摘 要：汽车真空阀质量检测平台是基于直接数字频率合成技术，采用STC单片机实现对DDS芯片AD9834的控制，提出一种高精度的PWAM（脉冲宽度与脉冲幅值调制）电源的实现方案来模拟真空阀在汽车上的工作电源；下位机采用STC单片机设计的控制板，提供多个数据采集端口，采集系统测量信号并进行相关控制。上位机采用LABVIEW软件实现，通过串口RS232协议，与PWAM电源和下位机实时通信，并协调电源与下位机工作，实现了良好的人机界面与可靠的系统控制。
关键词：真空阀检测；DDS；PWAM电源；LABVIEW
0 引言
随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车尾气排放日趋严重。为了满足严格的排放法规，汽车发动机必须大幅度降低主要排放物NO x的排放。国际公认，EGR是降低发动机NO x排放的有效手段之一［1］。EGR，全称废气再循环系统（exhaust gas recirculation），是将发动机产生的废气的一小部分（10%左右）再送回气缸，以期达到减少排放中的氮氧化合物［2］。用真空阀控制EGR阀来控制汽车尾气的排放，是现今废气再循环系统比较通用的一种应用方式。我国车用真空阀尚处在研制阶段，目前国内尚无一套完整的真空阀质量检测设备，为此，开发出一套用于真空阀的质量检测平台，为国产真空阀提供检测工具，同时国内外客户提供性能依据。
1 系统硬件设计
1.1 系统构成原理
真空阀质量检测平台的系统构成如图1所示。图1中，真空筒、真空泵、压力传感器2、单片机检测电路板、阀1、阀2、继电器3以及接触器2构成了一个闭环的负压控制系统，为真空阀提供一个稳定的负压工作环境；PWAM电源箱可以模拟真空阀在真实环境下的工作电源，给真空阀供电；单片机检测电路板是基于STC89C58RD单片机进行设计的数据采集、控制和通信系统，采集3个传感器的信号，同时可以通过2个继电器对外部进行控制，此外，还可以通过串口与上位机进行通信；大气通过流量传感器输入到真空阀，真空阀出气口通过三通阀，一端接入真空筒，另一端接压力传感器，通过压力传感器测量真空阀出气口压力信号并将信号送至单片机检测电路板；人机交互采用PC作为上位机，用LABVIEW编写上位机监控软件。
图1 硬件系统原理
在实际测试中，通过上位机发送指令，控制单片机检测电路板进行数据采集以及相关硬件控制，另外，上位机还可以对PWAM电源箱的相关参数直接进行设定，这样有利于整个系统的自动化控制。压力传感器2工作在应差模式，当真空筒的压力不在设定范围时，压力传感器会发出一个低电平信号控制继电器3导通，继电器3再通过接触器控制真空泵电源和阀1同步导通，控制真空筒压力在设定范围。用LABVIEW编写上位机监控软件，还可以发送控制命令，控制单片机采集到的数据通过串口发送给PC，实时绘图，绘制真空阀的压力与流量在不同工作状态下的关系曲线。
1.2 PWAM电源箱硬件实现
为模拟真空阀的工作电源，要求电源系统的输出电压0～40 V，频率0～1 000 Hz，占空比0～100%任意可调，最大输出电流10 A。经过调查，市面上的大多数PWM电源占空比只能在10%～90%调节，不能满足真空阀质量测试平台的要求，因此，采用直接数字频率合成（DDS）芯片，自行开发了一台PWAM电源。其硬件结构如图2所示。
直接数字频率合成（DDS）具有极高的频率分辨率、具有任意波形输出能力、输出的频率相对带宽较宽以及具有极短的频率转换时间等特点［3－4］。此外DDS只需简单的编程即可改变其输出信号的频率、相位和幅度，从而可以和计算机系统相结合，通过计算机软件来实现对DDS的控制［5］。因此，我们采用DDS芯片AD9834芯片产生一个频率从0～1 000 Hz任意可调的三角波，然后经过高速比较电路与经过D／A转换的单片机的输出信号进行比较，这样，就可以产生一个频率从0～1 000 Hz、占空比从0～100%任意可调的方波信号，然后再经过单片机控制以及驱动电路模块进行调制，就可以得到幅值从0～40 V任意可调的方波信号。
图2 PWAM电源硬件结构
该PWAM电源还扩展了矩阵键盘以及LCD显示屏，可以不通过上位机而直接进行人机交互，这样，该电源可以单独作为一台测试电源，应用到各种电磁阀的检测中。
1.3 检测电路板硬件实现
检测电路板包括数据采集通道、有源滤波电路、模拟多路开关、A／D采集模块、STC89C58RD单片机和通信模块几部分。其结构框图如图3所示。
图3 单片机检测电路板硬件结构
流量传感器选择美国矽感MF4008流量传感器，输出模拟电压0.5～4.5 VDC；压力传感器采用日本神视公司DP－101A型压力传感器，输出模拟电压1～3 VDC。这2种传感器输出漂移小，响应速度快，输出信号为直流电压信号且噪声小，大大简化了信号预处理电路的设计。另外，MF4008流量传感器还扩展有串口通信端口，可以直接与上位机通过串口进行通信。
采用仪用放大器INA128设计前置放大电路［6］，输入端采用了二阶低通滤波器。传感器采集的信号经过信号预处理电路滤波、放大之后，通过模拟多路开关，输入到A／D转换模块。A／D转换模块采用16位的AD976芯片，可采集－10～＋10 V的任意电压，精度为（－10～＋10）／65 535＝0.000 3 V［7］。
