【发动机燃烧与性能一体化测控系统探究12000字（论文）】

发动机燃烧与性能一体化测控系统研究摘要发动机部件和燃油燃烧特性的研究离不开相应的试验装置，而测试系统是保证试验成功的关键，其中，人机交互界面友好、容错性和可靠性高的测控软件起着重要的作用。本文针对活塞环组摩擦力测量和定容燃烧弹试验的基本要求，搭建或开发测控系统的硬件系统，并基于LabVIEW开发环境设计相应的测控软件，研究内容具有重要的现实意义和实用价值。主要研究内容包括：采用上、下位机协调工作方式，基于MC9S12XET100微控制器，设计控制器硬件和相应的嵌入式系统软件，实现点火与时序控制、高速摄像机触发控制、燃烧弹内压力采集、离子电流信号采集和火焰图像采集等功能。同时，人机界面交互软件具备参数设置、数据通信、试验状态显示、被测量数字和图形显示、数据存储与动态回放、故障报警显示等功能。为验证本课题设计的定容燃烧弹测控系统的可靠性，在实验室对其进行模拟试验。试验结果表明，定容燃烧弹测控系统系统均达到了预期的设计效果。关键词：测控系统；LabVIEW；定容燃烧弹目录TOC\o"1-3"\h\u189151前言 179582发动机燃烧与性能一体化测控系统分析 351782.1测控系统功能分析 3240762.1.1点火功能分析 3119122.1.2时序控制功能分析 3302482.2定容燃烧弹系统 4274542.2.1定容燃烧弹弹体 46562.2.2混合气配给系统 524432.2.3点火系统 5152832.2.4纹影光学系统 615702.2.5温控加热系统 685872.2.6数据采集与电控系统 7181413发动机燃烧与性能一体化测控系统设计 8310233.1控制器硬件电路设计 883393.1.1硬件电路总体结构 8163303.1.2控制器核心电路 8288423.1.3电源模块设计 916473.1.4通信模块设计 1041333.1.5点火驱动电路 1013773.1.6印制电路板与抗干扰设计 10215713.2控制器软件设计 11273373.2.1点火程序设计 11125193.2.2底层驱动软件设计 11184164试验验证 14295324.1硬件电路调试 14229024.2点火功能调试试验 14585总结 152596参考文献 161前言经过100多年的发展，活塞式内燃发动机(以下简称为发动机)广泛应用于工业、农业、电力、国防等各个领域，是当今世界用量最大、用途最广的重要热能动力机械，在国民经济、国防建设和人们生活中发挥着重要作用。发动机缸内工作过程如进气流动、喷雾、混合气形成和燃烧，是一个复杂多变的物理、化学过程，其完善程度直接决定了发动机的动力与经济指标、零部件的热负荷与机械负荷、使用寿命与可靠性，是发动机研发的核心环节。现代发动机是先进技术的集合体，其研发不仅需要大量的经验积累，而且非常需要前沿基础研究的引导。由于国际竞争激烈，民族品牌必须依靠自己的力量，在发动机研发领域实现自主创新，必须重视和大力开展基础研究工作，用理论来指导实际研发工作，以优化组织燃烧过程为正向研发的主体框架，全面提高我国发动机的性能。当前，我国在发动机燃烧领域的基础研究依然比较薄弱，理论研究与世界先进水平有较大的差距，主要表现在缺乏具有引领性的先进燃烧概念和模型，发动机台架试验研究和基础理论研究脱节较为明显，相互支撑不足。在发动机研究工作中如要获得有应用前景的实用技术，就必须进行深入基础理论研究和创新性探索，加深对发动机缸内现象的理解和认识，这一切都依赖于整个工作过程的实时观测与诊断。光学诊断技术具有不干扰被测对象、测试精度高、时间响应快、结果直观形象等特点，尤其近年来随着以激光和CCD(ChargeCoupledDevice，电荷稠合器件)为代表的现代光学技术的发展，光学诊断已经成为发动机测试中的重要手段。