吉林大学
硕 士 学 位 论 文
发动机试验台微机测控系统的研究与开发
The Research and Development on Microcomputer Measure & Control System
of the Engine Test-bed
作者姓名：穆春阳
专 业：机械电子工程
导师姓名
及 职 称：朱喜林 教授
论文起止年月： 2001年12月至2003 年 2
吉林大学硕士学位论文
提 要
本文对发动机试验台进行了研究，掌握了该设备的结构和原理，在此基础上设计开发了专用接口卡，在兼顾原设备的前提下，使用该卡实现了微型机取代原小型机的目的。对发动机排放试验法规、测试方法、仪器的原理进行了分析，为软件设计奠定了基础。
就发动机试验过程中两个需要控制的参数：转速和转矩，做了控制策略研究。在排放分析仪的标定处理方法上，提出了3点标定方法。本文还对如何在Windows98操作系统下采用VxD技术来处理硬件中断的方法，以及多线程编程技术做了研究。在此基础上，利用Visual C++ 6.0可视化开发工具设计了一个可以实现控制、数据采集及处理、屏幕显示以及安全监测功能的排放试验程序，并在实验室进行了模拟测试。
通过本课题的研究和探索，对国内同类设备的改造、升级以及自主开发微机控制的发动机测试设备具有很好的借鉴意义。
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目 录
第1章 绪论······································································································· 1 1.1课题来源及意义··························································································· 1 1.2发动机台架试验技术的发展及现状··························································· 2 1.3本论文的主要工作······················································································· 3 第2章 发动机试验台组成及原理分析··························································· 4 2.1 发动机试验台机械系统结构······································································ 4 2.2试验信号测量系统······················································································· 6 2.3发动机试验台计算机测控系统分析··························································· 8 2.3.1计算机测控系统原理概述········································································ 8 2.3.2计算机测控系统的物理连接关系···························································· 9 2.3.3各电路板之间的接口原理剖析································································13 2.3.4转接板的主要结构及功能········································································16 第3章 采集控制接口卡的设计与开发···························································18 3.1 接口卡总体方案设计··················································································18 3.1.1采集控制接口卡的功能分析····································································19 3.1.2接口卡总体方案的提出············································································21 3.2 接口卡设计方案的实现··············································································22 3.2.1微型机总线及其接口控制逻辑································································22 3.2.2译码电路及读写逻辑················································································26 3.2.3硬件中断发生电路····················································································29 3.2.4并行接口8255所属电路··········································································30 3.2.5 A/D转换器所属电路················································································32 3.2.6 D/A转换器所属电路················································································38 3.2.7接口卡上R-P I/O BUS总线·····································································40 第4章 排放试验系统及试验方法分析···························································42 4.1排放试验系统组成及原理···········································································42 4.1.1排放试验系统组成····················································································42 4.1.2排放试验系统原理····················································································43 4.1.2.1采样系统·································································································44 4.1.2.2气体分析仪原理·····················································································45
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4.2与排放分析仪有关的信号量······································································49 4.3 排放试验方法及数据处理·········································································53 4.3.1 车用汽油机排气污染物标准···································································53 4.2.2试验方法分析及数据处理········································································54 第5章 排放试验程序设计及测试···································································59 5.1 排放试验系统的控制策略研究··································································60 5.2 排放测量仪器的标定··················································································63 5.2.1原系统手工标定方法················································································63 5.2.2计算机自动标定方法研究与实现····························································64 5.3排放试验程序的设计···················································································65 5.3.1 Windows98下的硬件中断处理方法························································65 5.3.2多线程编程技术························································································67 5.3.3程序设计····································································································68 5.3.4程序测试及实验························································································70 第6章 结论·······································································································71 参考文献··············································································································73 致谢······················································································································76 摘要························································································································ⅰ
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第1章 绪 论
在这一章里将介绍课题的来源情况以及发动机试验技术的发展和国内外现状，明确本论文的研究目的和主要工作。
1.1课题来源及意义
本课题是一汽技术中心设备改造项目。 1985年，长春汽车研究所以110万美元从日本小野公司(Meidensha Electric Mfg. Co., Ltd.)引进一套发动机性能试验台。该试验台是一汽集团公司发动机性能试验必不可少的关键设备，十几年来，该设备在一汽集团公司的发动机设计和质量攻关中发挥了巨大的作用。
但是，由于使用已久，该设备已经进入了故障高发期。该试验台的计算机控制系统发生老化，已经丧失了原有的功能，目前已无法使用。另一方面，该试验台的机械系统部分，即使从目前来看，其综合性能在国内相关类型的发动机性能试验台中仍然是十分先进的。所以，试验台仍然具有很高的使用价值。现在，试验人员一直靠手工操纵，进行试验工作，这使该设备的性能、试验精度和使用效率受到了严重影响，同时也给试验员带来很大不便，增加了试验员的劳动强度。
电子和计算机技术的发展速度很快，该试验台所属计算机系统已经成为被淘汰的专用设备，原公司已经停止备件供应和维修服务，所以该计算机系统只能做报废处理。缺少了计算机的试验台系统，不能实时反映系统的工作状态，试验员也不好把握试验进程。
排放试验的所用设备为排放分析仪，与该试验台配套的排放分析仪（EXHAUST GAS ANALYZER）的数据输出，既可以通过计算机实现自动控制和数据采集及处理，由打印机输出试验结果，也可以通过与该仪器相连接的绘图仪实现输出。不同的是：打印机输出的数据已经由计算机处理完毕；而绘图仪只能输出数据曲线，试验员再对输出的曲线进行分析处理，得到所要的试验结果。显然，后一种方式对试验员来讲工作量大了许多。而现在，因计算机系统已经瘫痪，试验员只能依靠手工操纵进行试验，而且试验结果也只能由试验员根据绘图仪输出的曲线进行人工处理，这无疑会给试验结果引入人为因素引起的误差。更糟糕的是，现在绘图仪也因绘图笔管经常阻塞，甚至有几支绘图笔已经不能使用，时刻面临着报废的危险。如果绘图仪不能使用，整个发动机排放的试验数据将无从获取，此即意味着该发动机试验台
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将无法进行相关发动机的排放试验。绘图仪和计算机一样都是很旧的产品，已经失去了维修的必要和可能，必须采取措施，用现有技术予以代替。
通过本课题的研究工作，对这套设备的计算机测控系统进行分析和研究，以此开发出可以代替原来计算机系统的全新计算机系统，实现该试验台的计算机控制和数据采集、处理分析能力。这样做不但可以提高原来设备的工作效率，提高系统的精度，减轻试验员的劳动强度，而且为企业节约了大量的资金，同时也可以为国内同类设备的改造升级以及自主开发新型计算机控制的发动机测试设备积累经验和技术。
1.2发动机台架试验技术的发展及现状
