(guān)僅有一根信號(hào)線，只能實(shí)現(xiàn)半雙工通信，接口模塊的功用就是用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)全雙工方式與燃料開關(guān)半雙工方式之間的轉(zhuǎn)換。
    單片機(jī)控制模塊：是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，控制整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試進(jìn)程。它要識(shí)別來自PC機(jī)的測(cè)試人員所發(fā)出的測(cè)試命令，判斷并執(zhí)行相應(yīng)功能的測(cè)試；待測(cè)試結(jié)束，控制模塊要分析測(cè)試結(jié)果是否正常，并反饋給PC機(jī)用于向測(cè)試人員顯示及數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫保存。

2 測(cè)試系統(tǒng)的電路實(shí)現(xiàn)
2．1 供電電路
    不同芯片對(duì)供電電壓的要求也不同，本測(cè)試系統(tǒng)中，單片機(jī)P89LPC938所需的電壓為3．3 V，而電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232所需要的電壓為5 V，因此，電源模塊的設(shè)計(jì)要滿足需求，設(shè)計(jì)時(shí)就需要兼顧兩者，外部只需提供12 V電壓即可。圖2給出電源電路的電路圖，本系統(tǒng)選用LM7805和LM1117兩個(gè)穩(wěn)壓器。

2．2 RS 232-TTL電平轉(zhuǎn)換電路
    計(jì)算機(jī)串口是RS 232電平，而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)電壓是TTL電平或CMOS電平，不可以直接將單片機(jī)芯片上的串行通信引腳與RS 232的收發(fā)端相連接，必須作適當(dāng)?shù)碾娖睫D(zhuǎn)換。目前市面上有許多用于此目的的電平轉(zhuǎn)換芯片，本方案采用MAX232芯片。
2．3 單片機(jī)與燃料開頭之間的通信接口電路
    通信接口模塊要實(shí)現(xiàn)的功能是接收單片機(jī)
P89LPC938發(fā)出的命令信號(hào)發(fā)送給燃料開關(guān)，它還要將燃料開關(guān)反饋的信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)它們二者之間的雙向通信。一般而言，單片機(jī)都會(huì)有TX與RX二個(gè)端口，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)雙向通信功能，即能實(shí)現(xiàn)全雙工信息。但本文所討論的燃料開關(guān)外部?jī)H有三條線：電源，地和信號(hào)線，這意味著TX／RX復(fù)用一條數(shù)據(jù)線，至多只能實(shí)現(xiàn)半雙工串行通信。為了在測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)開關(guān)之間建立起可靠的通信聯(lián)系，必須設(shè)計(jì)一個(gè)全雙工／半雙工轉(zhuǎn)換電路。本文所提出的解決方案如圖3所示。

    圖3中兩個(gè)二極管起保護(hù)作用，若Fuel Switch輸入電壓過高，D1的嵌位作用會(huì)使RX端的電壓仍維持在5 V左右，若Fuel Switch輸入電壓為負(fù)，D2的嵌位作用會(huì)使TX端的電壓仍維持在0 V左右。
    當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)的TX端發(fā)送高電平時(shí)，A點(diǎn)為高電平，燃料開關(guān)Fuel Switch信號(hào)線也將接收到高電平，同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的RX端也會(huì)接收到高電平。同理，當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)的TX端發(fā)送低電平時(shí)，燃料開關(guān)FuelSwitch信號(hào)線也將接收到低電平，同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的RX端也會(huì)接收到低電平。
    當(dāng)燃料開關(guān)向測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送應(yīng)答信息時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)送端TX置高電平，則接收端RX將收到燃料開關(guān)發(fā)送的信息。
    如果燃料開關(guān)與測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)將出錯(cuò)，因此，測(cè)試系統(tǒng)的串口是處于全雙工狀態(tài)，而燃料開關(guān)的信號(hào)端是處于半雙工狀態(tài)，這樣就實(shí)現(xiàn)了全雙工至半雙工的轉(zhuǎn)換。