欧洲、美国、日本等都已经全面系统地开展缸内可视化研究，大量应用以二维激光片光诊断为代表的激光测试，并进一步探索三维、高速光学诊断技术。随着计算机技术的发展，数值模拟与仿真技术在发动机研发过程中愈显重要，其中边界条件的确立和数学模型的标定，都离不开光学诊断试验数据的支持。目前国际上知名高校和发动机公司普遍采用发动机台架试验、数值模拟和可视化诊断三者相结合的方法进行相关研究。可见利用光学诊断技术，既可以深化对发动机缸内工作过程的认识，又可以为数值模拟的结果提供试验验证，对基础理论研究和实际生产研发都具有重要价值。近年来我国在发动机光学诊断技术上取得了很大进展，但和国际先进水平还有较大的差距，试验平台和激光测试技术的创新研发和应用水平有待进一步提高。为此本文对开展发动机光学诊断所需要的主要试验平台和常用光学测试技术进行综述，详细讨论相关基本原理、技术细节和特点，介绍一些应用实例，并进行总结与展望。2发动机燃烧与性能一体化测控系统分析2.1测控系统功能分析定容燃烧弹测控系统可以对常规燃料、代用燃料等的燃烧过程进行研究分析，可分析燃烧过程的物理变化历程，而且具有扩展配备光谱分析等仪器进行燃烧产物分析研究的功能。同时燃烧弹系统具有良好的燃料燃烧边界条件调控能力，动作过程与数据采集过程协调可控。定容燃烧弹用于多种理论研究与实际应用，是一种发动机喷雾燃烧试验研究装置。燃烧弹弹体部分应具有一定的强度性、安全性、各测试传感器安装的合理空间，同时要有进气系统、排气系统、点火系统以及相关的接口。具备混合气配给系统、加热温控系统和点火系统，实现不同当量燃空比、不同初始压力、不同初始温度、不同残余废气系数的混合气点火后燃烧。另外，定容燃烧弹测控系统配备相应燃烧的测量系统，对混合气燃烧过程进行测量记录以达到预期目标。2.1.1点火功能分析点火系统是将燃料混合气引燃的的系统装置并且需要将点火能量作为一个边界条件实现控制。点火系统的功能就是在进行定容燃烧弹实验时点燃燃烧弹内的混合气。点火装置的点火能量应实现可调节并保证试验时点火的可靠性。点火系统将外加点火能量加给很小一部分反应物，使其温度升高至足以产生连续的火焰传播。点火控制单元最基本的功能就是提供足够大的点火能量以实现燃气的点火。此外，由于定容燃烧弹不能像发动机一样实现循环连续燃烧，而只能进行单次点火燃烧试验，因此，为了能够准确采集燃烧压力等数据，点火动作必须在某一个特定的时刻完成。其次，为了防止点火电流过大导致点火线圈烧坏，需要就反馈电路对初级线圈点火电流进行监测，如果初级线圈电流超过一定值时，便应立即停止对线圈的充电。综上分析，点火控制单元应能够精确控制点火能量、点火时刻以及监测点火电流。点火控制单元的组成包括电子控制单元、点火驱动电路、初级线圈点火能量检测电路、点火线圈、点火电极和蓄电池组成。2.1.2时序控制功能分析根据实验条件的要求，除了发出点火信号实施点火外，还要使高速摄像开启触发和开始采集燃烧压力，这一系列动作都应该在一定的条件下，按一定的时间顺序来完成，故称之为时序控制。定容燃烧弹内混合气的燃烧过程是在一瞬间完成的，所以对燃烧压力的记录和高速摄影机开始拍摄的时间节点有严格巧要求，必须在点火发生前的一瞬间同步触发数据采集卡的工作和高速摄影机的拍摄。为实现燃烧试验数据如压力数据、温度数据、火焰图像的有效采集与记录，在整个时序控制过程中，图像采集时刻应该排在时序的最前，以保证采集到完整过程的火焰燃烧照片，之后排温度和压力采集时刻的时间，最后为点火时刻，这样的时序控制就能保证正常燃烧和记录燃烧整个过程的温度和压力变化。2.2定容燃烧弹系统定容燃烧弹系统主要由6个基本单元组成：燃烧弹、混合气配给系统、点火系统、光学纹影系统、数据采集与控制系统、加热温控系统等。总体结构如图2.1所示。2.2.1定容燃烧弹弹体定容燃烧弹其实就是一个强度很大的开有石英玻璃观察窗口的“铁盒子”，它没有压缩过程，但可以得到更大更清晰的可视化视场。