2 系统应用软件设计
本检测平台系统软件部分主要包括：下位机单片机程序和上位机监控界面。下位机程序都是以C语言编写的控制程序，上位机是用LABVIEW编写的监控界面。系统软件的结构图如图4所示。
图4 单片机检测电路板硬件结构
2.1 PWAM电源下位机系统程序
通过通信模块或者人机交互模块，由上位机或是键盘来设置电源的8个参数：频率f1、f2，占空比q1、q2，电压幅值v1、v2，时间t1、t2。然后再由参数配置模块对这8个参数进行配置，通过3种不同的参数配置，电源可分别工作在3种不同的工作方式：1）只设置第一组参数f1、q1、v1，其他参数默认为0，那么输出的脉冲波形一直保持f1、q1、v1，称之为单边设置，这是最常用的工作方式；2）设置f1、f2、q1、q2、v1、v2、t1，其他参数默认为0，那么输出的脉冲波形在t1时间内，频率从f1逐渐变化为f2，占空比从q1逐渐变化为q2，电压幅值从v1逐渐变化为v2，且是同步变化，称这种方式为连续变化工作方式；3）设置全部8个参数，上电后输出波形在t1 时间内保持f1，q1，v1 状态，然后跳变到f2，q2，v2 状态并保持t2时间，之后再重复第一组参数，时间到后跳变到第二组参数，如此循环，称这种方式为跳变工作方式。
2.2 检测电路板下位机系统程序
电路板上的数据采集通道通过STC89C58RD单片机控制的模拟多路开关选择其中一个通道，通道选择就是由上位机控制软件发送通道切换命令，来控制单片机产生动作从而控制模拟多路开关，可以实现切换到任意通道和循环切换［8］。选择通道后，单片机控制继电器1导通，将通过上位机已经设置好参数的PWAM电源加载到真空阀上，然后，单片机再控制继电器2导通，从而控制阀2导通，导通真空阀工作气路，真空阀正常工作，之后，传感器将采集到的流量和压力信号转换成为电信号传送给A／D转换模块，经A／D转换之后传给单片机，单片机通过串口将数据发送给上位机实时绘图，并存入数据库。
通信模块与上位机通信，控制参数读取模块将上位机发送的控制命令读取出来，然后，对相关硬件进行控制，通过查询或中断方式判断目标数据已经采集完后，将实验目标数据发送给上位机指定的缓存区，进行相关处理后通过图表或者图形方式显示出来。
2.3 PC控制程序
本系统上位机软件运用NI公司的LABVIEW编写，主要控制功能如下［9］：
1）通过自定义协议和串口通信模块［10］，对下位机发出各种命令控制系统运行；
2）对实施的实验条件数据进行相关处理和显示，实现对系统运行情况实时监控；
3）对系统目标数据进行采集和保存，待下一步参数分析使用。
用LABVIEW编写上位机监控界面如图5所示，该图显示的是真空阀的实际测试参数。从图上可以很容易看出真空阀质量检测平台的参数设置以及检测参数情况。
图5 上位机监控界面
监控界面中电源模块是可以控制PWAM电源独立工作的，而且还可以控制下位机存储和读取EEPROM中的数据。当电源设定在最常用的工作状态下时，可以对检测项目下的各项参数进行检测。波形模块左侧单独设定电源（此时电源模块的设置被屏蔽，此种情形仅限于绘制波形），可以设定在不同的频率和占空比情况下，真空阀流量与压力之间的关系曲线。此外，添加的功能模块还能够对真空阀进行寿命检测，以及对相关参数进行打印。
3 实验分析
为了检测系统的准确性和可靠性，在现场环境使用该系统对一系列真空阀进行检测，其中一组检测结果如图6、图7所示。
图6显示的是上位机界面中的检测项目模块，首先对真空阀内部线圈进行短路、断路测试，测试合格后对真空筒压力进行检测，然后再对真空阀响应时间，电压打压、释放时间，工作电流，吸合、释放电压等参数进行检测。该模块主要是对真空阀内部线圈进行检测，可以通过这些检测参数来判断真空阀内部线圈电磁特性。
图6 检测数据
图7依次显示的是当真空阀PWMA电源工作频率设置在200 Hz，占空比从30%按10%的速率依次增长到90%，幅值设置为10 V时，真空阀流量随占空比变化的曲线、真空阀出气口压力随占空比变化曲线以及真空阀流量与真空阀出气口压力之间的关系曲线。该图中3条曲线是判断真空阀是否正常工作的重要依据。此外，还可以采集当设置占空比、幅值不变，频率在一定范围内任意变化情况时流量与压力的曲线。
图7 流量与压力曲线
另外，还可以通过大批量的测试数据拟合出流量和压力信号的包络曲线（该包络曲线亦可人工设定），当检测曲线在此包络曲线内部时，即可自动判定产品合格（为保证现场采集到的曲线的直观性，该功能被设置在后台自动运行）。若采集数据超出此包络线，则系统自动停止数据采集，并报告产品不合格。由图7所示，当占空比从30%按10%的速率依次增长到90%过程中，所有的的数据都有被采集到，说明该产品所有的数据都在包络线以内，产品合格。
4 结 论
真空阀质量检测平台采用自行开发的PWAM电源模拟真空阀的工作电源，对于搭建整个检测系统起到了至关重要的作用。该系统与计算机结合，实现了高效、自动化、智能化的测试，从而大大降低工作人员的工作强度。该质量检测平台为我国车用真空阀质量检测和产品出口提供了一套智能测试平台。现今，这套设备已应用到工业实践中，为汽车真空阀的国产化和产品出口奠定了基础。