在发动机的研究开发过程中，要想缩短研发周期，加快研发进度，减少人力、物力和财力的耗费，除了加大计算过程的投入以提高样机开发的准确性外，就是要对试验技术进行优化，提高试验水平。由于目前还不能提供大量精确的计算模型，因此，有效的试验技术在发动机的研发过程中显的尤为重要。而发动机试验技术是一项系统工程，没有设施完善、功能齐全的实验室和试验台架是无法完成发动机试验要求的。
自1876年Otto（奥托）测录的第一张发动机示功图起，发动机试验技术已经经历了120多年的发展历程，特别是上个世纪70年代以来，电子技术和计算机技术的应用，使发动机的试验技术得到了飞速的发展。在70年代中期，AVL公司开发了第一代全自动试验台架，尽管当时试验台架已能实现自动地测量、调节和监控，但仅能记录大约12个测试数据，几个计算值，打印机也只能按部就班地输出结果。
进入80年代末期，试验台架的测试系统的功能有了很大的发展，可以实时地获得大约150多个计算值，根据需要还可以进行实时的监控和图像显示，同时还可以提供更多的后处理功能。而且，试验台架的测量精度和测试安全性也大大地得到了提高。这个时期，国外一些发动机测试设备制造公司成功地开发了发动机高动态测试系统，它标志着发动机测试技术又取得了突破性进展。如德国申克公司的“DYNAS-DC”系列、奥地利AVL公司的“PUMA-ISAC”系列以及德国西门子的“CATS”系列，这些计算机控制的动态试验台架系统的各个组成部分具有很高的响应速度和很小的非线性误差，可以模拟汽车行驶时发动机所处的动态工况并对各种参数进行测量。尤其是在新车型的设计之初，不能提供整车进行试验研究的情况下作用更加明
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显。另外，它还可以代替转鼓试验台进行汽车传动系统的优化匹配试验，而且测量误差减小，费用降低，试验周期也大为缩短，对提高整车性能研究具有十分重要的意义。如今，计算机在发动机试验和开发中的应用已不仅仅局限于试验台架的自动化，而是试验系统的网络化。通过网络可实现试验数据的共享、处理和传送。
在我国，汽车工业还比较落后，试验手段还很陈旧。目前，能够自动完成发动机试验过程控制的系统尚不多见，试验过程基本上还是由试验人员手动操作，工作环境非常恶劣。传统的发动机测试方法用人力调整和稳定发动机的工况，靠人工观察记录各个被测参数，等一个工况测试完成以后，再切换到下一个工况，直到完成全部测试，最后由人工计算处理各种数据制成报表曲线。这种方法的测控精度低，而且劳动强度大，效率也不高。国内即使有能够自动完成发动机试验过程控制的类似系统，其可靠性也有待提高。试验技术和试验设备的落后，已成为严重制约我国汽车工业自主研究开发过程中的一大障碍。
1.3本论文的主要工作
本项目的预期目标是要通过对该设备进行系统地、深入地分析，突破该设备的关键技术，破译原系统的数据采集和过程控制机理，用高性能的微型计算机代替淘汰的主控小型计算机系统，设计开发采集控制接口卡，编写发
动机试验的控制、数据采集以及分析处理程序，在原系统的基础上开发出全新的发动机试验台计算机测控系统。图1—1列出了本项目要达到的预期目
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标，在硬件方面，计划使用较高性能的微型计算机来代替原系统中PDP—11主控小型机，为了能够将试验信号采入计算机中进行处理，需要自行设计开发专用接口卡电路板，其他硬件，如打印机、绘图仪、UPS、插件板等可以直接购买得到；在软件方面，需要编写发动机试验程序，其中包括排放试验程序、各种性能试验程序、可靠性试验程序以及发动机定型试验程序等。从以上分析可以看出，本项目的重点和难点主要集中在两点：即接口卡电路板的设计开发以及试验程序的设计。要开发出满足要求的接口卡，则必须对原系统的数据采集和过程控制电路进行深入的剖析，从而理解原系统各个接口信号的具体功能，全面掌握发动机试验系统的工作机理和控制流程，也只有在这个基础上才能进行软件设计。在软件设计时，由于各种试验程序所采用的编程技术具有许多共同之处，因而可以做到举一反三，这无疑将在一定程度上减轻编程工作量，降低工作难度。
本论文的主要工作是：开发专用的采集控制接口卡；对控制策略和软件技术进行研究，编写排放试验程序。
第2章 发动机试验台组成及原理分析
该发动机试验台从整体上可以分为：机械系统、信号测量系统和计算机测控系统。机械系统部分主要作用有两个，一是将被测发动机与试验台连接起来，二是为发动机提供反扭矩。信号测量系统主要包括传感器及相应的信号转换和调理电路等，主要用于将所需的物理量参数转换为电信号，以便进一步对其进行处理。计算机测控系统部分，一方面通过接口电路将由各种传感器所取出的电信号或数字信号转换成数据存储到计算机的磁盘里，并对数据进行处理和输出工作，另一方面起到对试验台试验过程的控制和监视作用，本章将主要对这个部分进行剖析研究。此外，发动机台架试验系统还包括手工操作面板、控制器、废气再循环（EGR）系统、电源系统以及报警装置等。
2.1 发动机试验台机械系统结构
机械系统部分是发动机试验台的重要组成部分，这里将对试验台机械系统部分的整体结构组成和基本原理进行分析。
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本发动机试验台机械部分采用整体测试台架结构，其结构示意图如图2—1所示，它主要由测功机、中间轴、联轴器、排烟装置、大底板等组成。
测功机通过中间轴和联轴器与发动机连接。排烟装置与发动机排气管相连，将发动机废气引至排放分析仪，供采样分析用。该发动机试验台可以做汽油机和柴油机的各种性能试验，它的排放分析仪只能做汽油机的排放试验。
在整个发动机试验台的的机械系统中，其主要设备是测功机。常用的测功机按其原理可分为水力测功机、电涡流测功机和电力测功机（又分为直流和交流）等几种。本试验台的测功机属于直流电力测功机，型号为FEB-DHC，额定功率为220KW。
直流电力测功机都采用复式激励的直流电机，其工作原理是：在台架试验过程中，测功机被发动机拖动转动时，电枢绕组切割定子绕组所产生的磁场的磁力线，在电枢绕组中产生感应电动势，当电枢回路中加上负载电阻时，便在回路中出现电流，在电磁力的作用下产生与转向相反的制动力矩（作发电机用）或转向相同的驱动力矩（作为电动机用），力矩与定子的磁场强度和电枢的电流成正比，即与磁场强度的平方成正比，与负载电阻成反比，通过可以自由摆动的定子进行力矩测量。发动机拖动测功机时，将机械能转化为电能，产生的电能可以输入电网或消耗于负载电阻中，可以通过改变定子磁场强度及负载电阻来调节负载大小。测功机作为电动机拖动发动机运转时，可测量摩擦功率。该测功机不但可用于发动机的稳态试验，而且还可以进行瞬态及高动态试验，能够进行倒拖试验，其吸收的能量可以转换成电能而并入电网，得以重新利用。
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2.2试验信号测量系统
在发动机试验过程中，试验分析所需的物理量都是通过各种测量仪器测量获得的。按测量物理量的不同可分为温度、压力、流量、位移、扭矩和转速等几种类型，现做简要介绍。
试验中，需要测量温度的部位比较多，包括气体、液体和固体温度的测量。对于气体温度来讲，发动机的进气温度、缸内燃气温度和排气温度等是对其工作效率进行评价的重要指标，必须对其进行测量。常用的测量方法有：用杆状水银或酒精温度计来测量进气温度、排气温度、大气温度等；采用光谱线反转法测定汽缸内燃气温度。对于液体温度测量来讲，可采用压力温度计或热电偶温度计来测量润滑油、冷却水等的温度。对于固体温度测量来讲，由于发动机工作温度很高，其组成零件热负荷很高，容易导致零件的热变形、产生裂纹甚至烧结，所以对于发动机的某些重要部位的温度必须进行测量，进而采取措施、进行监控，以便试验能够安全、顺利的完成，需要测量的部位主要有活塞、气缸盖、气缸套等零件，可采用的方法有易熔金属法、硬度塞法、示温涂料法和热电偶法等。
测量温度的仪器和传感器探头的安装应在不影响发动机正常工作的前提下进行，例如，在零件温度的测量时，应保证不影响零件的温度场分布和运动状态。测量时传感器的安装位置对于测量结果影响很大，使用时应遵循要领，以保证尽可能的测得真实值。
压力是反映发动机性能的重要参数之一。在发动机试验过程中，需要测量的压力有两大类：一类是稳态压力，它们随时间变化很慢或波动很小，比如大气压力、润滑油的压力、冷却水压力、节流装置中的压力差等；另一类是瞬变压力，它们随时间变化很快或波动幅度很大，比如气缸内的气体压力波、进排气压力波、高压燃油系统中的压力等。
发动机中需要测量的压力的差别很大，爆发压力通常在5000~12000kPa，燃油喷射压力一般为10000~50000kPa，而非增压发动机的进气压力经常是负压力。因此，对于不同的测量量就需要采用不同的测量方法和仪器。稳态压力常采用液柱式压力计和弹性压力计；瞬变压力常采用电测方法。液柱式压力计结构简单、使用方便、价格便宜，测量精度较高，可用来测量低压、负压或压差，其缺点是玻璃容易破碎，体积偏大，读数不方便，U型管压力计、斜管微压计、贝兹微压计和水银大气压力计属于此种压力计。弹性压力计常用的主要有远传式压力表及机械式最高压力表。电测压力是利用电子技术制
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作的测量仪器，把气缸压力、曲轴转角（或活塞位移）、油管压力、针阀升程等非电量，通过传感器按比例地转换成相应的电量，经过放大器放大后输入到记录显示装置进行观察，它能满足高速发动机瞬变量测量的要求。
要对发动机的经济性进行评价，就必须测量燃油消耗量和机油消耗量；若进行热平衡实验时，还需要测量机油、冷却水和空气的流量；为研究换气过程和燃烧室内混合气的形成，须测量气缸内气体和流场分布情况。
燃油流量的测量方法，按测量原理分为：容积法、质量法、流量计法等。机油消耗量的测量方法有直接测量和间接测量两类：直接测量，即准确地测量出某一段时间内流过流体的体积或重量的总量，再通过运算求得单位时间内的平均流量，常用的方法有容积法和质量法；间接测量是指通过测定与流速有函数关系的物理量的变化而得到流体流量的方法，目前常用的流量计多属于此种测量方法，如涡轮流量计等。冷却水流量的测量方法有称重法或容积法，它们属于精确测量方法，另外，当水量较大时也可使用水表测量。测量空气流量常采用标准孔板流量计、双纽线流量计和层流差压法等。
位移测量在发动机的参数测量中也经常出现，比如气门的开启和关闭、喷油嘴针阀的运动等。常用的位移测量传感器主要有：电感式测量传感器、电容式测量传感器和霍尔测量传感器。电感式测量传感器，又分为主动式和被动式两种，主动式传感器根据电动原理工作，产生与速度成比例的测量电压，这个电压根据要求借助于电路转换成与位移成比例的信号；被动式测量传感器提供交变的电压，根据这个电压获得与位移成比例的测量信号。电容式测量传感器是根据电容器的电容与其表面间的距离、有效面积和电介质之间的变化关系来确定位移的，其中以电容器表面距离的改变测量位移居多。霍尔测量传感器的测量原理为：当磁场的磁力线垂直于带形导体时，在薄的、带形导体上的载流子被挤到一侧，测量值与载流子落差相关，这个落差取决于磁场强度和流过导体的电流的大小，在测量位移时，影响导体的磁场强度通过磁场的靠近而改变，从而测得位移量。
发动机扭矩测量是通过测功机作为动力机的负载，吸收动力机的功率，通过称力机构测量所吸收的功率而得到的。使用扭矩仪可以将测功机扭矩信号输出来，常见的扭矩仪主要有：磁致伸缩式扭矩仪、钢弦式扭矩仪、相位差式扭矩仪、应变式扭矩仪等。
在发动机性能试验中，转速是一个十分重要的参数。在很多情况下，平均转速比瞬时转速更为重要。测量发动机转速的方法很多，按表达转速方法的不同，可分为模拟式和数字式两大类。模拟式转速表是利用与转速成比例
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的物理现象构成的，主要有离心转速表、定时转速表、发电机转速表、感应式转速表、电动式转速表等。数字式转速表是以一段时间内的总转数作为测量结果，它实质是一种测量平均转速的转数表，由测速传感器和数字式转速指示仪两个部分组成。常用的测速传感器主要有磁电式转速传感器、光电式转速传感器及霍尔传感器等。数字式转速表测量精度高，指示部分可直接进行数字显示。
2.3发动机试验台计算机测控系统分析
2.3.1计算机测控系统原理概述
整个发动机台架试验系统既可以由计算机自动控制，也可以在操作面板上对其直接控制。因而，在计算机系统出现故障后，试验人员仍然可以通过手工操作完成试验任务。控制系统原理框图如图2—2所示。在系统内部定义
了一条独特的总线，即R-PI/O BUS，它在整个系统中起到纽带的作用。系统的工作过程是这样的：各种传感器将待测非电量信号转化为电量信号（电流、
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电压等），这些电量信号经过信号调理电路后分成两路送出。其中的数字量信号（中断信号等）经过光电耦合隔离电路后，被送入与系统内部总线连接的接口板电路。其中的模拟量被送到多路开关（MUX）所在的电路板中，在多路开关通道控制信号的选择下，有一路模拟信号将被输出，再经过磁耦合隔离电路输出到程控放大器，再经采样保持电路后被送到A/D转换器中，转换成计算机可以识别的数字信号。主控计算机的总线通过PI/O CNTRL接口与R-PI/O BUS实现通讯，读取该信号。同时，通过计算机发出的控制命令，经内部总线和D/A转换器输出，经过放大器放大后，用来控制执行机构，调节试验发动机的参数，实现各种试验工况的转换。从而达到采集数据并控制和监视整个试验过程的目的。试验员也可以通过控制器和操作面板直接控制试验台，从显示仪表中读取数据和监视试验过程。
2.3.2计算机测控系统的物理连接关系
要开发出能够代替原主控小型机系统的微型机系统，就必须对原来的系统进行全面系统地剖析。由于该试验台的用户手册已经不全，加之系统非常
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复杂，所以给实际分析带来了很大困难，这里通过大量的现场测试工作，基本掌握了系统的信号连接关系。
试验台的计算机控制系统主要集中放置在三个控制柜中，它们的布置情况如图2—3所示。在1号柜 (NO.1 CABINET) 中，主要放置了原计算机的CPU单元以及为该单元供电的系统；磁盘主要放在2号柜中，由于该计算机属于80年代产品，所以其磁盘占用了很大空间；3号柜是最有价值的部分，主要包括各类信号线束及转接板，在转接板中包含有信号调理、隔离、A/D转换、R-PI/O BUS总线接口等，来自于传感器的各种电量信号都汇集于此。三个控制柜中都有地线及散热
风扇。另外，在1、3号柜中还设有报警单元。下面对3号柜的内部进行分析。
在3号柜中，与控制信号相关的主要有总线模块单元(BUS MODULE UNIT)、接口单元1(INTERFACE UNIT(1))、接口单元2(INTERFACE UNIT(2))
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和连接器2(CONNECTER UNIT 2)等4个部分。信号之间的物理连接关系如图2—4所示，来自于传感器的信号经调理电路与连接器2相连，连接器2是控制柜中所有信号的入口，这些信号包括模拟量输入、数字量输入以及中断信号等。连接器2由许多信号线束组成，它与接口单元1和2连接。接口单元1和2与总线模块单元连接，总线模块通过PI/O CNTRL接口与计算机总