作为燃烧过程模拟试验分析的中心体，承受着燃烧的高压、高温负荷，在其弹体上设置有点火电极、相关测试参数的传感器和仪表、连接管路系统等。本文定容燃烧弹的结构简图如图所示，燃烧弹直径100mm，长度240mm，容积为1.884L。定容弹在圆柱腔体的两侧安装直径为180mm，厚为48mm的JGSl石英玻璃作为观测窗。在容弹的中心位置上安装有一对点火电极，在电极的两侧分别安装有进气阀和热电偶温度传感器，压力传感器和排气阀则安装在定容弹的顶部。2.2.2混合气配给系统混合气配给系统预先在定容弹内充入可燃烧稀混合气，然后通过点燃放热，使燃烧室升温升压，以模拟喷雾时气体环境条件。该方案要预先向燃烧室内按一定比例充入可燃气体、氧气、氮气以构成可燃混合气，本文试验时选用甲烷作为气体燃料。氧气作为燃烧的氧化剂，氮气作为惰性气体配置合适的密度。配气系统的设计在满足实验要求的前提下以结构简单为特点，这样一方面可以减小进气的阻力和密封方面的压力，另一方面可以提高进气过程中配气的精度。本文设计的配气系统由三个高压气瓶（甲烷、氮气、氧气）、五个手动阀、三个压力表、三个电磁阀、一个真空泵组成。试验前各阀均处于关闭状态，打开弹体阀S5和真空阀S7，打开真空泵，将定容弹内抽真空，本文选用真空泵可将燃烧弹内气体压力抽至40kPa，满足实验要求；抽真空后，关闭真空阀S7，打开截止阀S4，依次配合开闭配气手动阀S1~S3，电控开闭配气电磁阀V1~V3，向燃烧室内充入乙炔、氮气和氧气；充气结束关闭所有手动阀，进行后续的点火、喷雾燃烧试验。2.2.3点火系统点火系统由电源、点火线圈以及火花塞组成。本文选用的是DELPHI的笔式点火线圈，该种线圈的初级线圈驱动电路集成在点火线圈中，这样其控制端只需要施加一个小电流的5V方波脉冲信号即可控制点火。选用的火花塞型号为BOSCHFR7NPP332铱金电极火花塞，火花塞尖端间隙为1mm。采用12V蓄电池作为点火线圈的电源，电源正极接在初、次级线圈公共端，负极连接点火线圈的接地端；初级线圈电路中集成有初级线圈驱动，其核心部件为功率电晶体，5V脉冲信号接在笔式点火线圈的控制端，用于驱动功率管控制初级线圈电路的联通与断开；当点火脉冲信号从低电平跳跃至高电平时，初级线圈接通，线圈中电流增大，开始蓄能，当脉冲信号从高电平跳跃至低电平时，初级线圈断开，电感中的能量释放，由于次级线圈扎数远大于初级线圈，使得次级线圈两端产生瞬间高压，连接在次级线圈另一端的火花塞尖端与接地端存在巨大电位差，释放的能量能够击穿火花塞尖端电极与接地端间的气体，就能产生电火花点燃混合气。2.2.4纹影光学系统在火焰的可视化方法中，阴影法所拍得的照片反映的是视场内密度二阶导数的变化情况，得到的火焰照片其火焰前封面并不是很清晰，因而在燃烧研究中较少采用。纹影法所得到的照片是反映所拍摄视场内密度梯度的变化情况，而恰好火焰在前封面上密度的变化率最大，因此采用纹影法能够得到清晰的火焰前封面。全息干涉法必须用激光作为光源，利用激光单一波长的性质才能获得全息效果，相对来说，试验设备较为昂贵，并且图像的再现及其后处理非常复杂，因此，虽然，全息干涉法能够获得所研究的三维空间的密度变化情况，但是在实际应用上还有一定困难。因此本文采用纹影法来研究容弹内的燃烧火焰。纹影法是通过观测不均匀透明介质内部折射率变化，并把它转换成平面上照度变化，从而确定透明介质内部密度梯度变化情况，因而采用纹影法能够得到燃烧弹内密度梯度的变化情况，而火焰在前锋面上密度的变化率最大，因此采用纹影法能够得到清晰的火焰前锋面。光学纹影系统由氙灯光源、透镜组件、凹面反射镜、纹影仪和高速摄像机组成，通过高速摄像机拍摄预混合气燃烧及燃油喷射和燃烧过程的纹影图片，记录火核形成和发展的历程，分析气体燃烧火焰传播过程。氙光灯发出的光经狭缝调理为亮度可调的点光源，经凹面镜转换为平行光源，平行光束通过高透光性的石英玻璃进入定容弹燃烧室内，燃烧室内气体和喷雾场在存在密度梯度的情况下，会对光束产生折射，产生纹影效果，经定容弹另一端的凹面镜、平面镜的反射后在刀口处成像被高速摄像机记录，然后将摄像机拍到的纹影图像上传到计算机，进行处理，可以得到所需要的燃烧场的信息。