3 測(cè)試系統(tǒng)控制模塊
    控制模塊是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心部分，它利用單片機(jī)P89LPC938來控制測(cè)試系統(tǒng)。
    P89LPC938有最少23個(gè)I／O口，選擇片內(nèi)振蕩和片內(nèi)復(fù)位時(shí)可多達(dá)26個(gè)I／O口；8輸入多路10位A／D轉(zhuǎn)換器；2個(gè)模擬比較器，可選擇輸入和參考源；2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器(每一個(gè)定時(shí)器均可設(shè)置為溢出時(shí)觸發(fā)相應(yīng)端口輸出或作為PWM輸出)。
    該模塊要完成的任務(wù)是對(duì)燃料開關(guān)的功能進(jìn)行測(cè)試、過壓保護(hù)與監(jiān)測(cè)以及頻率檢測(cè)。下面對(duì)這三個(gè)部分做詳細(xì)講述。
3．1 燃料開關(guān)功能測(cè)試
    上面提到燃料開關(guān)的主要功能是燃料容量顯示、蜂鳴器報(bào)警，燃料切換及指示燈亮度調(diào)節(jié)等。要保證產(chǎn)品的質(zhì)量，需要對(duì)燃料開關(guān)進(jìn)行全功能測(cè)試。
    測(cè)試人員通過PC機(jī)向控制單元發(fā)送功能測(cè)試命令，所有命令組成了一個(gè)指令集，單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的命令信號(hào)來判斷需要對(duì)產(chǎn)品的哪項(xiàng)功能進(jìn)行檢測(cè)，據(jù)此把執(zhí)行該功能的命令序列發(fā)送給燃料開關(guān)。因此，每條指令信息中要包含該項(xiàng)功能測(cè)試的全部信息。單片機(jī)通過通信接口的TX發(fā)送端向燃料開關(guān)發(fā)送上述命令序列，產(chǎn)品收到有命令信號(hào)序列后，會(huì)先進(jìn)行校驗(yàn)以確保收到的命令是正確的。一旦確認(rèn)收到的正確的命令，開關(guān)產(chǎn)品會(huì)反饋命令確認(rèn)信號(hào)給測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)因此可以確定所發(fā)出的命令序列已經(jīng)被正確執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)一些有效測(cè)試。
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，一個(gè)命令序列由四個(gè)字節(jié)組成，分別是CMD命令，數(shù)據(jù)D1，數(shù)據(jù)D2和校驗(yàn)信號(hào)C。CMD命令用于標(biāo)識(shí)需要執(zhí)行的指令類型，即是哪一項(xiàng)功能檢測(cè)，D1，D2提供執(zhí)行該命令所必須的輔助數(shù)據(jù)，例如如果需要測(cè)試報(bào)警若能，數(shù)據(jù)字節(jié)可以用來指定以什么頻率、音調(diào)、音高、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，校驗(yàn)字節(jié)用于燃料開關(guān)確認(rèn)該命令序列是否有效以免通信錯(cuò)誤造成誤動(dòng)作。下面以燃料容量顯示為例，給出測(cè)試的過程：
    (1)測(cè)試人員從PC 機(jī)通過串口向測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送燃料容量顯示檢測(cè)信號(hào)。燃料開關(guān)是用多個(gè)LED燈指示燃料的容量，“volume”代表容量測(cè)試命令。
    (2)單片機(jī)P89LPC938通過串口接收到“volume”命令，從指令集中提取相應(yīng)的指令信號(hào)。圖4給出單片機(jī)向燃料開關(guān)發(fā)出的一條燃料容量顯示指令。
    CMD為0000 0001，表明此指令為燃料容量顯示功能測(cè)試指令。當(dāng)對(duì)蜂鳴器報(bào)警功能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，CMD為0000　0010；對(duì)燃料切換功能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，對(duì)應(yīng)的CMD為0000 0011；對(duì)指示燈亮度調(diào)節(jié)功能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，CMD為0000 0100等，它們?cè)陂_關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)就做出了約定。D1為0000 1000，表示對(duì)LED4進(jìn)行測(cè)試，即D1的每個(gè)位對(duì)應(yīng)一個(gè)LED，置1時(shí)表示對(duì)相應(yīng)的LED進(jìn)行測(cè)試。該字節(jié)對(duì)于不同的測(cè)試內(nèi)容具有不同的意義，如對(duì)蜂鳴器報(bào)警功能測(cè)試時(shí)，D1指示蜂鳴器報(bào)警次數(shù)，即0000 0101表示報(bào)警5次；對(duì)燃料切換功能測(cè)試時(shí)D1為0或1，分別代表一種燃料；在指示燈亮度調(diào)節(jié)功能測(cè)試時(shí)D1又被用于表示顯示元件的亮度，如1111 1111表示最大亮度。
    D2通常會(huì)是對(duì)D1所指對(duì)象量的進(jìn)一步規(guī)定。對(duì)于圖4所示的燃料容量測(cè)試，D2的值為0000 1001表示LED4將閃爍9次。其他測(cè)試狀態(tài)也相似，例如對(duì)蜂鳴器報(bào)警功能而言，D2表示對(duì)蜂鳴器基頻信號(hào)的分頻數(shù)。C是校準(zhǔn)字節(jié)，0000 0001表示對(duì)數(shù)據(jù)D1，D2做異或處理。