线连接。接口单元1和2以及总线模块单元实际上是一些插在插槽中的接口电路板，它们的连接接口在电路板的内侧，按信号类型可以分为两类，即模
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拟量连接关系和数字量连接关系。如图2—5所示：大板为总线模块单元电路板，每块大板共有4段接口，它的A、B段就是R-PI/O BUS，C、D段因与其连接的信号类型而异，与数字量相关的大板，其C、D两段可与4块小板连接，与模拟量相关的大板，其C、D两段只使用了其中的D段。图中的小板是接口单元1或2中的电路板，它分为A、B两段，其中的A段与大板的C段或D段连接，其中的B段与连接器2的信号线束连接。
这些电路板在插槽中的具体位置关系如表2—1所示，从表中可以看出，在总线模块单元(BUS MODULE UNIT)中，一共有24个插槽，其中的01号和24号两个插槽是内部总线R-PI/O BUS的输出端；02号插槽是模拟量输入(AI)所在的电路板，其D段与接口单元1(INTERFACE UNIT(1))中的01槽A段相连；03至05、08、以及17至23槽未使用；06、07槽中的大板仅用了D段，分别与接口单元1中的11、12和13、14槽中的小板的A段连接；09槽中大板的C、D两段分别与接口单元1中的17、18和19、20槽中的小板的A段连接；10槽中大板的D、C两段分别与接口单元1中的21、22和23、24槽中的小板的A段连接；其余的，在总线模块单元中使用的插槽中的大板与接口单元2(INTERFACE UNIT(2))连接，大板11槽的D、C两段分别与接口单元2的01、02和03、04槽中的小板A段连接；大板12槽的D、C两段分别与接口单元2的05、06和07、08槽中的小板A段连接；大板13槽的D、C两段分别与接口单元2的09、10和11、12槽（实际中，11、12两槽中的小板没有使用）中的小板A段连接；大板14、15、16槽中的D、C两段与接口单元2中相关槽中的小板连接关系参照表2—1B，其中，与大板16槽的C段连接的两块小板23、24，以及与其D段连接的小板22没有使用。
2.3.3各电路板之间的接口原理剖析
在了解了各个电路板之间的物理连接关系之后，下面将对各电路板之间的接口原理做进一步剖析。 首先，分析试验台控制系统的纽带，即内部总线R-PI/O BUS。该内部总线共有69条信号线，在插座上的排列次序及信号名称如表2—2所示，被分为A、B两段，每段又分为1、2两侧，每侧各有18个针。经过实践验证，初步掌握了它们的功能和逻辑关系。这里将各信号按其功能分为五类：即地址总线、数据总线、控制总线、状态总线以及电源等辅助线。
地址总线共7根，即A01~A07，分布在B段，是只输出信号，用来寻址与总线相连的BUS MODULE UNIT中的大板。如果是8根地址线，则其最大
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寻址范围为256，但它的A0线没有使用，所以在实际应用中总线模块单元中的大板地址均是偶数（见表2—1）。在每块大板上都设有1到4个I/O端口基地址选择开关，通过设置开关状态可以更改接口板的实际物理地址。其实每块大板除了I/O端口基地址选择开关的开关状态不同外，结构是完全相同的，该开关的存在只是为了设计制造方便。为了方便改造，这里重新设定了接口单元的地址（见表2—1A）。这些地址都是用户系统没被占用的。
数据总线共有16根，即D0~D15，低8位在A段，高8位在B段，是双向总线，在读总线周期中，将数据总线上的数据读入计算机的CPU中，在写总线周期中，将数据从数据总线上写入存储器或I/O端口。另外，其高8位还用于模拟量读入时的多路开关通道号选择输出。
控制总线有10根，IN Hi是一个低电平有效的输出信号，用于控制读取数据总线的高8位上的数据，IN Lo也是一个低电平有效的输出信号，用于控制读取数据总线的低8位上的数据，它们指明在总线周期是一个I/O端口读周期时，地址总线上的地址是一个I/O端口地址，应该把这个地址的数据送入数据总线；OUT Hi、OUT Lo都是低电平有效的输出信号，分别用于控制高8位和低8位数据总线的输出，它们指明当前在地址总线上有一个I/O端口地址，数据总线上有一个准备写入该I/O端口的数据；INIT也是一个低电平有效的输出信号线，它用于系统的初始化；DC Lo、Flicker、Do Lock L未用；Do Lock H是一个高电平有效的输出信号线，当该控制线为高电平时系统输出被禁止；AD IN是AD转换允许信号，是低电平有效输出信号。
状态总线共有4条，INTR INH IN、INTR INH OUT是分别是中断输入、输出禁止信号，均是高电平有效；Mount是低电平有效的信号，用于判断A/D
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板是否安装就绪；INTR是试验系统发出的经优先级判别后输出给计算机的中断信号，是低电平有效的信号。其余的信号线为电源信号，在A、B两段各有两个+5V、+15V以及-15V电源，此外的信号线都是数字地GND。
接下来分析总线模块单元上的C、D段的定义。如前所述，这两段的定义有两种情况，一种是与数字量输入/输出(DI/DO)有关的，一种是与模拟量输入(AI)有关的。表2—3所
表示的是数字量输入/输出时的C、D段定义，从表中可以看出C、D两段的布局与其A、B两段基本相似，每段也分两侧，每侧各有18条信号线。从总体上可将C、D段分成四个部分，即CH1、CH2、CH3和CH4，它们分别与接口单元1或2上的一块小板连接，因而一块大板最多可以和四块小板连接，每个部分共有18条信号线。表中的D00~D15为16条数据线，分为低8位，即D00~D07和高8位，即D08~D15；LOW COM是低8位的公共端；HIGH COM是高8位的公共端。此公共端相当于电源地。
在大板中，与模拟量输入(AI)有关的C、D段的定义比较简单，如表2—4所示，它的C段没有使用，D段上只有14根信号线，现说明如下：AI(+)为模拟量输入信号线，1侧B针的COM线为其公共端；AI(-)为模
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拟量输入信号线，2侧B针的COM线为其公共端；实际测量结果表明，两个COM端以及AI(-)均为模拟地。CH0~CH6，这7条信号线用于模拟量输入通道的选择，系统最多有64路模拟量输入，7条信号线最多有128种选择方式，因而足够系统使用。ENB是一个低电平有效的输出控制信号线，用作多路开关通道选择使能端。STD AO(+)和STD AO(-)是基准电压输出，为已知电压常量。它作为系统中的第一路模拟量输入信号，用于检验A/D转换器的工作状况，经过实际测量，此值在4.5V左右，且可调。
下面对接口单元1、2(INTERFACE UNIT(1)、(2))中的A、B段信号进行分析。这部分因与不同的大板连接，也分为两种，即数字量输入/输出(DI/DO)和模拟量输入(AI)。
与数字量有关的小板，其A、B段是这样定义的，它的A段与大板的C段或者D段连接，如表2—5a所示，D00~D15是16条数据线，它与大板是对应的，LOW COM，HIGH COM的意义也与大板的相同，此外还有+15V和-15V以及两根地线，其余的信号线没有使用；它的B段与连接器2(CONNECTER UNIT 2)的信号线束连接，D01~D15为16条数据线，COM 0为D00~D03的公共端，COM 1为D04~D07的公共端，COM 2为D08~D11的公共端，COM 3为D12~D15的公共端。
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表2—5b描述了与模拟量有关的小板的A、B段定义。其A段与表2—4中的D段是相对应的，CH0~CH6为7根低电平有效的多路开关通道选择信号线，AI(+)为输入的模拟量，AI(-)与另外两条GND线都是模拟地线，ENB仍为低电平有效的多路开关选址使能端，STD(+)和STD(-)为基准电压输入信号线。其B段与连接器2(CONNECTER 2)的信号线束连接，共用了32条线，AI 00~AI 15是16条模拟量输入信号线，其余的AI COM是模拟量输入的公共端，它们与模拟量输入信号相对应，共有16条，实质上也就是16条模拟地线。
2.2.4转接板的主要结构及功能
转接板的接口连接关系很重要，其所实现的功能具体体现在各个转接板的结构上，所以有必要对各个电路板的作用加以分析。经过实际测量和参考有关资料，初步掌握了各个电路板的主要功能。根据信号的不同，各个电路板可分为四类：即模拟量大板、模拟量小板、数字量大板以及数字量小板。 每块模拟量小板结构基本相同，主要由I/O地址锁存器、多路开关等组成。每块数字量大板结构也是基本相同的，主要由I/O地址锁存器、光电耦合隔离器等组成；数字量小板主要是起信号转接的作用，通过数字量大板的地址来选取输入信号。在前面已经提到，模拟量大板只有一块，这里主要对比较特殊的模拟量大板进行详细分析。
模拟量大板主要由一个A/D转换器，电磁耦合隔离器，光电耦合器，I/O端口地址缓冲器等组成。计算机的CPU向该端口发送地址选通信号，经光电隔离器隔离，选中模拟量大板，之后CPU送出模拟通道选择信号，有一路模拟信号便从模拟量小板输入到模拟量大板中，此信号经过电磁耦合隔离器后进入A/D转换器中，转换为相应的数字量后，被计算机读入。 该板的光电耦合隔离器是由发光二极管与光敏三极管组合而成的，其电路符号如图2—6所示。它的工作原理是：当发光二极管中通以正向电流IF时，发光二极管发出强度与IF成正比的光。此光照
射到光敏三极管的基极区
域时，使光敏三极管产生出大量的光生载流子，在其集电极C和发射极E之
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间所加正电压的作用下，形成集电极电流IC。在一定的范围内，光生载流子与外来光照强度成正比，从而达到IC受IF控制的目的。从本质上讲，它是一种电流控制的电流源。从它的工作原理可以看出，光电耦合器的输入端为发光二极管，输出端为光敏三极管，两者之间是通过光来传递信息的，而且使用时完全密封，因此不会受到外界光的影响。其次，光电耦合器的输入阻抗很低，一般在100Ω~1000Ω之间，而干扰源的内阻一般很大，通常为
105Ω~106Ω，由分压原理可知，此时能馈送到光电耦合器输入端的噪声很小。另外，由于干扰噪声源的内阻一般很大，尽管它能提供较大幅度的干扰电压 ，但只能形成很小的电流，而光电耦合器输入端的发光二极管只有当流过的电流超过其阈值时才能发光，输出端的光敏三极管只在一定光强下才能工作。因此即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量使发光二极管工作，故也被滤掉。再加上其输入端与输出端之间的寄生电容极小，因此，从总体来讲光电耦合器具有良好的抑制干扰和隔离保护的作用，它有效的提高了采样信号的准确性和可靠性。 对于发动机台架试验系统来讲，测试现场的干扰比较大，除了因公共地线引起的干扰外，还可能存在静电和电磁波噪声的干扰。而数据采集系统的输入信号是比较微弱的模拟信号，加上对信号的传递精度要求很高，所以该台架系统采用了电磁耦合隔离放大器，以保证采集精度和系统的可靠性。电磁耦合隔离放大器实质是一种调制式直流放大器，其工作原理是：输入端的放大器和调制器将输入的模拟直流信号放大后，再变成具有一定频率的交流信号输出。输出端的解调器将调制成的交流信号，采用变压器磁耦合原理耦合到在电上相互绝缘的输出端电路，并将交流方波恢复成直流信号，经放大器放大后输出。电磁耦合隔离放大器线性比光电耦合器好，零漂小，但结构比较复杂。它通过磁路实现信息的传递，将输入端电路和输出端电路有效地隔离开，抑制了干扰和噪声，提高了系统的精度和可靠性。I/O端口地址缓冲器由74LS374构成。
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第3章 采集控制接口卡的设计与开发
采集控制接口卡的设计对整个计算机系统的开发来讲是一个关键的步骤。设备的专业化，特殊性，决定了必须自主开发。 在上一章里，通过对发动机试验台计算机测控系统的深入剖析和实际测试，发现该系统3号控制柜中的转接板性能良好，仍具有很大的使用价值。所有在用的转接板功能正常，另外，在引进该设备时一同购进了不少的相关备件。考虑到重新设计和制作具有相同功能的转接板需要花费巨额资金、大量的人力、物力和时间，所以在设计全新的计算机系统时决定利用这部分转接板。但是，这样做就存在一个问题，如果继续利用这些转接板就意味着要同时使用原计算机系统所属的特殊类型总线，即 R-PI/O BUS。因而，如何在全新的微型计算机系统与转接板及旧总线之间建立起合理的联系，实现原系统的全部功能，将是设计和开发本采集控制接口卡过程中要解决的难点和重点问题。
3.1 接口卡总体方案设计
在原来系统中，计算机与外部设备之间的关系如图3—1所示，主控小型计算机自身的CPU BUS通过PI/O CNTRL接口与R-PI/O BUS连接；同时，PI/O CNTRL接口通过R-PI/O BUS与外部设备（此处为试验台）相连。因而，PI/O CNTRL总线接口成为主控小型计算机与外部设备之间进行信息交换的桥梁。在这个交换过程中，小型机的CPU并不直接和外设打交道，它只面对PI/O CNTRL接口，而由PI/O CNTRL接口与外部设备之间建立直接联系，从而实现计算机的CPU与外部设备之间的输入/输出过程。
从上一章的分析，可以看到来自外设的信号种类各异，例如模拟量输入(AI)、数字量输入/输出(DI/DO)以及中断信号等，只有经过该PI/O CNTRL接口对各种信号进行某种变换（比如A/D转换、D/A转换以及信号调理等）才能使这些信号适合于CPU的具体要求，从而被小型机所接受；同理，小型机
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发出的信号处理后所得结果信息，也只有经过PI/O CNTRL接口进行相应的反变换，才能为外部设备所接收。这也是PI/O CNTRL接口的另一个主要功能。
3.1.1采集控制接口卡的功能分析
该卡的设计既要兼顾原有设备的特点，又要能够实现代替主控小型计算机的微型机与外设之间的信息交换。
微型计算机与外设（即试验台）之间的关系如图3—2所示，和原系统相比，增加了一块采集控制接口卡，通过此接口卡实现高性能微型计算机与原
系统PI/O CNTRL总线接口之间的信息交换（包括I/O寻址、数据传送、时序逻辑控制信号等），PI/O CNTRL总线接口与外设之间的信息交换过程与原系统保持一致。微型计算机通过对接口卡的控制来模拟原小型机的全部功能，从而取代小型机，最终实现了PI/O CNTRL总线接口（附带原转接板，即光隔、磁隔电路、I/O寻址寄存器及多路开关等）与外设之间的信息交换的目的。
一般而言，一个I/O接口的基本功能是在系统总线和I/O设备之间传输信号，提供缓冲作用，以满足接口两边的时序要求。对不同的外设来讲，一个具体的接口，其功能不尽相同。在这里，根据实际需要，要求该接口卡应该具备以下功能，即：