通过分析处理火焰图像照片，能够获取燃烧过程详尽而又丰富的时空信息。2.2.5温控加热系统由于可燃气体燃烧，会有水蒸气生成，为了防止水蒸气在石英玻璃上凝结，需要解热弹体，使温度高于对应水蒸气分压的露点。另外，为了尽量模拟发动机在压缩冲程接近终了时的燃气温度，对比研究不同初始温度下燃料燃烧过程，需要对燃气进行预加热，温控加热系统不可或缺。温控加热系统由加热器、温控仪、继电器、温度传感器组成。温度传感器用来检测定容燃烧弹内的温度并将温度信号传送给温控仪，温控仪实现温度的显示与控制继电器、进而决定加热器是否执行加热。温度传感器采用了K型热电偶。温控仪选择了XMT2001数字显示温度调节器。通过温控仪设置预吸合值和释放值，当温度传感器采集到的弹体温度测量值小于等于吸合值时，继电器吸合，加热器电源接通，开始加热；当测量值大于等于释放值时，继电器释放，加热器电源断开，停止加热，使得弹体温度控制在一定范围之内。设置的吸合值应小于释放值，其之间的区域构成回程不动作区。回程不动作区将直接影响继电器的动作频率程度，该区越小，继电器动作越频繁，将有利于提高控制精度，但不利于设备使用寿命。通常，在满足使用要求的前提下，回程不动作区应尽可能大。2.2.6数据采集与电控系统数据采集及控制系统由计算机、传感器、控制器、采集卡、执行元件等组成，其作用是控制配气、点火、拍摄，并将压力、温度传感器的信号以及离子电流信号高速采集、输入计算机。本文采用NIUSB-6251M数据采集卡进行数据采集以及触发信号输出，采用飞思卡尔MC9S12XEP100单片机作为控制电路板的主芯片。本文所选用的燃烧室压力传感器是KISTLER生产的发动机测试专用6052C高温压力传感器。该传感器量程为0~250bar，灵敏度为-20pC/bar，采集频率可以达到160kHz，环境温度对传感器灵敏度影响小，在150~250℃范围内灵敏度误差不超过0.5%，热冲击测量误差不超过2%。由于压电式压力传感器输出的是电荷信号，不能直接被数据采集卡识别，电荷放大器将压电传感器输出的电荷信号转化为电压信号，是缸压测量中不可或缺的二次仪器。本文选用KISTLER的5018A电荷放大器对压力传感器输出的信号进行处理、放大，转换为可以被数据采集卡直接识别的0~10V电压信号，设置电荷放大器的输入特性为-20pC/bar，输出特性为25bar/V，再在计算机控制程序里面将采集卡采集到的电压信号转换为压力信号即可得到燃烧室的压力值。试验时所设采集卡采样频率为100kHz。3发动机燃烧与性能一体化测控系统设计3.1控制器硬件电路设计3.1.1硬件电路总体结构前台控制器基于Freescale16位单片机开发，由核心电路、电源电路、点火驱动电路、串口通信电路等组成。控制器采用飞思卡尔的16位单片机MC9S12XEP100，电源模块采用LM2576T-ADJ稳压器产生稳定的5V电压，给控制器供电；单片机通过SCI串行接口接收来自工控机的指令，并通过单片机引脚电平输出驱动执行器，控制点火时刻与充电时长。3.1.2控制器核心电路考虑到实验室工作环境较为恶劣，存在电力测功机与发动机起动机等多种大功率电气设备，电磁干扰较多，本文选用飞思卡尔公司提供的工业级控制芯片，其产品有以下优越性：（1）购买方便。飞思卡尔公司在中国有多个代理商，可直接购买芯片。（2）应用性较强。采用复用引脚技术，在单片机引脚数减少的情况下，功能不缩减。同一款芯片具有的不同引脚封装和外围接口，可以满足不同使用者的不同要求。（3）飞思卡尔公司提供广泛的技术支持，减少了设计电路的阻力。16位单片机MC9S12XEP100具有良好的电磁兼容性和高效的代码执行效率，工作频率是50MHz，工作电压为3.3~5.5.V，总线频率最高可达40MHz，具有很强的中断处理功能。