專利名稱：柴油機氣缸工作狀態(tài)監(jiān)測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于內(nèi)燃機工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地講是一種柴油機氣缸工作 狀態(tài)監(jiān)測器。
背景技術(shù)：
柴油機是廣泛運用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域的動力設(shè)備。出于安全保障 和經(jīng)濟效益的考慮，及時準確和動態(tài)地掌握柴油機的運行狀態(tài)以及預(yù)測、 診斷存在的和潛在的故障，是技術(shù)管理的 一個重要內(nèi)容和追求的目標。
出于節(jié)能和環(huán)保的考慮，自上一世紀的九十年代末期，由MAN公司率先 進行智能發(fā)動機的研究，是柴油機最重要的技術(shù)領(lǐng)域。而柴油機氣缸工 作狀態(tài)信息，無論對于柴油機運行狀態(tài)的監(jiān)測和故障分析，或柴油機的 燃燒控制都是重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以直接通過CAN總線輸出柴油機氣缸工作 狀態(tài)，所采用的可編禾呈片上系統(tǒng)(SoPC: System on Programmable Chip) 技術(shù)可以降低了監(jiān)測器的體積成本的柴油機氣缸工作狀態(tài)監(jiān)測器。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的方法是通過傳感采集上止 點和瞬時轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過調(diào)理及AD轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，然后在可編程 片上系統(tǒng)中對其分析判斷，將得出的氣缸工作狀態(tài)通過CAN總線輸出。
整個系統(tǒng)構(gòu)建于可編程芯片(現(xiàn)場可編程門陣列)之上，系統(tǒng)采用 模塊化設(shè)計，系統(tǒng)的CPU模塊、AD控制器模塊、外圍通信接口、數(shù)字信 號處理模塊和存儲器控制模塊均采用IP核的方式，用Verilog硬件描述語言實現(xiàn)，然后在引入測試矢量的基礎(chǔ)上，通過仿真測試工具進行功能 和時序上的仿真，最后功能完善的形成IP核庫，在系統(tǒng)所有模塊的IP 核實現(xiàn)后，最后集成在一起就形成一個完整的柴油機狀態(tài)監(jiān)測的硬件裝置。
本發(fā)明還提供了 一種基于可編程片上系統(tǒng)的柴油機狀態(tài)監(jiān)測裝置，
它包括32位嵌入式CPU模塊、AD控制器模塊、外圍通信接口、數(shù)字信 號處理模塊和存儲器控制模塊，其中嵌入式CPU模塊控制AD釆樣模塊 實現(xiàn)AD采樣和轉(zhuǎn)換、CPU模塊控制外圍外圍通信接口實現(xiàn)與外界的雙向 通信、CPU模塊調(diào)度數(shù)字處理運算模塊實現(xiàn)主要處理運算，CPU模塊通過 存儲器控制模塊訪問系統(tǒng)存儲器。
上述32位嵌入式微控制器CPU模塊采用32位軟核微處理器IP核 克服基于通用PC機結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在體積功耗方面的缺陷，實現(xiàn)信 號采集、瞬時轉(zhuǎn)速的計算及處理、狀態(tài)輸出等功能。
上述AD控制器模塊控制AD轉(zhuǎn)換器工作，并以柴油機飛輪的旋轉(zhuǎn)信息 作為數(shù)據(jù)輸入，以柴油機工作周期為間隔的脈沖信號和CPU的控制信號 作為AD采集的觸發(fā)信號，實現(xiàn)模擬信號的分段連續(xù)采樣和轉(zhuǎn)換。
上述數(shù)字信號處理模塊釆用了 FIR濾波IP核，F(xiàn)FT運算IP核，實現(xiàn) 瞬時轉(zhuǎn)速的濾波和分析。
本發(fā)明僅僅通過上止點信號和瞬時轉(zhuǎn)速信號就得出了柴油機氣缸工 作狀態(tài)且通過CAN輸出，并在一塊可編程芯片上實現(xiàn)32位嵌入式處理器 IP核、AD控制器IP核和數(shù)字信號處理IP核、通訊接口 IP核，可以針 對不同型號，不同工況的柴油機靈活i4選取和配置不同功能的IP核。由 于本發(fā)明采用了以上技術(shù)方案，方便了柴油機的控制與診斷。本發(fā)明的優(yōu)越性在于
(1) 提出一種柴油機氣缸工作狀態(tài)監(jiān)測器。使得柴油機測控系統(tǒng)在 不增加傳感器和不增加數(shù)據(jù)接口的情況下，獲得不僅僅是單一的轉(zhuǎn)速信 號，而是得到每個氣缸的工作狀態(tài)。
(2) 提出一種可行的實現(xiàn)方式。基于可編程片上系統(tǒng)的柴油機狀態(tài)
監(jiān)測裝器的主要功能集成于一塊芯片之上，再輔以電源，AD轉(zhuǎn)換器等芯
片，制作成一小塊電路板之上，形成體積小重量輕的器件，方便在柴油 機上安裝同時價格低廉。
(3) 本發(fā)明使得柴油機測控系統(tǒng)可以從系統(tǒng)總線獲得氣缸工作狀態(tài)