1) 寻址功能
该卡要对输入/输出（I/O）的信号能够做出解释，具有寻址能力；此外，还要能对CPU送来的片选信号进行识别，以便判断当前该卡上某一接口是否被访问，如果受到访问，还要能辨别出究竟是哪个端口寄存器受到访问。
2) 输入/输出（I/O）功能
接口卡要能根据送来的读/写信号决定当前进行的是输入还是输出操作，
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并且随之能从总线上接收来自CPU的数据和控制信息，或者将数据或状态信息送到总线上。
3) 数据缓冲功能
在对原计算机系统进行分析时，经过实际测试，发现该系统尤其是具有光隔、磁隔等电路的转接板部分，对输入/输出的信息的响应速度明显缓慢。而目前所用的微型计算机的CPU速度一般都很快。按照接口设计原则，当外设速度不能与CPU速度匹配时，应当在接口部分提供数据（锁存/）缓冲器，对传递数据进行缓冲，以便解决快速CPU与慢速外设在定时或数据处理速度上的矛盾。
4) 数据转换功能
如前所述，该试验台系统的信息类型多样，要实现计算机与外设之间信息的成功交换，就必须在接口卡上设有信息格式相容性转换功能，如：A/D转换、D/A转换及数据量幅值变换等。
5) 中断功能
由于该接口卡的主要功能之一就是实现数据采集。为了提高CPU资源的利用率，最好采用硬件中断技术，在中断服务中完成数据采集过程。为此，该接口应能够发出中断请求或响应中断等功能。
6) 提供时序控制功能
CPU在数据采集和时序控制过程中，要有自己的时序控制电路，向外设提供不同的控制时序。为了减轻CPU负担和增加系统的功能，在该接口卡上应设计时钟发生器和定时器等，以满足计算机和外设在时序控制等方面的广泛要求。
7) 可编程功能
要达到“微型计算机+接口卡=主控小型机”的目的，必须通过该接口卡的独特设计，使微型计算机通过对接口卡的信息交换来完全模拟原主控小型机系统的功能。为此，该接口卡应具有可编程的功能，通过灵活的软件设计来实现替代目的。
3.1.2接口卡总体方案的提出
本发动机台架试验系统主要用于发动机的性能试验。
待测模拟参量一般包括扭矩、转速、油耗、压力、温度、湿度、位移、转角、流量等共48路；此外，该设备还留有16路备用模拟量输入通道。由于在设计接口卡时利用了原来系统的转接板（其上有64路模拟量输入通道及
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多路开关），所以在设计接口卡时模拟量输入实际上只有一路（即通过多路开关选择后的模拟量）。
在试验过程中需要对发动机的油门开度（控制发动机的转速）和测功机的励磁大小（控制反扭矩）进行控制，以便调整发动机的工况。因而，接口卡上应至少有两路控制输出。对于只能输出数字量的计算机系统来讲，就需要有D/A转换器来完成数/摸转换功能，为了提高控制的适时性，可以设计两个D/A转换器。
为了利用微机完全代替小型机，需要通过接口卡模拟小型机的控制逻辑以及寻址过程，所以必要的可编程并行接口以及定时器几乎是必须的。在数据输入输出时还需要有缓冲器/锁存器等。
系统硬件设计中，在满足所要求的性能指标的前提下，应尽可能地降低成本，以便获得较高的性能价格比。发动机试验台架的数据采集频率相对来讲不是很高（对于排放分析仪来讲，采样周期T在100ms左右，即可满足要求），而且数据控制和转换的速度要求也不高。因此，在选择控制微机时就没有必要过分追求高档微机及其外设；在选择芯片时也不必选择高分辨率、高转换速度的芯片。
微型机从系统结构和基本原理上看，和其他类型计算机并无本质上的区
别。所不同的是微型机广泛应用了集成度相当高的器件和部件，因此，它具
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有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、结构灵活等优点，应用非常广泛。今天高档微型机已达到了超级小型机的水平。目前，虽然高档微型机系统应用极为广泛，但是，从工业过程控制、仪器仪表测量和数据采集处理等领域的应用来看，还是以中低档的微型机占主导地位。在这里，采用一台PentiumⅡ350型微型计算机作为新系统的控制核心。在这种微机的主板上有用于扩展I/O模块时使用的总线，其中，有2个ISA总线插槽和4个PCI总线插槽。
经过上述对系统采集和控制的分析，按照接口卡设计的原则，最后得到接口卡的总体设计方案，如图3—3所示。从图中可以看出，整个接口卡按照功能可划分成七个模块，即：
1) 微型机总线及其接口控制逻辑； 2) 译码电路和读/写逻辑； 3) 外部定时器8253； 4) 两个并行接口8255； 5) 一个A/D转换器； 6) 两个D/A转换器；
7) R-P I/O BUS总线及其接口控制逻辑。
在下一节里将对其中的主要功能模块的具体实现及其完成的功能进行详细论述。
3.2 接口卡设计方案的实现
在上一节里，给出了接口卡的总体设计方案，整个接口卡共分为七个部分，下面分别进行论述：
3.2.1微型机总线及其接口控制逻辑
1) 微型机总线
总线是各个部件之间进行信息传输的公共通道，它是由若干信号线组成的。XT总线是最早的微型计算机的内总线之一，它是IBM PC/XT个人计算机采用的微型机总线。XT总线是针对Intel 8088微处理器设计的，共有62条信号线，有8位数据线和20位地址线，典型时钟为1.19MHz，总线传输率为2MB/s。
ISA总线，即AT总线，实际是XT总线的扩展，它是为了和高性能16
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位微处理器兼容，在XT总线基础上增加了一个36引脚的AT扩展插槽而形成的。它的数据总线宽度为16位，工作频率为6MHz，数据传输速率最高为8MB/s。
尽管ISA总线插槽，在现代高档微型计算机中已经不多见，但由于其结构简单，使用方便，功能也比较完善，所以在专用控制设备中还是很实用的，因而在一些中低档微型机中仍然留有ISA总线插槽。
因为XT总线可与ISA总线完全兼容，所以XT总线接口卡可以在ISA总
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线插槽中使用。
本微型机测控系统采用XT总线设计，在微型机的ISA插槽中使用。下面对ISA 总线做简要介绍。ISA总线实际上是将微处理器芯片总线经缓冲器直接映射到系统总线上而形成的，可支持8种类型的总线周期，是一种多主控总线。ISA总线共有98条信号线，分为两个部分，一部分是原来的XT总线的62条信号线，另一部分是扩充的36条信号线，两个部分之间用一个凹槽隔开。表3—1所示为ISA总线按序排列的前62条信号线的管脚定义。这里只介绍将要用到的ISA总线的这前62条信号线，它们可以分为五种类型：
a) 地址总线A0~A19：
共20条，都是输出信号，用来寻址与系统总线相连的存储器和I/O设备。由CPU在存储器和I/O端口的读写系统总线周期驱动，在DMA周期中，则由DMA逻辑部件驱动。寻址空间可达1MB。不过，一般在IBM-PC/XT中，只使用A0~A9来寻址I/O端口。其中，A9的设置很重要，当A9为0时，总线只允许接收从系统板上I/O端口地址来的数据信号，而不能从系统板槽中接收数据；当A9为1时，才能从插件板槽中接收数据。
b) 数据总线D0~D7：
共8条，是双向总线，用来在CPU、存储器和I/O端口之间传送数据。在写总线周期中，数据出现在数据总线上，然后写至存储器或I/O端口；在读总线周期中，存储器或I/O端口在IOR或MEMR控制信号上升沿之前将数据送上数据总线供CPU读取。在DMA周期中，数据通过数据总线在I/O端口和存储器之间直接传送。
c) 控制总线： 总共21条。
ALE为高电平有效输出信号，用来指明地址总线有效，可以开始一个总线周期。它在DMA周期中无效。
IRQ2~IRQ7为6条输入信号，高电平有效，它们从系统总线产生对CPU的中断请求信号。
IOR，即读信号，是一个低电平有效的输出信号。它指出由CPU启动的总线周期是一个I/O端口读周期，地址总线上的地址是一个I/O端口地址，应把读得的数据送入系统数据总线。
IOW，即写信号，是一个低电平有效的输出信号。它指出在地址总线上有一个I/O端口地址，并指出数据总线上有一个准备写入I/O端口的数据。
MEMW，存储器写信号，低电平有效，用于把来自系统总线的数据写入
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存储器。
MEMR，存储器读信号，低电平有效，用来请求从存储器读取数据。 RESET DRV，复位驱动器，是一个高电平有效输出信号，用来使系统初始化。
DRQ1~DRQ3，这3条线为DMA请求信号线，为高电平有效的输入信号，供接口请求DMA周期使用。
DACK0~DACK3，这4条线为DMA响应信号线，低电平有效输出信号线，用来表明对应的DRQ已被接受，DMA控制器将占有总线，并开始所请求的DMA周期。
AEN，地址允许信号，高电平有效输出信号。它指明当前为DMA总线周期，用于使CPU的总线脱离开系统总线，而使系统总线与DMA控制器的总线相联系。该信号有效时，I/O端口的地址译码电路不工作。
TC，计数终点信号，为高电平有效输出信号，表明某个DMA通道已达到程序预置的传送周期数，通常用来结束一次DMA数据传送。
d) 状态线： 一共2条。 I/O CHCK，为I/O通道检查信号，为低电平有效的输入信号，用来表明有关总线相连接口插件出错情况的信号。 I/O CH RDY，I/O通道就绪信号，为高电平有效的输入信号，用来延长总线周期，它使速度慢的一些存储器或I/O端口也能和系统相连。
e) 辅助线和电源线： 共11条。
OSC是系统板提供给I/O通道的主振荡器信号，周期为70ns，占空比系数为50%。
CLK是系统的时钟信号，它由主振信号3分频获得，周期为210ns，占空比为33%。
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其余9条信号线为地线或±5V、±12V等电源线及一条备用线。 2) 接口卡用到的ISA总线管脚：
接口卡的作用在于实现微型机与外设之间的信息交换。所以ISA总线中有关DMA工作方式的信号线一般都用不上。另外，地址线、中断触发信号线等也不全用到。根据实际需要，在设计接口卡时必须对ISA总线的信号线进行取舍。图3—4列出了本接口卡用到的全部信号线，其中包括：A0~A9共10条地址线，D0~D7共8条数据线，IOW/IOR读写控制线，IRQ2、IRQ3和IRQ5共3条中断请求线，AEN地址允许信号线，另外还有几条地线和电源线。
3.2.2译码电路及读写逻辑
1) I/O端口编址：
由接口卡方案框图可以看出，它具有一组输入/输出端口寄存器，CPU通过访问这些端口来发送控制外设的命令、读取状态和传送数据。一个接口可能有几个端口，例如8255芯片内就有4个端口；有的接口端口少，例如缓冲器可以只有一个端口。另外，对端口的操作也有所区别，有的端口只能写入，
有的端口只能读出，有的端口既能写入也能读出。要实现CPU对端口的访问，必须对每个端口设置一个确切的地址号。
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对I/O端口编址的方式有两种：一种是统一编址方式，即I/O端口地址和内部存储器地址统一进行编址，又称内存映射（memory mapped）I/O编址；另一种是单独编址方式，即I/O端口地址和内部存储器分开各自独立编址，又称I/O映射（I/O mapped）I/O编址。这里采用后一种编址方式，此时访问I/O端口时要使用专门的I/O指令（汇编语言用IN和OUT指令，Borland C++用inportb和outportb，Visual C++用_inp和_outp等），同时还需要IOR或IOW信号线有效。其优点是不占用存储器的地址空间，执行速度快，而且译码电路相对简单。
ISA总线可以对64KB的I/O地址空间进行访问，但IBM PC只用了1KB个端口地址（0000H~03FFH）。其中前256个（0000H~00FFH）分配给系统板上的I/O接口芯片，其余的768个（0100H~03FFH）分配给扩展卡。在实际使用时，I/O地址的选择一定要慎重，应避免与其他设备发生冲突。可以根据具体使用的微型机来决定。图3—5表示出本微型机中I/O端口地址资源的使用情况，从图中可以看到该微型机系统中从0100H~016FH范围内的I/O端口地址没有使用，所以此处采用的I/O端口地址就可以在这个范围内选择。
2) 译码电路及端口地址分配：
译码电路的作用就是当CPU送程序到某一个地址时产生对应的片选信号CS，在一个I/O系统中，有时需要在某一个地址范围内能产生相同的一个片选信号CS。因而译码电路应能根据具体需要对一个地址区间产生片选信号CS。
在设计译码电路时，需要注意两个同步问题。一个是要注意端口地址译码可能存在很大的延迟，使其可能在总线控制信号IOR和IOW变为有效后出现。在这种情况下，由于从系统总线来的地址位有时滞，译码电路在瞬间可能译出某些其它端口地址，此时在总线信号控制下，数据可能被写到错误的地址上去。另一个要注意的是如果译码电路速度很快而总线控制信号IOW有较大延迟时，写信号的后沿可能将数据写到下一个周期译出来的地址上。因此，设计译码电路时要注意I/O端口读写总线周期的定时关系。
图3—6就是接口卡的译码电路图，它主要由地址译码器74LS138和74LS139、数字比较器74LS688以及一些门电路构成。从图中可以看到，整个接口卡的I/O端口地址除了D/A转换器部分外，都是连续的，分布在0100H~0117H之间。8253占用4个地址：010CH~010FH，总线的A0、A1分别与它的A0、A1连接，IOW、IOR分别与它的WR、RD连接（8255的情况与8253相同）。8255(1)占用4个地址：0108H~010BH。8255(2)也占用4个
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地址：0100H~0103H。R-P I/O BUS的数据总线低8位地址为：0104H；它的高8位地址为：0105H。A/D转换器占用两个地址：0106H和0107H。两个D/A转换器除了用到片选线CS外，还使用了A0、A1两条地址线寻址，所以各占用4个地址，但是，实际上各只使用了其中的两个地址，分别为：0111H~0112H和0115H~0116H。此外，需要说明的是，从ISA总线过来的地址线和读/写信号线以及AEN信号线 都是经过了74LS244缓冲后进入译码电路的。74LS244是8位单向总线驱动器，具有驱动、缓冲功能。
74LS688芯片是一个8位数字比较电路，它的P0~P7端如果与相应的Q0~Q7端的状态相同，则其19脚输出低电平，用来控制74LS138译码器工作。地址允许信号AEN与74LS688的1脚连接，对端口地址译码器进行控制，如果AEN=0时端口译码失效，系统处于DMA方式；只有AEN=1时译码电路才工作。R-P I/O BUS的数据总线低8位和高8位的读、写两个缓冲器端口地址分别只用一位，通过总线的IOW和IOR信号线来区分，从而节省了两个
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I/O端口地址资源。