外部有80、112、144、208四种引脚，前三种引脚采用LQFP进行封装，208引脚采用PBGA进行封装。该单片机的片上资源丰富，存储器资源包括48KB的RAM，1MB的FLASH和4KB的EEPROM；集成的功能模块有A/D转换模块、SPI与SCI通信模块、定时器模块、PWM模块等。此外，还有一个并行处理的外围协处理器XGATE，可以用于执行中断服务程序和进行数据的计算和转移，降低主处理器的负荷。在功能上，这种单片机能够满足前台控制器的设计要求。尽管单片机中集成了CPU、RAM、ROM、I/O驱动，但是仍然需要外围电路的支持。这些电路主要包括供电电路、BDM接口电路、时钟电路和几个电容器件，用于为单片机系统提供电源、I/O驱动和时钟信号等。在主芯片的接地端和电源端都应外接一个去耦电容，可以减小高频噪声信号对系统内部的干扰。虽然单片机内部集成了时钟电路，但是由于内部的时钟频率比较低，存在电磁干扰现象，所以主芯片采用外部时钟模块提供时钟信号。BDM接口用于向单片机烧录程序以及对单片机进行调试。3.1.3电源模块设计系统选用线性调压器LM2576稳压控制器为主控芯片和数字信号处理电路供电，采用开关型电压调节器MAX675作为模拟信号处理电路以及主控单元电压参考标准。LM2576可靠性较高，具有较强的输出电流驱动能力，为整个系统稳定工作提供了强有力的保证，MAX675芯片控制精度较高，适用于需要功率不够但精度较高的系统。测控单元的电源部分包含三类：(1)为主控制芯片和通信模块供电的5V电源(2)为A/D转换模块和参考电源供电的高精度5V(3)12V系统总电源。本系统采用外部汽车蓄电池作为供电电源。12V电源适配器作为常用的电压转换器具有体积小、效率高、使用方便的特点。因此选为本系统的供电单元。但由于其电压纹波较大，电压波动较大，在使用中需要在电源输入端并联大容量电容的滤波电路进行滤波处理。出于实用性和成本的考虑，选用LM25765.0V稳压器为主控芯片和数字通信模块提供电源。这两个模块均为数字电路，对电流内的纹波和杂质抗干扰能力较强，信号的传输不会受到影响。LM2576型号的稳压器能提供最大3A的负载电流，且具有优异的负载输出能力和电压线性调节能力。LM2576稳压器对纹波的处理不充分，电路内的杂质较多会对模拟信号造成干扰。由于本系统内需要采集的模拟信号较多且对采集精度需求较高，因此选用MAX675高精度稳压芯片为A/D转换提供电源。MAX675是一款高精度的稳压芯片，可以将12V直流电压转为直流5V输出，电压精度范围为±0.15%，模拟信号电路所需的功率较低，采用此芯片为模拟电路供电，与数字信号电路分离，可以去除电路中的波纹，提高模拟信号精度，有效防止数字电路的高频噪声对模拟信号传输的干扰。在印制电路板设计中，将数字地与模拟地分开布置，并通过0欧电阻相连通。这样可以有效吸收数字信号电路中累积的电荷，避免数字电路和模拟电路之间的相互干扰。3.1.4通信模块设计RS232串口通信接口电路结构较为简单，可靠性较高，在工业控制中有广泛应用。因此电子控制单元选用串行通信方式上位机的通信。MC9S12XEP100微控制芯片内部集成有两个全双工串行通讯模块，称为SCI模块。由于SCI模块引脚为CMOS电平，而电液比例阀内部为RS232电平，因此设计转换电路进行电平间的转换，如图3．9所示。在电路中选择的转换芯片为MAX232，MAX232采用5V电源供电，包含两路转换通道，能够同时对主控芯片的两路串行接口SCI0、SCll进行转换，保证转换速度。为了避免通信信号与主控芯片之间的相互干扰，在串口通信电路与主控芯片最小系统间加入光耦隔离。3.1.5点火驱动电路本装置选择大功率MOS管（场效应管）作为开关元件来控制初级线圈的通断。MOS管的开关状态是通过电压控制的，只需很低的电压即可达到饱和状态。该驱动电路利用电压控制MOS管的开闭来控制点火线圈中初级线圈的通断。