    (3)單片機(jī)將上述命令信號(hào)發(fā)送給燃料開關(guān)的信號(hào)端，通過校驗(yàn)，燃料開關(guān)判斷信號(hào)是否有效，如果有效就會(huì)將單片機(jī)發(fā)送來的信號(hào)進(jìn)行處理后重新發(fā)送給單片機(jī)作為測(cè)試指令已經(jīng)被確認(rèn)的反饋。若無效，將放棄此次測(cè)試。
    (4)測(cè)試人員判斷LED功能完好后可以通過PC機(jī)保存測(cè)試結(jié)果。
    其他功能測(cè)試的實(shí)現(xiàn)與上述過程相仿，不再贅述。
3．2 過壓保護(hù)
    燃料開關(guān)外部需+12 V電壓供電，經(jīng)產(chǎn)品內(nèi)部電源電路轉(zhuǎn)化為+5 V電壓給單片機(jī)提供電壓，因此如果其電源電路出現(xiàn)故障，或受到汽車內(nèi)其他電器設(shè)備的電壓干擾使提供給單片機(jī)的電壓過高，或由于其他形式的制造缺陷，都有可能使被測(cè)開關(guān)的電源異常，這會(huì)損壞燃料開關(guān)，進(jìn)而損壞與相連接的測(cè)試系統(tǒng)。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)過壓保護(hù)與檢測(cè)電路，檢測(cè)燃料開關(guān)內(nèi)的單片機(jī)的電源電壓，當(dāng)此電壓正常時(shí)(+5 V±2％)，測(cè)試系統(tǒng)可以繼續(xù)對(duì)其檢測(cè)，但當(dāng)此電壓過高，則自動(dòng)切斷燃料開關(guān)的外部電源，達(dá)到保護(hù)燃料開關(guān)的目的。圖5即為該保護(hù)電路。