的信息，因而其實時性得到-提高。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的微處理器IP核的結(jié)構(gòu)圖。 圖3為本發(fā)明的AD控制器IP核的結(jié)構(gòu)圖。 圖4為本發(fā)明的FIR的IP核的結(jié)構(gòu)圖。 圖5為本發(fā)明的FFT的IP核的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施實例對本發(fā)明作出進一步詳細的說明。 本發(fā)明在一塊可編程芯片上實現(xiàn)32位嵌入式處理器IP核、AD控制器 IP核和數(shù)字信號處理IP核、通訊接口 IP核。其工作過程是AD控制器 IP核在處理器的控制下，采集傳感器的信號，呆采集完畢足夠的原始數(shù)據(jù) 后，求取原始樣點的過零點的序列值，進而依據(jù)采樣率求出瞬時轉(zhuǎn)速序 列。處理器將瞬時轉(zhuǎn)速序列輸入到FIR濾波器中，經(jīng)過濾波去除高頻分量，然后，處理器對瞬時轉(zhuǎn)速進行特征分析，必要的情況下會調(diào)用FFT
處理核，處理器分析得到柴油機狀態(tài)后，通過接口模塊將結(jié)論輸出。
在圖1中，包括了 32位嵌入式處理器IP核、AD控制器IP核和數(shù)字 信號處理IP核、通訊接口 IP核?；诳删幊踢壿嬈骷目删幊唐舷?統(tǒng)為本裝置的核心。傳感器感知柴油機曲軸飛輪及凸輪軸的旋轉(zhuǎn)，感應(yīng) 的信號經(jīng)過調(diào)理電路產(chǎn)生上止點脈沖和飛輪旋轉(zhuǎn)模擬信號，飛輪旋轉(zhuǎn)模 擬信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化器成為數(shù)字量。上止點脈沖及飛輪旋轉(zhuǎn)數(shù)字量進入 SoPC系統(tǒng)，經(jīng)分析處理給出柴油機運行狀態(tài)。SoPC的各個IP核通過總 線連接在一起，嵌入式處理器為控制核心，負責(zé)協(xié)調(diào)各個IP核的運行。 AD控制器控制AD轉(zhuǎn)化器和AD數(shù)據(jù)的輸入，數(shù)字信號處理IP核負責(zé)數(shù)字 信號的處理，通訊接口 IP負責(zé)與外部設(shè)備交換信息。
在圖2中，實現(xiàn)的是32位的軟核微處理器，包括算術(shù)邏輯單元ALU、 浮點運算單元、程序緩存、數(shù)據(jù)緩存、程序控制器及地址產(chǎn)生器、中斷 控制器、總線控制器等核心單元和系統(tǒng)總線、UART通信、CAN通信、看 門狗、定時器計數(shù)器等接口模塊。其工作步驟如下
(1) 從存儲器讀取指令。
(2) 譯碼以鑒別它是哪類指令。
(3) 從寄存器中取出操作數(shù)。
(4) 將操作數(shù)組合。得到結(jié)果或者存儲器地址。
(5) 將結(jié)果寫回寄存器。
在圖3中，AD控制器IP核由分頻器、AD數(shù)據(jù)采集控制器、FIF0讀 寫控制器、FIFO和總線接口構(gòu)成?？偩€接口負責(zé)接收總線的控制命令并 分派到其他各個模塊，同時可以將其他模塊的狀態(tài)信息輸出到總線上。分頻器對系統(tǒng)主時鐘分頻以得到AD轉(zhuǎn)換器的工作時鐘。AD數(shù)據(jù)采集控制 器接收上止點脈沖信號和CPU的命令啟動數(shù)據(jù)采集。FIFO讀寫控制器收 到采集啟動的命令后，開始控制FIFO的讀寫，連續(xù)不間斷的將數(shù)據(jù)存入 FIFO。 FIFO的數(shù)據(jù)達到一定量后，CPU會讀取其中的數(shù)據(jù)，從而保證FIFO 不溢出，數(shù)據(jù)采集連續(xù)。
在圖4中，F(xiàn)IR濾波器IP核由總線接口、 FIR濾波控制器、雙口 RAM、 數(shù)據(jù)選擇器及乘加器級聯(lián)而成。通過總線接口加載數(shù)據(jù)到雙口 RAM,此時 雙口 RAM的輸入源是總線接口模塊，數(shù)據(jù)加載完畢后，啟動濾波器工作， 這時雙口 RAM的數(shù)據(jù)輸出通向濾波器運算單元，雙口 RAM的數(shù)據(jù)輸入來 自濾波器運算單元。FIR濾波控制器負責(zé)給出雙口 RAM的讀寫地址及選通 控制信號。待全部數(shù)據(jù)處理完畢，F(xiàn)IR濾波控制器告知總線模塊讀取數(shù)據(jù)。 濾波器的系數(shù)kn及濾波器的階數(shù)可以更改。
在圖5中，F(xiàn)FT處理IP核由總線接口， FFT運算控制器，兩塊RAM， 數(shù)據(jù)通道選擇器、蝶形運算單元和ROM因子表構(gòu)成。該FFT處理IP核采 用基2算法。通過總線接口將待變換的N點的復(fù)數(shù)序列加載到RAMI中， 加載完畢后設(shè)定FFT控制器工作參數(shù)，啟動FFT運算。FFT控制器首先是 從RAM1中讀取數(shù)據(jù)，同時從ROM中讀取相應(yīng)的因子到蝶形運算單元中， 若時鐘周期后將蝶形運算的結(jié)果存入RAM2中，如此循環(huán)，直到弟一級蝶 形運算完畢。然后，F(xiàn)FT控制器改變RAM1、 RAM2及蝶形運算單元的數(shù)據(jù) 通道連接。以RAM2的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，以RAMI作為元算結(jié)果存儲單元， 進行第二級蝶形運算。經(jīng)過log2N級的蝶形運算后，F(xiàn)FT運算完畢，總線 接口從存放最終結(jié)果的R細塊中取走運算結(jié)果。上述敘述給出了本發(fā)明的一個具體實施例，其IP核功能的選取和實 現(xiàn)可以有多種方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)實際要求選擇合適的實現(xiàn) 方式。