本设计所选主驱动电路功率场效应管型号为IRF540，该芯片最高允许漏源电压为100V，允许最高持续电流漏极电流为28A，最高脉冲电流110A，最高驱动功率为150W，导通状态漏源电阻小（0.077欧姆），反应频率高，电压升高率为5.5V/ns，满足设计需求。IRF540的输出特性表示出当驱动电压为5V时，最高漏极电流为14A左右。在单片机接收到PC机发出的信号后发出一个具有一定宽度的低电平信号，低电平使光耦内二极管导通，三极管也导通，从而B点变为高电平，于是MOS管T导通，此时点火线圈的初级线圈进入充电状态。在低电平信号结束时，光耦不导通，B点变为低电平，MOS管也关闭，点火线圈断电，在断电的瞬间次级线圈电压迅速升高，从而使点火电极发火。3.1.6印制电路板与抗干扰设计正确的PCB放置和模板设计对于确保表面贴装的高质量以及已安装封装的电气和机械性能至关重要。如果PCB设计不合理，极易导致电路工作稳定性差、发热量大、干扰严重，甚至会导致硬件电路无法正常工作。本文在电路板设计过程中依据布局和布线的原则来考虑：（1）布局：采取模块化设计将电子元件按照原理图进行放置以便于信号流通和调试，同时将电源模块以及升压电路等干扰较大的电路布置在电路板边缘，以减小对其它电路的干扰；对于晶振电路、去耦和滤波电容等要求尽量靠近相应引脚的部分按照要求放置，并对晶振电路进行覆铜处理以减小干扰。（2）布线：布线所遵循的原则是要根据电流大小选择合适的线宽和线间距；对于喷油器电磁阀驱动电路等电流很大的电路不但要设计足够大的线宽并应尽量缩短其长度；数字采集卡输出的控制信号应尽量远离MOS管等干扰较大的元件和电路。相邻两层之间尽可能避免出现平行导线。本设计采用双面板设计，板厚1.6mm，设计铜箔最小线宽为15mil（0.38mm），电源电路和主电路最小线宽为40mil（1.02mm），铜箔间最小间距12mil（0.30mm），最小焊盘直径60mil（1.52mm），电路板两面敷铜接地处理。完成对印制电路板设计，并完成元器件的焊接。3.2控制器软件设计3.2.1点火程序设计本文采用模块化的结构设计方法，设定MC9S12XEP100中各寄存器状态，激活单片机中的相应功能模块，控制ECU在不进行点火时，能够持续输出高电平信号，当计算机向ECU发出点火信号后，软件控制逻辑使能ECU接收该点火信号并进行判断，判断通过后，将该信号返回给计算机，同时输出一个一定脉宽的低电平信号，脉宽大小可由软件程序控制。3.2.2底层驱动软件设计底层软件主要有时钟模块、I/O模块、增强型捕捉定时器模块、串口通讯模块组成。对主控芯片系统进行初始化设置，以便于应用层软件点火程序的执行。（1）时钟模块单片机系统许多模块如串口、A/D、定时器等都需要时钟信号，该时钟信号由主控芯片使用外部8MHz晶振提供。为了提高系统时钟频率，使用锁相环PLL将系统时钟倍频，提高运行速度。MC9S12XEP100使用间接频率合成技术，利用锁相环PLL产生大量高稳定、高精度的频率源。PLL倍频设置分为以下几个步骤：首先关闭系统中断，将CRG始终选择寄存器第7位置0，选择OSCCLK为系统时钟源，此时内部总线频率为OSCCLK/2。然后将PLLCTL_PLLON置0，关闭PLL功能并配置CRG合成器寄存器SYNR和CRG参考分频寄存器REFDV。然后置位PLLCTL_PLLON开启PLL。最后通过判断CRGFLG_LOCK是否为1确定PLL稳定与否，只有当PLL稳定时才可将锁相环时钟源作为系统时钟源。（2）I/O模块主芯片的I/O接口包括PORTA，PORTB，PORTE，PORTK等共91根I/O引脚，A口、B口、E口和K口属于复用扩展总线接口，当系统设置芯片工作在单片模式时，上述接口以通用I/O模式工作。其余I/O口属于端口集成模块，与片内其他功能模块引脚复用。GPIO主要功能有输入输出、驱动能力、内部上拉/下拉电阻，中断输入等。