3.2.3硬件中断发生电路
在工业控制中，数据采集和实时控制系统经常要使用定时时钟。实现定时的方法很多，比如可以使用微型机系统的定时器实现，也可以使用外部硬件电路实现。使用微型机系统定时器固然可以节省部分硬件电路，但如果不采取特殊措施，它的最小定时时间一般很难满足对定时时间要求较小的应用场合。微型机系统定时器的最小定时时间约为55.0722ms（1.19MHz信号经65536分频后作为它的时基信号），定时时间间隔只能是55.0722ms的整数倍。
使用8253芯片，通过软、硬件相结合的方法可以实现定时和记数控制。为了提高系统的速度，在这里采用以8253芯片为核心组成的硬件电路来满足系统的定时要求。从图3—7可以看出，外部中断信号发生电路主要由一片8253芯片、外部时钟电路和一个D触发器等构成。
Intel 8253采用NMOS工艺制成，最高记数速率为2.6MHz，其内部有3个结构完全相同的计数器：分别为计数器0，1和2。每个计数器的输入和输出都取决于本身所带的控制寄存器的控制字，互相之间工作完全独立。8253的控制寄存器和3个计数器分别具有独立的编程地址。另外，它还具有6种
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工作模式，其工作原理可参考相关书籍，在此从略。
外部时钟由石英晶体多谐振荡器提供。该振荡器是在对称式多谐振荡器的正反馈回路中串联一个石英晶体而形成的。石英晶体具有独特的电抗频率特性，当外加电压的频率为其固有谐振频率（不妨设为f0）时，石英晶体的阻抗最小，所以在把它接入多谐振荡器的正反馈电路以后，频率为f0的电压信号最容易通过它，并在电路中形成正反馈，而其它频率信号经过石英晶体时被衰减。因此，石英晶体多谐振荡器的工作频率就是石英晶体的固有频率f0，而与外接电阻、电容无关。石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有很高的频率稳定性。它的频率稳定度（Δf0 / f0，其中
Δf0为实际频率与固有谐振频率之差）可达10
。如图3—7 所示，
这里使用74LS04中的两个反向器、1μF的电容和两个2K的电阻与固有频率为2M的石英晶体，就构成了振荡频率为2M的脉冲源。它的输出与8253的9脚相连，即与计数器0的clock0口连接，作为定时和记数时的脉冲输入。 中断信号发生电路的工作原理为：外部时钟源向8253提供定时脉冲信号，经过8253二分频（8253的计数器2备用），产生所需定时脉冲信号，此信号与D触发器的CLK端连接，作为D触发器的时钟脉冲输入，D触发器的Q端输出就是所需中断触发信号。8253的门控信号由8255（1）的PA0口控制，8255（1）的PA1口通过一个与门（其另一个输入端信号为8253的计数器0的输出）控制8253的计数器1的输入端脉冲，从而最终控制中断信号的发生与否。中断信号为高电平有效信号，为了能够使其定时循环产生，D触发器必须在每次中断信号有效后复位，这里用8255（1）的PC0口的输出来使D触发器复位。中断信号频率的大小由8253编程设定。显然，该电路的中断信号频率最高可达2MHz。
补充说明一下，8253的CS引脚与译码电路的片选信号线相连，8253的1~8脚与8位数据总线连接。
−10
~10
−11
3.2.4并行接口8255所属电路
Intel 8255A是一个可编程并行接口芯片，有3种工作方式，可以通过软件设置。8255A有3个8位数据端口，即端口A、B和C。端口A有一个8位数据输入锁存器和一个8位数据输出锁存/缓冲器。端口B和端口C都有一个8位数据输入缓冲器和一个8位数据输出锁存/缓冲器。在使用时，端口A和B通常作为独立的输入端口或输出端口，而端口C则配合端口A和B的工作。通过软件可以使它们分别作为输入端口或输出端口。它的具体使用方法
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可参考相关书籍，这里从略。
本接口卡中使用了两个并行接口，即8255(1)和8255(2)。 1) 8255(1)的组成及功能：
其电路如图3—8所示，它的D0~D7与数据总线相连；CS端与译码电路的片选信号线相连；35脚（RESET）接地； PA0、PA1及PC0口的作用在前面已经讲过，这里不再重复。8255(1)的PC7口用于查询中断信号的状态；它的PB0、PB1和PB2分别与AD7503（后面将要详细讲）的3个地址线A0、A1和A2连接，用于控制模拟通道的选择；它的PB3、PB4和PB5口分别与AD526的3个地址线A0、A1和A2连接，用于控制输入模拟量的放大倍数。通过软件编程对相应的端口进行控制可以实现上述功能。
2) 与8255(2)有关的电路组成及功能：
并行接口8255(2)的电路图如图3—9所示，它由一片8255A芯片和两片74LS245芯片组成。
74LS245是一个8位双向3态总线发送器，其1脚DIR控制数据的传送方向，当DIR=1时数据由A=>B传送，当DIR=0时数据传送方向由B=>A。其19脚E为使能端，当E=1时为高阻态。8255(2)的PA0~PA5口与其中的一个74LS245的A0~A5连接，74LS245的B0~B5口与R-P I/O BUS的6条控制总线连接；8255(2)的PB0~PB6口与另一个74LS245的A0~A6连接，此74LS245的B0~B6口与R-P I/O BUS的7条地址总线相连；其PC4口与A/D转换器电路中的D触发器的Q端连接，通过软件查询PC4的状态，可以判断
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A/D转换是否完成；剩下的数据口没有使用。其余的管脚连接与8255(1)相同。
通过软件编程来控制8255(2)的数据端口A的输出，模拟R-P I/O BUS的控制总线的状态和时序，从而达到间接控制发动机试验台的工作过程；同理，通过软件编程来控制8255(2)的数据端口B的输出，经过74LS245的缓冲后将地址输出给转接大板，从而控制发动机试验台不同信号的输入和输出。
3.2.5 A/D转换器所属电路
原计算机系统的模拟大板上有一个A/D转换器，由于资料不全，对该A/D转换器使用方法和外围电路的原理不好掌握，加上它属于老产品，性能方面与现在同类产品并不占优，所以决定在自制的接口卡上设置一个A/D转换器，用来代替它。通过实际测量，在模拟大板上找到经多路开关后，又经过磁耦合隔离后的模拟量信号线，将此信号线与R-P I/O BUS的A段1侧K针连接（原总线上该针没有使用），接口卡将该信号引入新A/D转换器。至此，完全取代了原来的A/D转换器。
1) 程控放大和采样保持电路： 图3—10表示的是程控放大和采样保持电路的情况，从图中可以看出它主要由3个芯片组成：即AD7503、AD526和LF398。
AD7503是一种采用CMOS工艺制成的模拟开关集成芯片，具有8个输入通道(S1~S8)，一个输出通道(OUT)，通
道的选择由3个地址线(A0、A1、A2)以及使能端EN的状态决定，选择的结果使8个输入通道之一与输出端导通。该芯片所有的逻辑输入与TTL/DTL及
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CMOS电路兼容。其真值表如表3—2所示。
AD526是一种可编程控制放大器。这里使用的是AD526JN型号，它是16管脚的塑料封装双列直插芯片。AD526的输出电压在5.5μs即可达到预期
电压值，其误差一般不超过0.01%。图3—10中的AD526采用简明工作方式连接，A0、A1、A2为增益倍数的大小，B脚接+5V电源，CS和CLK接数字地。表3—3给出了AD526简明方式时的逻辑真值表。从表中可以看到，
AD526最大增益放大倍数为16倍。它的误差与放大倍数有关，放大倍数为1
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和2时，其误差约为5%；放大倍数为4时，其误差约为10%；而当放大倍数达到8和16时，其误差将增加到15%。在接口板的调试时，发现放大倍数为8和16的情况误差的确比较明显，所以，在实际使用时没有采用。
采样保持器选用LF398芯片。它采用CMOS工艺制作，为8管脚双列直插封装，具有采样速度高，保持电压下降速率慢，精度高等特点。作为单一放大器时，它的直流增益精度为0.002%，采样时间小于6μs时精度可达0.01%。输入电阻为1010Ω。LF398芯片上的逻辑输入全部为具有低输入电流的差动输入，允许直接与TTL、PMOS和CMOS相连，工作电压在±5V~±15V。此处的采样保持器LF398用在A/D转换器之前，起到了电压跟随的作用，可改善电路信号的阻抗匹配，使电路输入具有高阻抗，而输出具有很小的阻抗，增强了系统的稳定性，保证了系统测量的精度。
整个程控放大和采样保持电路的工作过程是这样的：外部模拟量（来自大板的模拟量AI(+)）经过多路模拟开关AD7503进入程控放大器AD526的输入端，经过一定的比例放大后，送入采样保持器LF398，之后送入AD转换器，通过调节LF398外围的电位器的位置，可以校准输出模拟量的大小。
2) A/D转换器所属电路：
A/D转换器的作用是把采集到的采样模拟信号量化和编码后，转换成数字信号并输出。A/D转换器的种类繁多，按工作原理可划分为两种类型：直接比较型和间接比较型。直接比较型是将输入的采样模拟量直接与基准电压相比较，得到可按数字编码的离散量或直接得到数字量；连续比较、逐次逼近、斜波电压比较等都属于此类，其转换在瞬间完成，具有抗干扰能力差，转换速度较快等特点。间接比较型的原理是将输入的采样模拟量不直接与基准电压比较，而是将两者都变成中间物理量再进行比较，然后将比较得到的时间或频率进行数字编码；它是“先转换后比较”，因而种类繁多，双斜式、脉冲调宽型、积分型、三斜率型等都属于此类。
接口卡上使用的A/D转换器为AD574芯片。它是一种完整的12位带参考源和时钟的模拟—数字转换器，28脚双列直插式、陶瓷封装。它的主要特点是：具有可与8位，12位或16位微处理器总线直接接口的三态输出缓冲电路，不需要外部缓冲电路及外围接口控制器，片中三态缓冲器直接挂在数据总线上，具有多种工作方式。读或转换命令来自控制总线，12位输出数据既可以为一个12位的字也可以作为两个8位字节（一个为8个数据位，另一个为4个数据位，后面为4个零）来读。AD574可以在“自周期”内，以独立方式运行，并能以40KHz的采样速率完成转换并将输出数据锁存在外部锁
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存器中。所用AD574J型芯片的工作温度范围为0ºC到70ºC，在此温度范围内其最大非线性误差为±1/2LSB，可保证不丢失代码；采用快速逐次逼近式转换，转换时间为25µs；功率损耗为450mw。由于使用了激光修调的高精度定标电阻以及双极性的失调电阻，所以它具有四种量程范围：即0~+10V和0~+20V的单极性电压输入，以及-5V~+5V和-10V~+10V的双极性电压输入。
从量程极性可知AD574有两种接法，既不对称输入接法和对称输入接法。根据实际要求，这里采用不对称输入的接法，量程选择0~+10V。
在AD574上有两组控制管脚：一组是一般控制输入（CE，CS和R/C），另一组为内部寄存器控制输入（12/8和A0）。前者用于定时、寻址、周期开始和读允许等功能，后者用来选择输出数据格式和转换周期的长度。
表3—4为AD574真值表，从中可以看到，启动转换和读允许是由CE，，表中给出了各功能管脚的状态CS，R/C来控制的（次序的先后无关紧要）
值及相应的操作。
用A0（字节选择）和12/8（数据格式）的输入一起操作来控制数据输出格式和转换周期。若12/8接成高电平（与1脚连接），当读功能是一般控制输入时所有12位数据线将全部有效。对于一个8位总线接口，12/8应接成低电平（与15脚连接），在这种情况下，在某一时刻仅有高8位或者仅有低4位有效，这需要视A0的情况而定。对于这种应用场合，低4位（16~19管脚）必须连接到高4位（24~27管脚）。因而在读的期间，当A0为低电平时，高8位有效，数据出现在20~27管脚上。当A0为高电平时，高8位数据被禁止，低4位数据出现在24到27脚上，而其余4位被清除，因此在20~23管脚上出现零。图3—11是接口卡上A/D转换器部分的电路图，在A/D转换器的外部使用了两片锁存/缓冲器74LS374，采用单独运行方式，仅用R/C来
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控制整个转换过程，此时CE连接成高电平，CS连接成低电平，12/8状态任意，这里接成高电平，A0接低电平（因为是12位转换）。此时的数据输出连接方式如图3—11所示，A/D的低8位（DB0~DB7）分别与数据总线的D0~D7
连接，最高4位（DB8~DB11）分别与数据总线的D0~D3连接。微机的CPU通过分配给74LS374的两个I/O端口地址0106H和0107H来分别读取转换后的数据值。
图3—11中的D触发器用于查询转换是否完成，AD574的状态线经反向器取反后与D触发器的CLK端连接，在转换周期开始时状态线变为高电平，当转换周期完成时变为低电平，状态线的上升沿与下降沿之间的宽度就是A/D转换时间tc。为了使A/D转换能够周期循环进行可有两种途径：一是用
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一个负脉冲启动转换，另一个是用一个正脉冲启动转换。这里采用前一种方法，图3—12是该方式下的有关状态信号的定时关系，从图中可以看出该方
法在转换结束时，转换器自动地促使12位数据线脱离高阻态，在另一个负脉冲到来之前，这个数据在输出线上将一直有效。
从图3—11的电路中还可以看出，状态信号STATUS既作为D触发器的脉冲输入，同时也起到将A/D转换之后的数据锁存在74LS374中的作用。CPU用两个I/O端口地址信号来选通低8位或高4位数据并读取，与此同时，读低8位数据端口地址信号又是A/D转换器的启动信号，从而实现了A/D转换器连续快速地进行数据采集。为了保证A/D转换器工作的可靠性，在启动信号的负脉冲之后加了一个脉冲展宽电路，此电路主要由74LS123构成。74LS123，
是一种复位触发单稳态多谐振荡器，其功能如表3—5所示，它在图3—11中的连接方式为：CLR和B都接成高电平，A为下降沿有效，此时Q端输出展宽后的负脉冲信号，用于启动A/D转换。通过调整74LS123电路中的阻容元件可以改变负脉冲的宽度。
3.2.6 D/A转换器所属电路
数字计算机的计算结果是数字量，不能用它去直接控制执行部件，需要先把它转换为模拟量才能用于控制。D/A转换器就是一种把数字量变成模拟
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量信号的器件。
在使用发动机试验台进行试验的过程中，不可避免的要对系统的执行部件进行控制。为了满足用微型机对发动机台架试验实施控制的需要，要求接
口卡本身应具有D/A转换功能。
D/A转换器主要有两大类型：并行D/A转换器和串行D/A转换器。并行D/A转换器特点是转换器的位数与输入数字量的位数相同，对应数字量的每一位都有输入端；而串行D/A转换器的输入数字量是以串行方式输入的。