    測(cè)試系統(tǒng)外部由+12 V電源供電，雙二極管D1的作用是防止電壓反接；由于汽車內(nèi)干擾很多，雙三極管T1構(gòu)成一個(gè)鉗位電路，使T2的集電極電壓穩(wěn)定在+12 V左右；Z1為電源芯片，提供+13 V電壓；T2是電源電路的開關(guān)三極管，當(dāng)基極為高電平，POWER端輸出+12 V左右，當(dāng)基極為低電平，POWER端輸出為0 V；三極管Q1控制T2的基極電壓，即控制了整個(gè)電源電路的通斷，當(dāng)Q1基極為高電壓，三極管Q1導(dǎo)通，則T2的基極為低電壓，T2斷開，POWER輸出電壓為0 V，當(dāng)Q1基極提供低電壓，三極管斷開，T2基極電壓為+13 V，T2導(dǎo)通，則POWER輸出端提供+12 V電壓。POWER輸出端連接到燃料開關(guān)的電源端。
    將燃料開關(guān)的電源電路輸出端引出，連接到單片機(jī)P89LPC938的AD06轉(zhuǎn)換口，不斷檢測(cè)此電壓值，由于P89LPC938的工作電壓為+3．3 V，而燃料開關(guān)的電壓最小為0 V，最大為+11 V，所以要將此電壓用電阻分壓后再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這里選用100 Ω和470 Ω的電阻，則AD06端最小輸入為0 V，最大輸入為+2．1 V，不超過單片機(jī)的工作電壓，在被測(cè)為+5 V時(shí)，AD06輸入端電壓為0．877 V，單片機(jī)通過比較，判斷被測(cè)電壓是否為安全電壓。若為安全電壓，單片機(jī)的I／O口P2．7置0，即保護(hù)電路的Q1基極為低電平，保護(hù)電路導(dǎo)通，可以正常對(duì)燃料開關(guān)進(jìn)行測(cè)試；若被測(cè)電壓高于+5 V，單片機(jī)將P2．7腳置1，則保護(hù)電路斷開，燃料開關(guān)立即斷電，由于通電時(shí)間較短，不會(huì)對(duì)燃料開關(guān)造成損害。
3．3 頻率檢測(cè)
    燃料開關(guān)是以數(shù)字通信方式與其他組件進(jìn)行協(xié)同工作的，異步通信的工作頻率則取自其中單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘，由于制造離散度及環(huán)境溫度等的影響，實(shí)際的工作頻率會(huì)發(fā)生漂移。為確保通信的可靠性，需要確認(rèn)燃料開關(guān)工作在適當(dāng)?shù)念l率范圍內(nèi)，故需要對(duì)其實(shí)際的通信頻率檢測(cè)與確認(rèn)。要測(cè)試時(shí)鐘信號(hào)的頻率，可以通過測(cè)試一定區(qū)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，精度越高。本測(cè)試系統(tǒng)用D觸發(fā)器和單片機(jī)的計(jì)數(shù)、定時(shí)功能來完成此檢測(cè)。圖6即為此頻率檢測(cè)電路。

    系統(tǒng)選用由兩個(gè)D觸發(fā)器集成的芯片74AHC74，其工作性質(zhì)如表1所示。只用其中一個(gè)D觸發(fā)器，其時(shí)鐘脈沖由單片機(jī)P89LPC938提供，將被測(cè)時(shí)鐘TEST CLK連接到1D端，1Q端接至單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0端，T1作為定時(shí)器使用。

    開始測(cè)試時(shí)，測(cè)試人員設(shè)置測(cè)試時(shí)間，即設(shè)置T1的計(jì)數(shù)值(取1 s)，系統(tǒng)時(shí)鐘SCK作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖，在SCK的上升沿檢測(cè)TEST CLK的信號(hào)，如果1Q／T0為0→1，說明被測(cè)波形為一次上升沿，當(dāng)1Q端再次檢測(cè)到0→1，即為TEST CLK一個(gè)周期。計(jì)數(shù)器T0在每個(gè)下降沿加1，計(jì)下1 s內(nèi)下降沿個(gè)數(shù)即可求出T0的頻率，從而求得被測(cè)頻率。在計(jì)數(shù)的開始或結(jié)束時(shí)可能會(huì)丟掉一個(gè)周期，會(huì)對(duì)頻率的推算帶來誤差，但由于計(jì)數(shù)的基數(shù)很大，這個(gè)誤差可以忽略不計(jì)。

4 結(jié) 語
    運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別PC機(jī)發(fā)出的命令，并發(fā)送給燃料開關(guān)，系統(tǒng)也可以接收到燃料開關(guān)的測(cè)試結(jié)果。該測(cè)試系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作方便，檢測(cè)快速，并大大提高了測(cè)試效率與產(chǎn)品合格率。