本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn) 有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種柴油機氣缸工作狀態(tài)監(jiān)測器，采取的方法是通過傳感采集上止點和瞬時轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過調(diào)理及AD轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，然后在可編程片上系統(tǒng)中對其分析判斷，將得出的氣缸工作狀態(tài)通過CAN總線輸出。
2、 如權(quán)利要求1所述的柴油機氣缸工作狀態(tài)監(jiān)測器，其特征在于 整個系統(tǒng)構(gòu)建于可編程芯片之上，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)的CPU模 塊、AD控制器模塊、外圍通信接口、數(shù)字信號處理模塊和存儲器控制模 塊均采用IP核的方式，用Verilog硬件描述語言實現(xiàn)，然后在引入測試 矢量的基礎(chǔ)上，通過仿真測試工具進行功能和時序上的仿真，最后功能 完善的形成IP核庫，在系統(tǒng)所有模塊的IP核實現(xiàn)后，最后集成在一起 就形成一個完整的柴油機狀態(tài)監(jiān)測的硬件裝置。
3、如權(quán)利要求2所述的柴油機氣缸工作狀態(tài)監(jiān)測器，其特征在于 可編程芯片上包括32位嵌入式CPU模塊、AD控制器模塊、外圍通信接 口、數(shù)字信號處理模塊和存儲器控制模塊，其中嵌入式CPU模塊控制 AD采樣模塊實現(xiàn)AD采樣和轉(zhuǎn)換、CPU模塊控制外圍外圍通信接口實現(xiàn)與 外界的雙向通信、CPU模塊調(diào)度數(shù)字處理運算模塊實現(xiàn)主要處理運算，CPU 模塊通過存儲器控制模塊訪問系統(tǒng)存儲器。
4、 如權(quán)利要求3所述的柴油機氣缸工作狀態(tài)監(jiān)測器，其特征在于 32位嵌入式微控制器CPU模塊采用32位軟核微處理器IP核，實現(xiàn)信號 采集、瞬時轉(zhuǎn)速的計算及處理、狀態(tài)輸出等功能。
5、 如權(quán)利要求3所述的柴油機氣缸工作狀態(tài)監(jiān)測器，其特征在于 AD控制器模塊控制AD轉(zhuǎn)換器工作，并以柴油機飛輪的旋轉(zhuǎn)信息作為數(shù)據(jù)輸入，以柴油機工作周期為間隔的脈沖信號和CPU的控制信號作為AD采 集的觸發(fā)信號，實現(xiàn)模擬信號的分段連續(xù)采樣和轉(zhuǎn)換。
6、如權(quán)利要求3所述的柴油機氣缸工作狀態(tài)監(jiān)測器，其特征在于 數(shù)字信號處理模塊采用了 FIR濾波IP核，F(xiàn)FT運算IP核，實現(xiàn)瞬時轉(zhuǎn)速 的濾波和分析。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種柴油機氣缸工作狀態(tài)監(jiān)測器，其方法是通過傳感采集上止點和瞬時轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過調(diào)理及AD轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，然后在可編程片上系統(tǒng)中對其分析判斷，將得出的氣缸工作狀態(tài)通過CAN總線輸出。本發(fā)明整個系統(tǒng)構(gòu)建于可編程芯片之上，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)的模塊均采用IP核的方式，用Verilog硬件描述語言實現(xiàn)，然后在引入測試矢量的基礎(chǔ)上，通過仿真測試工具進行功能和時序上的仿真，最后功能完善的形成IP核庫，最后集成在一起就形成一個完整的硬件裝置。本發(fā)明僅僅通過上止點信號和瞬時轉(zhuǎn)速信號就得出了柴油機氣缸工作狀態(tài)且通過CAN輸出。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，方便了柴油機的控制與診斷。
文檔編號G01M15/05GK101315312SQ200810047200
公開日2008年12月3日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者余瑞鋒, 喻方平, 立 李, 金華標 申請人:武漢理工大學(xué)