在众多GPIO寄存器中，主要使用方向寄存器DDRx和I/O寄存器PORTx，前者配置GPIO输入输出功能，后者配置GPIO输出高低电平。本系统中主要使用I/O接口来驱动点火线圈和高速摄像机，其次进行开闭电路状态的检测。因此通用I/O模块使用三个子程序GPIO_Init()；GPIO_Set()；GPIO_State()；用于监测的I/O在GPIO_Init()初始化程序中DDRx寄存器置0，用于驱动的则置1。GPIO_Set()和GPIO_State()分别实现I/O驱动和I/O监测，调用这两个程序前必须先进行GPIO_Init()通I/O初始化操作。（3）ECT模块内部带有专用16位可编程定时/计数器ECT，可实现和MCU并行工作避免占用MCU工作时间。ECT由1个16位自由运行计数器、8个16位输入捕捉/输出比较通道、2个脉冲累加器和1个16位模数递减计数器组成。本测控平台利用ECT模数递减计数器MDC产生定时信号控制不同火花塞的点火间隔和每个充电时长。ECT配置流程为：置位MCCTL_MODMC将MDC设置为循环工作模式，修改MCPR0和MCPR1改变预分频系数，允许MDC向下溢出中断，为MCCNT赋值设置两中断间时长，打开计数器MDC开始工作。连续工作模式下，计数值减到0x0000后自动从加载寄存器加载定时常数，并开始新一轮递减计数。当中断允许位MCZI=1时MDC减到0将触发中断，该中断进行标志位置位操作。MDC每隔5ms进入一次中断函数，Timer在中断里进行自加1操作并判断其值。当Timer没有达到设定值则不进行任何操作，当值等于设定值时表明分别达到了规定的时间间隔，此时进入相应操作，同时清除Timer计数值，重新计数。（4）SCI通讯模块下位机和上位机通过SCI串口进行通讯，数据按位传输。本系统使用一个SCI模块，设置SCI工作在单线模式，波特率为9600bit/s，8位数据位，1位停止位，1位起始位，采用奇校验模式。同时开启SCI接收中断，置位接收器满中断使能位。此时便可在串口中断函数interruptvoidSCI0_Isr(void)中读取数据。依据通信协议，下位机需要开辟5个字节空间存取数据，由于C语言中数组占用连续的一段存储空间，因此使用数组Recieve作为容器，方便数据的解析。测控系统串口接收到的数据用于控制下位机执行点火和触发摄像，作用于整个main函数，所以数组变量需为全局变量，直到退出程序才可释放内存空间。为避免串口接收出现硬软件故障导致数据无法正常接收，在SCI接收子程序中添加故障判断程序：当SCI能在100ms内接收到8位数据则跳出中断，否则判定故障发送故障码。（5）中断控制对于简单的串口接收，尤其数据量小的时候，可以直接进行接收数据处理，而对于复杂的串口接收，可使用直接在中断中预处理成帧后，置位数据处理标志位DataHandle_Flag，在大循环中进行数据解析。本程序中使用RS-232接收信息，每次接收到的数据都是8位二进制信息，使用数组存放帧数据。帧数据包含了对象标识位，对象数据段，帧校验段，当校验段不匹配时，上位机将屏蔽本次报文数据并向下位机发送请求命令，请求下位机重新发送报文。在进行中断函数编写时需要注意将变量声明为volatile，避免编译器优化代码，生成变量“副本”而未从原地址处取数。另外为了满足中断快速处理的要求需将中断函数放置在非分页区，因为非分页区使用直接寻址而非分页区使用RPAGE参与寻址，执行周期更长。4试验验证4.1硬件电路调试进行硬件电路板的调试工作。首先检查电路板的完整性，有无裂痕、短路、开路，镀锡是否完善，钻孔位置是否合理，并用万用表检测电源和地线是否短路和电阻值；然后按功能模块分开焊接元器件，从电源模块开始，每添加一个功能模块都需要通电利用万用表来测相关引脚电压，检查是否焊接牢靠，且能避免因设计和焊接问题导致元器件烧毁，便于准确发现故障。