在本接口卡上设计了两个D/A转换器，分别用来控制发动机油门开度和测功机励磁的大小。这两个D/A转换器电路都使用AD667芯片构成，其电路接法相同。
AD667是一种完全12位、电压输出的数字—模拟转换器，芯片内部具有一个高稳定度的埋藏式齐纳电压参考源；它的双输入缓冲/锁存结构不但使它能够直接与4、8、12或16位数据总线连接，而且还使它在D/A转换的同时，接收下一个转换数据，从而提高了转换速度；温度对线性度的影响，最大为
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1/2LSB，建立时间3μs时输出模拟量误差最大不超过0.01%；功率消耗小，包括参考源在内只有300mW；所有的逻辑输入均可与TTL或5V CMOS电路兼容。
图3—12给出了其中一片AD667芯片与微型机总线接口的电路。从图中可以看到，AD667芯片有两种连接方式，单极性电压输出和双极性电压输出。在单极性连接方式中，通过调节电位器R1校正输出电压OUTPUT，使其为0.000V，通过调节电位器R2校正输出电压OUTPUT，使其为9.9976V（对于12位D/A转换器，1 LSB=2.44mV，实际满量程比名义满量程值少1LSB）；在双极性连接方式中，通过调节电位器R3校正输出电压OUTPUT，使其为-5.000V，通过调节电位器R2校正输出电压OUTPUT，使其为+4.9976V。
AD667的总线接口逻辑包含4个独立的可寻址缓冲/锁存器，被分成两级：第一
级包含三个4位的缓冲/锁存器，可以从4、8、12或16位微处理器总线上接收数据；第二级是一个12位的缓冲/锁存器，当第一级接收完数据后即可进入第二级缓冲/锁存器。所有的锁存器都是电平触发，数据在控制信号有效期间进入锁存器，当控制信号变高时数据即被锁存。它们由地址输入信号A0~A3和片选信号CS控制，这些信号均为低电平有效，表3—6为AD667的真值表。对于8位总线12位DAC来讲，数据需要分成两个字节组，各8位输入，输入形式有两种：左对齐和右对齐（如图3—13所示）。接口卡上的D/A转换器选用右对齐方式，此时，D/A转换器锁存器的控
制端连接形式如图3—12所示，其A0、A1都与地址总线的A1连接，A2、A3则与地址总线的A0连接；CS与地址译码电路中的片选线连接；其数据输入端的低8位DB0~DB7分别与数据总线的D0~D7连连接，而其最高4位
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DB8~DB11分别与数据总线的低4位D0~D3连接。
3.2.7接口卡上R-P I/O BUS总线
在第二章里已经详细分析了原计算机系统中的R-P I/O BUS总线的管脚定义及逻辑功能。这里根据实际需要，对该总线接口中的部分信号线进行了取舍和重新定义。
改造后的内部总线R-PI/O BUS主要是在原来的总线接口的基础上修改而成的，共有55条信号线，如表3—7所示，其排列顺序基本没变，也被分为A、B两段，每段也分为1、2两侧，每侧各有18个针（有的针上没有信号），按其功能分为五类：即地址总线、数据总线、控制总线、状态总线以及电源、地等辅助线。
地址总线没有改变，仍为7根，即A01~A07；数据总线也没有改变，即为D0~D15，低8位在A段，高8位在B段，其分布如表所示。
控制总线只保留原来最基本的6条信号线，即IN Hi、 IN Lo、 OUT Hi、OUT Lo、INIT和Do Lock H。由于DC
Lo、Flicker、Do Lock L本身未用，改造后的总线接口里也没有使用这些信号线；因为原来的A/D转换器没有使用，所以原总线接口中的A/D转换允许信号AD IN也就没有必要使用了。
状态总线只保留了1条：即INTR，它是试验系统发出的经优先级判别后输出给计算机的一路中断信号，为低电平有效。中断输入输出禁止信号INTR INH IN和INTR INH OUT改造后没有使用；用于判断模拟量大板安装就绪与否的Mount信号，因没有使用原A/D转换器，这里也没使用。
辅助线保留了部分+5V电源和地线等。
另外，添加了一条AI(+)信号线，在前面已经提过，此信号线就是系统模
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拟量经过多路开关选择后输出给计算机的一条模拟信号线，作为新的A/D转换器的输入。相应的增加了一条模拟地线AGND，具体见表3—7。
有关系统的中断输出情况，这里要补充说明一点：来自试验系统的中断信号很多，包括初始化、自动手动运转方式、开始、保持、继续、暂停、误差复位、设备故障、采集完成、各种计量仪的测试结束等等，而计算机系统的中断资源是有限的，就PentiumⅡ350型微型计算机而言，其硬件中断只有
16级（其中IRQ2用作中断控制器的扩展，这样系统的硬件中断变为15级，在BIOS中采用软件重定向的方法保留了IRQ2的中断请求，因而才保证了系统的硬件中断仍为16级），且真正留给外设的只有几个，从图3—14中可以看出，该微型机系统留给外设的中断资源仅有IRQ5，IRQ9和IRQ10。对于这些中断信号来讲，如果每个中断信号都占有一个中断资源的话，显然是不合理的。因此，在系统中断的处理上，采用了软件查询的方法：即将所有的外设中断信号经或门（相当于线与）后，只输出给计算机一路中断信号（此中断信号就是接口板上的R-P I/O BUS总线接口中的INTR信号，之后输入给微型机中断控制器），当计算机的CPU收到中断请求信号时，通过软件查询各个输入中断信号线的状态来确定究竟是那一路中断信号提出的中断请求。经过实际验证，在原系统中，中断信号的优先级，用硬件无法判断，需使用软件来实现。
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对于R-P I/O BUS的16位数据总线，在接口卡上当数据为输入时设计了缓冲器，当数据为输出时设计了缓冲/锁存器，这样的设计使数据的输入和输出更加稳定、可靠。
另外，接口卡上还设计了直流电源块(DC-DC CONVERTER)，用于给D/A转换器、程控放大器AD526以及多路模拟开关AD7503提供±15V电源。该电源块的输入为5V，输出为±15V。
第4章 排放试验系统及试验方法分析
为了设计实用的排放试验程序，必须从原理上对排放试验系统有一个全面的认识，同时还必须对排放法规中所规定的试验方法和试验规范以及其中所规定的数据处理方法进行深入的分析。在这一章里将主要就发动机试验台所属的排放分析仪的组成原理、与排放分析仪有关的信号量以及排放试验方法进行分析。
4.1排放试验系统组成及原理
正确测定有害排放物的含量是当前研究发动机有害排放物及其控制的一项重要内容。我国制定的汽车排放法规中，除了对试验工况做了规定外，还对测量方法和测量仪器做了相应的规定。这节将对本设备的排放试验系统的组成及原理进行分析。
4.1.1排放试验系统组成
与本试验台配套使用的排放试验系统是日本HORIBA公司生产的MEXA-8120D型排放分析仪。该分析仪专门用于重型汽油机废气浓度分析，主要由以下几个部分组成：即气体分析仪（五气）、采样系统、分析控制单元、电源以及报警装置等。
气体分析仪实际上是由四种分析仪组合而成，分别用来测定不同废气成分的浓度。如表4—1所示，该分析仪系统用AIA-23测定CO和CO2的浓度，测量方法为不分光红外线法（NDIR）；用FIA-22测定HC的浓度，测量方法为氢火焰离子法（H・FID）；用CLA-53M测定NOX的浓度，测量方法为化学发光法（CLD）；用MPA-21测定O2的浓度，测量方法为氧顺磁法。它们的量程数及范围，以及各种参数情况如表4—1所示。
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采样系统包括预采样器、主采样部分以及采样单元等。其采样方式为直接连续取样。预采样器由电炉、流量阀、带加热的过滤器和采样加热管等组
成。采样加热管用于预采样器与支架之间的连接，其长度指定。主采样部分包括一个除油器、热交换器、冷却单元、主采样泵、过滤器、螺线管阀等。除油器用来去除样气中的油雾。采样单元主要由一个将NO2转换为NO的转
、电子冷却除水器、螺线管阀、流量计、安全阀及化器（型号为COM-11H-1）
用于调节各种气体分析仪采样泵压力的压力调节器等组成。 分析控制单元是用来控制排放分析仪的，其数量与气体分析仪的个数一致，具有自动标定功能。
电源情况，如表4—1所示，为100V交流电源，工作频率为50Hz/60Hz。 报警装置主要是为了试验能够在安全的条件下进行，一旦在试验过程中出现了异常情况，系统对此将及时做出反应，终止试验。
4.1.2排放试验系统原理
排放试验使用气体分析仪对样气进行测定。决定能否正确测定汽车排气中有害物质含量的因素主要有三个：即采样系统、气体分析仪和发动机的试验工况。发动机的试验工况由测功机、发动机油门控制器来调整，将在以后
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章节讨论。这里将主要对采样系统和气体分析仪的原理进行研究。
4.1.2.1采样系统
目前排放限制标准所规定的有害气体成分的浓度较低，在采样过程中，废气在管路中的凝聚和吸附现象所造成的损失以及排气成分本身的变化等都将影响测量的准确性，所以必须要有能够正确采集样气的采样系统。
排放试验的采样方法主要有：直接采样法和取样袋取样法（包括全样取样法、比例取样法和定容取样法）。
本系统采样方式为直接取样法。这种方法是将取样测头直接插入发动机排气管内，用取样泵直接采取一定量的气样，经过冷凝器和过滤器，再经干燥后，供气体分析仪分析。其工作流程如图4—1所示，冷凝器的主要作用是为了防止气样中的水分对分析仪的干扰，过滤器是为了除去气样中的灰尘。使用冷凝器虽然将气样中的水分除去了，但同时也使废气中高沸点的物质凝聚，从而影响了测试结果。为了解决这个问题，通常将取样导管做成加热式的，对于汽油机应保持在130±10℃左右，而对于柴油机因所含高沸点的碳氢化合物较多，其温度应保持在180~200℃。
法规中规定取样测头应该是一根一端封口的不锈钢（或铜）制成的多孔
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直管探头，其内径应不大于取样管内径，壁厚应不大于1.02mm。连接测头和排气管的管接头应尽可能的小，以便使测头的热损失减至最小。测头上最少应有3个孔，每个孔所在的径向平面的间距在排气管横截面上必须均匀分布。孔的间隔角也应大致相等。在同一平面上任何2个孔的间隔角不能成180°±20°(如图4-2中C—C截面)。确定孔的尺寸时应使每个孔的流量大致相等。如果仅用3个孔，那么它们不能在同一径向平面上(见图4-2)。测头必须大致通过排气管中心，且必须伸入排气管直径至少80%。
直接取样法原理简单，操作方便，适于连续观察变工况引起的废气成分变化的情况，因此广泛应用于重型车发动机台架试验，以及怠速法检测。但用直接取样法采样时所测得排气各成分浓度，若要换算成汽车单位行车距离排出的有害气体重量，其计算比较复杂。
4.1.2.2气体分析仪原理
在汽车排放物中，对大气和环境有害的物质主要有一氧化碳、碳氢化物、氮氧化物、二氧化碳和微粒等。排放法规中规定，对于汽油机要对一氧化碳、碳氢化物、氮氧化物、二氧化碳和氧气（有的试验要求测量）等进行测量。
针对不同的测量对象，需要采用不同的测试仪器，各种测试仪器所采用的方法不尽相同，目前用于汽车排放污染物分析的方法主要有三种，即不分光红外线分析仪（NDIR）、氢火焰离子分析仪（FID）以及化学发光分析仪（CLD）。本排放试验系统也主要是采用这三种方法对废气进行测定的，下面对它们的原理做简要的分析。
1） 不分光红外线分析仪（NDIR） 不分光红外线分析仪（NDIR，Non-dispersive Infrared Analyzer），是通过测定试样中对象成分的红外光的吸收能，来测定它的成分浓度的。其原理是基于大多数非对称的多原子（除了单原子气体和相同原子的双原子如H2、O2和N2外）气体具有吸收红外光的特性，不同气体在红外波谱带内都有其特定波长的吸收带，如CO能吸收4.5~5
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μm的红外光，HC为3.4μm，CO2为4~4.5μm。其吸收辐射能的百分数与被测气体的浓度有关。从原理上讲，对于在红外线领域中具有吸收带的非对称气体分子，如HC、NO，都可以进行测量，但是，不分光红外线分析仪主要用来测定CO和CO2的浓度。如果用于测定HC，其精度不很高，只在一些便携式简单仪器中用来测定HC的浓度。
图4—3是NDIR的结构简图，它的工作原理是，从两个相同的红外光源发出的红外辐射，通过光栅盘调制成一定频率的光信号，分别通过分析室和比较室。在分析室内装有被测气体，在比较室内则充满了对红外线不吸收的惰性气体（通常为N2）。当光信号通过分析室时，分析室内的被测气体将吸收对应频率的红外光能。这样一来，就造成了从分析室和比较室射出的红外光束能量的差别，此光束进入用膜片隔为两半的检测室。检测室的两个腔内充满纯净的被测成分气体，膜片和极板构成一个可变电容器，其电容量与其间的距离成比例变化。由于两光束辐射能量已不相等，气体受热膨胀产生的压力不等，使膜片变形，电容量发生变化，此变化经放大器放大后，并经整流得到直流信号送给仪表读数显示。被测气体的浓度越大，电容量变化愈大，输出信号也愈大。NDIR的测量频率低于1Hz，但经优化后可以达到10Hz。
在分析室的上方或下方设有过滤室，主要是用来滤除测量时的干扰。若排气中含有某些与被测气体有重叠吸收的物质时，势必要产生测量误差。为了防止误差产生，可在过滤室内充满高浓度的干扰气体，从而可以吸收掉相同成分的特征波长的辐射。如要测定CO浓度，为了除掉排气中CO2气体的
它将把红外光源中4~4.5μm波长的光干扰，则可在过滤室中充满CO2气体，吸收掉，从而达到准确测定CO的目的。
2) 氢火焰离子化分析仪（FID） 氢火焰离子化分析仪（FID，Flame Ionization Detector）主要用作测定碳氢化合物HC的总量，图4—4为其测量原理简图，它的工作原理是，通常情况下纯氢气与空气燃烧时离子化作用比较小，但当有碳氢化合物（HC）加入到氢火焰中时，在氢火焰2000℃的高温作用下，部分分子和原子就会离子化产生大量的自由离子，而且离子化的
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程度与碳氢化合物分子中碳原子数成正比关系。在外加电场作用下，可以使自由离子形成离子电流并产生微电流信号，通过测量离子电流的大小即可确定试样中碳氢化合物HC以碳原子计量的浓度。
因为水蒸气对测量精度有影响，所以废气在进入FID前，必须保温。通常采样导管的温度保持在180℃左右。另外，样气、氢气和空气的流量变化对FID的灵敏度的影响很大，为了保证测量精度，必须保持样气的体积流量恒定。通常发动机排气中的HC的浓度较高，一般在1000ppm以上，所以流量应控制在10~50mL以下。
FID对废气成分变化的影响时间小于0.5s，即响应频率大于2Hz，经优化的FID可以达到10Hz左右。FID在测定HC浓度从几个ppm到5000ppm的范围内，都具有比较好的线性关系。为了安全起见，试验中不单独采用氢气作燃料，而使用40%氢+60%氮作燃料。
