多功能发动机转速模拟器设计

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)，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0～20 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：
 

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Q；C。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AD*。AD*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AD*产生的O～20 mA电流，转换成O～2．O V的模拟电压信号后，连接到MAXl44的CH0和CHl端口。由于模拟信号电压范围为0～2．O V，因此可将MAXl44的参考基准电压设置为2．048 V，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2 KB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T0、T1、TMOD，接着对T0、T1、EXl开中断。喂狗语句放在循环查