在印制电路板焊接完成后，将供电引脚接保险丝，并用可调稳压电源上电，设置好过流保护电流后缓慢增大稳压电源输出电压，监测电路板输入电压、输入电流和各相关引脚输出电压。在电压上调过程中，各引脚电压正常，且没出现过流保护，元器件异味、异响和温度异常现象，表示电路板可以正常使用。为保证PC机中设计编写的程序能正常烧录到单片机中，需要进行BDM接口调试。BDM接口是Freescale专用的调试接口，主要用于PC机和S12单片机的通信，实现在PC端对其进行在线调试和内部闪存的烧写等功能。BDM调试过程需要配合PC机上安装的CodeWarrior软件和BDM调试器USBDM。正确安装带有MC9S12XE系列微控制器驱动程序的CodeWarrior软件，对目标板进行供电，BDM工作后，打开软件调试界面，进行程序烧录、擦除闪存和断点调试。调试结果显示，程序烧录无异常，单片机可以正常工作。4.2点火功能调试试验设计的点火系统可以同时发出最多8路点火信号，并且实现选择不同火花塞进行点火、控制不同火花塞点火时刻之间的时间间隔、控制点火线圈的充电时间从而控制点火能量。点火信号的时序精确控制在毫秒范围内。以下截图为试验4路点火信号相对时序在示波器上的信号显示。图中从上到下分别对应的是通道1、通道2、通道3、通道4发出的点火信号脉冲。点火信号的下降沿是点火时刻的时间点。当不执行点火操作时，点火通道持续输低电平信号；当计算机指示某通道执行点火时，该通道输出指定脉宽的高电平信号，此时可以在点火电极间观察到电火花的产生。5总结发动机部件和燃油燃烧特性的研究离不开相应的试验装置，而测试系统是保证试验成功的关键，其中，人机交互界面友好、容错性和可靠性高的测控软件起着重要的作用。本文针对活塞环组摩擦力测量和定容燃烧弹试验的基本要求，分别搭建或开发测控系统的硬件系统，并基于LabVIEW开发环境设计相应的测控软件，研究内容具有重要的现实意义和实用价值。主要研究内容包括：采用上、下位机协调工作方式，基于MC9S12XET100微控制器，设计控制器硬件和相应的嵌入式系统软件，实现点火与时序控制、高速摄像机触发控制、燃烧弹内压力采集、离子电流信号采集和火焰图像采集等功能。同时，人机界面交互软件具备参数设置、数据通信、试验状态显示、被测量数字和图形显示、数据存储与动态回放、故障报警显示等功能。为验证本课题设计的定容燃烧弹测控系统的可靠性，在实验室对其进行模拟试验。试验结果表明，定容燃烧弹测控系统达到了预期的设计效果。参考文献[1]刘永长.内燃机原理[M].武汉华中科技大学出版社，2001.[2]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1999.[3]杨青，刘志春，夏宏，等。层流边界层的测量高温高压下E30-空气预混火焰的火焰速度和火焰不稳定性分析[J].燃料，2020年，259:116223.[4]何旭，，杨青，等.汽油代用燃料-氢气-空气预混火焰层流燃烧特性的研究[J].国际氢能杂志，2019，44(26):13910-13922.[5]姜YZ、徐HM、马x等层流燃烧2-MTHF与乙醇和异辛烷的特性比较[J]。燃料，2017，190:10-20。VERHELSTS，WOOLLEYR，LAWESM，等层流.[6]乙醇和废气再循环对先进内燃机燃料层流燃烧特性的影响(FACE-C)汽油及其代用品[J].能源和。燃料，2017,31(12):14104-14115.[7]高温高压下丙烷-氢气-空气混合物层流燃烧速度和马克斯坦长度的测量24[J]。国际氢能杂志，2008，33(23):7274-7285.[8]2-甲基-1-甲基苯酚层流火焰速度的测量和火焰不稳定性分析[25丁醇-空气混合物[J].燃料，2013，112:263-271.[9]李庆庆，胡鄂军，程艳，等.2-甲基-1-丁醇-空气混合物层流火焰速度的测量和火焰不稳定性分析[J].北京:中国科学出版社，200