FID的测量灵敏度高，测量范围广。它是废气排放法规中要求采用的测量仪器，可以用于加速、减速等动态过程的测量。
3) 化学发光分析仪（CLD）
化学发光分析仪（CLD，Chemiluminescent Detector）主要用来测定氮氧化物NOX的浓度。其测量原理如图4—5所示，一氧化氮NO与臭氧O3之间的自发反应为：
NO+O3→NO∗2+O2
∗
2
NO→NO2+hυ(红光）
当反应进行到20%左右时，便产生电子激发态的二氧化氮分子，这些激发态分子衰减到基态时便辐射出波长为600~3000nm的光子hν，波长约为1200nm时强度最强。当臭氧O3过量时，光强与NO的浓度成正比。通过光学方法可以测得化学发光（辐射）的强度。
为了能够测量废气中的NO2浓度，在测量前，应将废气通过一个被加热（温度为400℃左右）的碳转换器，使得NO2转换成
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NO。因而，由测量仪器测得的NO浓度实际上是NO和NO2的总和，即通常所指的NOX的浓度值。如果，废气不经过碳转换器，则所测得的就只是废气中NO的浓度。测试信号是通过每一时间单位内在反应室中产生的NO2分子数来确定的。使用CLD法测量时，应尽量增大O3的浓度，以提高分析仪器的灵敏度。反应中的O3是由臭氧发生器提供的，它是一种放电装置。在测定试验中，还要经常检查NO2的转换效率，以及臭氧发生器的效率，如果效率低到一定程度（90%）将影响测试精度。
CLD法具有很高的灵敏度，反应速度很快（一般为2~4s），线性好，适于低浓度测量，它能够连续、快速精确地测定废气中NOX的浓度，仪器经优化后的测试频率可以达到10Hz。 4) 排放试验中氧气浓度的测定 气体有顺磁性气体和抗磁性气体之分，在磁场的作用下，顺磁性气体被磁极吸引，抗磁性气体被磁性排斥。在发动机排气中，只有氧气和氧化氮具有顺磁性特性。
测定氧气的仪器为氧顺磁分析仪，图4—6为它的结构简图，气样被放入一个水平放置的薄壁玻璃管中，这个玻璃管外部有永久磁体的磁场作用，当气样中含有氧气时，这个磁场产生的磁力将驱使气样流向磁场强度强的地方。在磁场强度最强的地方（磁极的边缘处），绕在玻璃管外的电热丝将样气加热，加热后的气体磁性下降，磁铁对它的吸力小于冷态的气体。这样，在磁场的作用下，冷的样气被吸到磁极边上的玻璃管里，把热的样气挤走。冷的气样在这里被加热，而后又被挤走。这样在玻璃管中就
形成气体的流动，即磁风，它的速度和样气中的氧的浓度成正比。 可以将用于加热的电热丝制成能够测量流速的形式，为此应选择电阻值随温度的变化而变化的材料。这样一来，仪器的结构可以得到进一步的简化。磁风带来的冷气样对电热丝在磁极中间的一半进行冷却，这样电热丝在磁极中间和在磁极外面两部分的电阻值比例就随着磁风强度（也就是氧气的浓度）的变化而变化。通过测量阻值的变化，即可知道氧浓度的大小。
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4.2与排放分析仪有关的信号量
在发动机试验台计算机测控系统中，与排放分析仪有关的信号量有很多，按信号的类型及输入输出方向，可以将它们分为输入模拟量、输入数字量、输入中断量以及输出数字量。这些信号量对于实现排放试验计算机控制是非常重要的，以下列出几个表格，进行分类说明。
表4—2列出的是与排放分析仪有关的模拟量，这些模拟量的方向如表中所示，是由设备指向CPU，主要有7个量，这些模拟量均为0~10V之间的电
压量，表中的地址为它们在原来计算机系统中的地址定义，改造后的地址定义可以参考第2章的表2—1A。其通道号表出了它们在转接板上的具体位置，通过软件控制，CPU可以读取这些数值，它们实际就是我们所需要的排放分析仪的输出值，待测废气的浓度值与该信号之间成线性关系，通过该值大小可以换算出所测气体的浓度值。每种气体分析仪都装备有标准的数字电压表，从对应的数字电压表上，可以直观的看到这些输出值的大小。另外，用于测定CO的，总共有3个NDIR分析仪可供选择，它们的精度不同，随着排放标准的日趋严格，通过试验员的试验结果表明，这里只需要使用精度最高的NDIR4分析仪即可。因此，在数据采集和处理时，通道71、72实际是没有用到的。
表4—3列出了与排放分析仪有关的非模拟量输入信号，其中1~8针为输
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入状态量，都是数字量，原主控小型机的CPU读入这些量，通过它们的状态来判断排放分析仪的工作情况。CPU-ON LINE为高电平有效信号，用以判断
排放试验是否为在计算机控制下自动进行；READY为准备好信号，也是高电平有效信号；MEAS为向排放分析仪提供样气，高电平有效信号；PURGE为清洗信号，在测量前后都要进行此操作；RESET为复位信号，如果此信号为高电平，则系统所有的操作被恢复到试验前状态；UNDER CAL信号是对样气进行标定，也是高电平有效信号。表中的地址指出了上述这些信号在转接板的对应位置，改造后的地址可以参见第2章的表2—1A。这些信号量实际反映了排放分析仪的控制面板的控制键的状态，通过这些控制键，可以手动设定系统的工作状态，计算机查询这些状态量从而获得系统的工作情况。9~18针为中断量，均为上升沿触发信号，在原系统中作为报警信号，它们共享中断10，当有中断产生时，CPU可以通过查询存储器766020和766022的状态来判断究竟是那个中断信号产生的中断请求。CAL END是标定气体结束；COOLER信号用以控制冷却单元中循环水的温度，当此温度值超出1~10℃范围时，中断信号触发；当排气流量超过300cc时DRAIN中断信号触发；FLAME用来监视HC分析仪中氢火焰，如果火焰熄灭则触发中断；LINE TEMP用来监督加热管的温度，当高于或低于规定值将触发中断；ZERO READ(a)、ZERO
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READ(b)零气标定值；SPAN(a)、SPAN(b)是满气标定值。这些中断信号与系统之间有互锁功能，当其中任一中断信号触发时，系统将立即停止工作，直到中断处理完毕为止。改造时可以有选择地对其中一些必须的信号进行处理。
表4—4是有关排放分析仪的量程状态的量，均为数字量，其方向如表中所示，为从设备到CPU方向。每一位信号位都代表分析仪一定的量程范围，
它们都是按照BCD进行编码的。对于测定HC和NOX的分析仪，因它们都各有9个量程，所以需占据4位来表示，每一位都是高电平有效信号；对于O2的测定，因该仪器具有3个量程，故需要2个数字位来表示；对于CO和CO2的测定，因其分析仪拥有2个量程范围，所以只需要1位表示即可，当该位为低时，表示测量的量程是1，当该位为高时，其量程为2。表中的地址也是原来计算机系统的地址，更改后的地址可以参照第2章的表2—1A。计算机系统通过软件将各个测量仪器的状态位读入CPU，从而可以判断测量仪器当前所使用的量程。由于已经不使用NDIR2和NDIR3这两个分析仪测定CO的浓度，所以表4—4中的该项内容，在新计算机系统中不再考虑。
表4—5是关于计算机向分析仪发出的控制量程的信号，都是数字量输出。每种型号的分析仪，按照其量程数，来决定控制信息的位数，控制信息位也是BCD编码，其位数与表4—4相同。表中的地址也是原来计算机系统的地址，更改后的地址可以参照第2章的表2—1A。这个表的内容对于发动机排
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放试验实现自动数据采集和处理很有意义。计算机根据读入的测量值来判断
测量的数据是否超出了仪器的测量范围，如果高于或者低于某一限定值，此即意味着需要更换量程进行测量，这时计算机通过输出合适的信号，改变表征量程位的状态，对测量仪器的量程重新进行选择，在新的量程下重新读数。分析仪的量程转换是通过继电器电路实现的。
表4—6是与排放分析仪有关的控制量，一共有4个，均为数字量输出信号，是计算机用来控制排放分析仪的。MEAS为测定开始信号；PURGE是清
洗信号；CAL START为标定开始信号；RESET为系统复位信号。每个控制信号占有1位，计算机通过软件模拟脉冲信号（信号形式如表4—6中所示）
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来控制排放分析仪的这些功能。表中的地址也是原来计算机系统的地址，更改后的地址可以参照第2章的表2—1A。
4.3 排放试验方法及数据处理
我国汽车污染物排放标准自1983年开始实施以来，几经更迭，随着汽车保有量的不断增加，排放法规也不断严格。根据发动机的类型及使用场合的不同，其执行的标准也不同。这里主要针对所关心的车用汽油机排气污染物标准来说明排放试验的原理过程以及有关数据的处理方法。
4.3.1 车用汽油机排气污染物标准
现行的车用汽油机排放污染物标准为GB14761.2-93，是国家环保局和国家技术监督局于1993年发布的，于1994年5月1日实施，与其对应的测量方法为GB/T14762-93。该标准适用于最大总质量大于3500kg的汽车装用的汽油机排放试验，采用比排放量（是指每千瓦小时或马力小时所排放出的污染物的质量，以g/(kW・h)或g/PS・h表示）试验方法测定CO、HC和NOX三种排气污染物。 试验类型主要有两类：即型式认证试验和产品一致性检查试验。试验类型不同，执行的标准也不同。表4—7给出了国家规定的型式认证标准值，在型式认证试验中，制造厂提交的用于申请型式认证试验的汽油机，其在一次
试验中的比排放量不应超过表中规定的标准值，否则视为不合格；表4—8是
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产品一致性检查试验标准值，在产品一致性检查试验中，制造厂提供一定数量（≥20）的样机，然后随机抽取若干台进行试验，试验结果通过规定的统计计算，如果符合规定的要求则为合格。
4.2.2试验方法分析及数据处理
下面将GB/T14762-93规定的测量方法分成如下几个部分进行分析：即试验条件、分析仪器与测量仪器、试验规范、试验数据记录及读数、试验结果的计算。
1） 试验条件
重型车用汽油机排放试验按规定应该在发动机台架上进行；提交试验的汽油机必须达到制造厂技术文件中规定的性能指标；试验时，发动机试验室温度应保持在298±5K(25±5℃)，其他试验条件应符合JB 3743（汽车发动机性能试验方法）的规定；试验用汽油应采用符合GB 484规定的汽油，试验结果如有争议应采用标准汽油进行仲裁；试验时，必须带空气滤清器。
2） 分析仪器与测量仪器
法规规定，采用不分光红外线分析仪(NDIR，Non-dispersive Infrared Analyzer)测定CO及CO2的排放浓度；采用加热型氢火焰离子化分析仪(HFID ，Heated Flame Ionization Detector)测定HC的排放浓度(温度加热到130±10℃)；采用化学发光分析仪(CLD ，Chemiluminescent Detector)测定NOx的排放浓度，若无这种仪器，允许采用NDIR分析仪测定NOx的排放浓度。采用直接连续取样法采集排气气样，取样导管(除1.2m的取样探头外)应全部加热，并保持在130±10℃范围内。测量汽油机转速、扭矩(测功机磅秤读数)、燃油消耗量以及各种温度、压力等所用的仪器仪表及其测量位置和测量精度均应符合JB 3743的规定。
3） 试验规范
试验采用9工况法进行，表4—9是汽油机9工况法循环表，试验时应严格按照表中所规定的工况和顺序进行。
除怠速工况外，汽油机测功机应在稳定转速(2000±100r/min)下运转，每一工况的最初10s内，转速偏差不得超过±200r/min。表4—9中规定的工况时间，挂档滑行工况允许误差为±2s，所有其他工况允许误差为±4s。汽油机每个非挂档滑行工况运转时间为60s，前35s为控制期，允许对发动机、测功机进行调整；第36s到第50s为稳定期，这时要求扭矩值与扭矩规定值的误差保持在最大扭矩的±5%内；第51s到第60s为排气分析期，分析排气中各
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组分的浓度，并连续记录在长图记录纸上。这时要求，扭矩值与扭矩规定值的误差保持在最大扭矩的±2%内，例如第3工况在稳定期的扭矩值应保持在
最大扭矩的50%～60%之间，而排气分析期的扭矩值应保持在最大扭矩的53%～57%之间。对于挂档滑行工况，分析仪应分析第11～60s期间的排气浓度，并记录在长图记录纸上。怠速工况应在制造厂规定的汽油机怠速转速下运转，用关闭节气门、测功机卸载来达到最后的怠速工况。
法规中规定，在每次试验中，如果出现下列任意情况，则该试验无效，应该重新进行试验：a、试验装置发生故障；b、挂档滑行工况运转时间与挂档滑行工况规定运转时间的偏差超过±2s或其他工况的时间偏差超过±4s；c、非挂档滑行工况的排气分析期扭矩偏差超过最大扭矩的±2%；d、每一工况的稳定期内，扭矩偏差超过最大扭矩的±5%；e、每一工况的前10s，转速偏差
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超过±200r/min，其余工况时间转速偏差超过±100r/min；f、如果不能实现表4—9中规定的工况序号2～8、10～16的运转条件，经主管部门批准，规定的负荷偏差应不超过此试验转速最大扭矩的±5%，加权系数应该依据表4—9中的规定选取。
具体试验步骤如下：
① 安装取样探头，接通CO、CO2、HC和NOx分析仪及其取样系统。 ②按仪器制造厂的规定对CO、CO2、HC和NOx分析仪进行零点和量距的标定。若试验中需用多个量程测量排放浓度，则必须对所用的每个量程都进行零点和量距的标定。
③在执行表4—9试验前， 应先对汽油机进行试车，其程序如下：a、无负荷运转1±0.5min；b、在2000r/min下，以最大扭矩的10%±30%运转4±0.5min；c、在2000r/min下，以最大扭矩的55%±5%运转35±1.0min。可以使发动机连续运转累积时间大于40min来代替上述试车程序。
④确定2000r/min时最大扭矩值（用以计算每个工况的负荷百分数）；在2000±100r/min下油门全开运转3min，从第2min开始，记录最高和最低两个扭矩值，用它们的算术平均值作为样机在2000r/min时的最大扭矩值。
⑤在环境温度为298±5K（25±5℃）的条件下，停机至少1h，但不得超过2h。
⑥按照制造厂规定的起动和暖车程序起动和运转发动机。暖车程序的持续时间应为5±0.5min。
⑦按表4—9的规定进行试验。
⑧如试验失败，不必重复③中的内容，而直接从⑤开始重新进行此试验。 ⑨完成最后一个工况后的6min内，复核②条中分析仪的零点及量距，若试验前后各分析仪零点及量距偏差出现下述情况之一，则已做的排放试验无效，应重新进行试验：a、大于155ppm（ppmC）量程档，零点漂移超过分析仪记录线满刻度的±2%，小于155ppm（ppmC）量程档，零点漂移超过分析仪记录线满刻度的±3%；b、零点与量距点的间距偏差超过分析仪满量程的±2%。
4） 试验数据记录及读数
应连续进行排放试验，并将每个工况的CO、CO2、HC和NOx分析仪的输出信号记录在长图记录纸上，走纸速度不小于75mm/min。
试验前应记录的各项参数包括：a、测功机型号；b、测功机臂长；c、汽油机生产厂家；d、汽油机型号和编号；e、2000r/min时的最大扭矩；f、试验
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地点；g、试验日期及试验时间；h、试验编号；i、试验室环境温度、压力和湿度；j、试验人员（仪器操作者和发动机操作者）；k、分析装置最近一次的标定日期；l、分析仪型号；m、燃油标号；n、燃油密度；o、标出记录仪图线所用的每个量程的零位迹线和量距迹线。
试验中，每个工况应记录的各项参数有：a、转速；b、扭矩；c、进气温度；d、燃油消耗量。
试验后应记录的各项参数为：a、标出记录仪图线所用每个量程的零位迹线和量距迹线；b、试验室环境温度、压力和湿度。
依据排放测量记录线读数：首先在CO、CO2、HC和NOx的记录曲线上，找出每一非挂档滑行工况最后10s记录线位置，及挂档滑行工况最后50s记录线位置；然后将最后10s或50s的记录线至少分成10个等分间隔，确定每个等分间隔的记录线读数；最后对于线性仪器，对记录线读数取算术平均值，由标定数据确定记录线读数平均浓度值，而对于非线性仪器，计算确定的每一记录线读数浓度，对每一工况取这些浓度的算术平均值作为此工况排放浓度值。
5） 试验结果的计算
排放试验的结果规定用一次排放试验的CO、HC和NOx加权比排放量（g/kW·h）表示。
试验结果的计算方法如下：
①按照式（1）确定表2中每个工况的HC干基排放浓度。
DHC=WHC/KW (4.1) 式中： WHC——排气中HC湿基体积浓度，ppmC；
DHC——排气中HC干基体积浓度，ppmC； KW——干、湿基浓度换算系数。
② 计算每一工况中CO、HC和NOx的质量排放公式：
GCO=(MCO/(MC+n×MH))×DCO×Gf×1000/TD (4.2′) GHC=DHC×Gf/(10×TD) (4.3′)
GNOX=(MNO2/(MC+n×MH))×(DNOX×Kh×Gf/(10×TD)) (4.4′)
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TD=DCO+DCO2+DHC/10000 (4.5)
式中： GCO—— 每个工况中的CO质量排放量，g／h；
GHC—— 每个工况中的HC质量排放量，g／h； GNOX—— 每个工况中的NOx质量排放量，g／h； MCO—— 一氧化碳的摩尔质量，MCO＝28； MNO2—— 二氧化碳的摩尔质量，MNO2＝46； MC—— 碳原子的摩尔质量，MC＝12；
MH—— 氢原子的摩尔质量，MH＝1； Gf—— 每个工况中的燃油消耗量，kg／h； Kh—— NOx浓度进气修正系数；
；n —— 燃料中氢碳原子数比，对于汽油n取值1.85（可用实测值）
DCO—— 每个工况排气中CO干基体积浓度，％； DCO2—— 每个工况排气中CO2干基体积浓度，％； DNOX—— 每个工况排气中NOx干基体积浓度，ppm； DHC—— 每个工况排气中HC干基体积浓度，ppmC；
TD—— 为简化公式所用的代用符号。
③ 计算每个循环的比排放量公式：
BSHC(t)=∑(GHC×Wf)/∑(P×Wf) (4.6) BSCO(t)=∑(GCO×Wf)/∑(P×Wf) (4.7)
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BSNO(t)=∑(GNO×Wf)/∑(P×Wf) (4.8)
XX式中： t —— 试验循环编号，t=I，Ⅱ；
P—— 每个工况的实测功率，kW；
Wf—— 每个工况的加权系数，见表4—9；
BSHC—— HC比排放量，g／kW·h； BSCO——CO比排放量，g／kW·h。 BSNOX—— NOx比排放量，g／kW.h；
④ 计算一次试验中的CO、HC和NOx加权比排放量公式：
BSHC(T)=0.35×BSHC Ⅰ()+0.65×BSHC(Ⅱ) BSCO(T)=0.35×BSCO(Ⅰ
)+0.65×BSCO(Ⅱ) BSNOX(T)=0.35×BSNOX(Ⅰ
)+0.65×BSNOX(Ⅱ) 式中： BSHC(T)—— 一次试验中HC的加权比排放量，g／kW·h；
BSCO(T)—— 一次试验中CO的加权比排放量，g／kW·h；
BSNOX(T)—— 一次试验中NOx的加权比排放量，g／kW·h；
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(4.9)
(4.10) (4.11) 吉林大学硕士学位论文
第5章 排放试验程序设计及测试
开发出专用接口卡以及对整个发动机台架试验系统所做的研究，其最终目的就是要实现发动机试验台的计算机自动控制和数据采集处理。为了充分挖掘原设备的潜力，提高系统的使用效率，并减小系统测量误差，本章从控制策略和数据处理方法上作了研究，编制了一个具有基本功能的排放试验程序，并在实验室中对该程序做了模拟测试。
5.1 排放试验系统的控制策略研究
在汽车发动机的性能指标中，转速、扭矩和功率很重要，它们之间的关系式为：
Pe=Te
2πn
×10−3(kW) (5.1) 60
其中：n—转速，r/min
Pe—有效功率，kW Te—有效转矩，N・m
有效转矩指的是通过发动机曲轴上的飞轮向外输出的转矩，它是燃料在汽缸内燃烧，膨胀做功所产生的力除去发动机为了克服内部运动的摩擦损失和驱动各辅助装置之外，最终可供汽车使用的转矩。有效功率是指发动机在
单位时间内向外做功的能力。从公式(1)可以看出，发动机在有效功率Pe一定当汽车稳定运行时，发动机转速 n的情况下，其有效转矩Te与转速n成反比。一定，发动机发出的有效转矩等于汽车的阻力矩。因此，可用有效转矩Te来说明外界给发动机负荷的大小，用转速n表示工作转速，Te和n说明了发动机所处的运行状况，简称为发动机的工况。
在发动机排放试验过程中，要模拟各种不同工况，需要对发动机转速和转矩进行控制，这时就要对发动机油门开度和测功机励磁的大小进行调节，通过对油门开度的控制来调节发动机的转速，通过对测功机励磁大小的控制
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来调节模拟负载转矩，以便满足试验工况的要求。
发动机的油门开度由试验台的油门执行器来控制，它的基本原理是这样的，由模拟电压量控制伺服电机，在伺服电机的驱动下，使发动机油门在最小供油量位置与最大供油量位置之间变化。外界输入的控制电压为0~10V的模拟电压。输入电压与油门位置成线性关系，电压增大油门开度也增大，但是由于油门执行器与发动机油门之间为机械式连接，所以存在机械空程、初始位置改变等问题，从而导致二者之间的关系无法用确定的函数关系表示，给控制带来不准确因素。
本试验台FEB-DHC型直流电力测功机，最大扭矩为107kgf·m，最高转速为6000r/min，其扭矩值与控制电压之间成线性关系。通过测量测功机的扭矩值可以知道发动机的有效转矩的大小。而且，通过实践证明，测功机的这种线性关系可以实现比较精确的控制，其控制电压也为0~10V的模拟电压。通过对测功机进行标定，可以获得测功机在不同控制电压下的对应扭矩值，采用最小二乘法可以拟合出测功机扭矩T与控制电压U之间的函数关系：T=f(U)或U=f−(T)。最小二乘法是从整体上逼近数据曲线的一种方法，采用最小二乘原则进行曲线拟合。
为了实现对发动机各种试验工况的自动调整，可以采用同时对测功机的扭矩与发动机转速进行调整的办法，通过计算机系统对当前测量结果的反馈值与工况点的扭矩、转速的给定值进行比较，通过数字PID控制器对油门开度进行调节，通过反馈控制算法按函数关系T=f(U)或U=f−(T)对测功机控制电压进行修正，从而可以快速、准确地实现对发动机试验工况的控制和调整，继而完成对整个排放试验的测量工作。
测功机的控制电压与扭矩的标定需要定期进行，这样可以保证控制的快速性和精确性。在正常情况下，应当至少一个月进行一次标定。在每次标定后，通过新的数据用同样的方法可以得到函数关系T=f(U)或U=f−(T)的控制模型，通过修改软件可以很容易的实现在新的条件下对测功机扭矩的控制。
数字PID算法是一种单输入单输出控制方法。采用数字PID控制器对油门开度进行控制，主要基于以下考虑：a) PID算法能在未知受控对象运动规律的情况下进行反馈控制，由于油门控制器的机械特性造成的控制不准确性，所以在目前条件下，采用PID算法是合适的；b) PID控制器参数之间相互独立，调节简单，控制可靠。
位置型PID控制算式的递推形式为：
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u(k)=u(k−1)+Kp{e(k)−e(k−1)+
Te(k)TD
+[e(k)−2e(k−1)+e(k−2)]} TIT
(5.2)
其中：Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；T为采样
周期；e(k)、e(k-1)和e(k-2)分别为采样时刻k、k-1及k-2的偏差值；
u(k)和u(k-1)为采样时刻k和k-1时的输出控制量。
如图5—1所示，为用PID算法对油门执行器进行控制的框图，在虚线框
中的部分由控制微机来完成，首先取给定值r和反馈值c形成偏差e，然后按照PID算式进行计算，得到用于控制执行器的电压控制量u，最后对被控对象伺服电机进行最终的控制。
发动机试验工况调整的控制程序流程如图5—2所示。整个控制过程是这样的：首先对试验工况点进行设定，明确试验工况点之后，对当前工况点进行测量，将二者进行比较，如果已符合设定要求则不需调整，只进行监控即可，如果不符合要求，则采用相应的控制方法对油门执行器和测功机的控制电压分别进行调整，为了安全起见，需要对调整后的工况点进行判断，如果不合乎设定的安全值，则须对工
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况点作重新调整，在合乎安全标准后，再将调整后的控制量与设定工况点比较，若还不符合设定要求，则对工况点重新进行调整，直到符合设定工况点为止，此时转入对工况点的监测过程，直至整个排放试验测量结束，最后退出工况调整程序。在测量过程中，如果工况点改变值超出试验标准范围，则试验失败。
硬件方面，起关键作用的是自制接口卡，该卡从实现的功能上来看，可以认为是对微型机总线的一种扩展，即可称该卡为扩展总线接口卡。表5—1中所列的是原计算机系统中与转速、扭矩和油门开度有关的模拟量输入，其
中的地址是该模拟量在转接板中的具体位置，改变后的地址可以参考第2章的表2—1A。CPU通过软件经接口卡上的A/D转换器可以将这些信号及时读入计算机中供控制分析使用。通道记数为8进制。
微型机测控系统根据设定的目标扭矩和转速，利用前面所述的控制方法，计算出控制量，此值经过接口卡上的D/A转换器输出相应大小的模拟控制电压给执行设备，再通过CPU读入新的测量结果进行反馈调整，从而实现了发动机试验工况的闭环控制和调整过程，继而完成指定工况下的试验测量工作。
5.2 排放测量仪器的标定
排放试验法规中规定，在试验之前，必须按仪器制造厂的规定对CO、CO2、HC和NOx分析仪进行零点和量距的标定，对于试验中需要使用多个量程来测量废气浓度的情况，则必须对所用的每个量程都进行零点和量距的标定。在这一节里将对排放试验中使用的测量仪器的标定方法进行研究，进而提出由计算机实现自动标定的方法，采用软件控制标定过程，以保证计算机对数
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据进行处理的准确性。
5.2.1原系统手工标定方法
原系统手工标定过程是由试验员控制排放分析仪的操作面板完成的，具体标定过程由仪器自动完成，试验员只需通过各测量仪器所带数码显示装置将标定值记录下来即可。
这种标定过程只能对各测量仪器的最小量程进行标定，而且只能采用两
。标零时采用高纯N2作为零气；对于满气标点标定，即零点和满点（SPAN）
定，标定气体的浓度一般为满量程的80%左右，试验中采用C3H8标定HC，采用CO气体标定CO和CO2，采用NO气体标定NOx。在排放试验中，一
般试验员也测量O2的浓度，这主要是为了便于检查在试验过程中是否有漏气的现象发生，O2的标定气体为其本身。
5.2.2计算机自动标定方法研究与实现
通过以上分析，可以看出，由于手工标定的量程受设备本身的限制，而且只能对两点进行标定，这样势必给标定的结果造成比较大的误差。为了提高标定的可靠性，这里采用软件的方法对各分析仪进行多量程、多点标定。 从第4章第1节的表4—2、表4—3、表4—4和表4—5可知，CPU通过软件可以实现各测量仪器各量程之间的转换，也可以通过读入量程信息来判断当前测量仪器所处的量程状态，而且CPU也可以将所测气体浓度值读入，这都为实现多量程和多点标定提供了方便和可能。
对于量程切换，CPU只需将代表指定量程的BCD编码送入指定I/O端口即可完成。要了解当前量程范围，CPU只需将指定I/O端口状态读入，经过判断即可知道当前使用的量程。因此，通过计算机的控制可以实现气体分析仪各个量程之间的切换，从而可以对不同量程分别进行标定。
为了尽量减小因2点标定带来的标定误差，同时为了减少标准气体种类，这里采用3点标定方法对各测量仪器的每个量程都进行标定。在原来零点和SPAN点之间多加一个标定点。用于该点标定的标准气体可以向有关单位提出要求购得。在标定处理方法中用到线性插值算法，它实际上是拉格朗日（Lagrange）插值算法的一种特殊形式。拉格朗日插值公式为：
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Ln(x)=∑∏
k=0i=0
i≠k
nn
(x−xi)
yk (5.3)
(xk−xi)
其中：Ln(x)为拉格朗日插值多项式，其次数不高于n； xi，xk为插值节点；
yk为对应节点xk的节点值。
对于公式(5.3)，当n=1时，就是两点一次插值，即线性插值，其公式为：
x−x0x−x1
L1(x)=y0+y1 (5.4)
x0−x1x1−x0
或 L1(x)=y0+
y1−y0
(x−x0) (5.5)
x1−x0
线性插值公式的几何意义是：用平面曲线y=f(x)上的两个点M0(x0,y0)，
M1(x1,y1)确定一条直线y=Ln(x)作为y=f(x)的近似曲线。
现以碳氢（HC）分析仪为例，说明用3点标定法对其最小量程进行标定的过程。如图5—3所示，在标定时，假设所标零点为真实点，将它作为两点中的一点M0；取另外两个标定点P0、P1所组成的线段的中点作为公式中的另一点M1；由M0、
M1两点作为线性插值公式中的
两个节点。在使用该量程测定碳氢浓度时，通过所测电压值按照线性插值公式即可求得对应的
碳氢气体浓度值，此时插值曲线为L2。如果采用原来的两点标定的方法，其插值曲线将为L1。在试验过程中，如果点P0、P1与点M0恰好在同一直线上，则此时L1与L2重合，这并不会出现矛盾。显然用3点标定的方法要比原来2点标定更加合理、可靠。
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5.3排放试验程序的设计
无论是排放试验程序还是性能试验程序等，其编程技术具有很多共同点。在这一节里将介绍几种编程技术，并对排放试验程序的具体实现进行说明。
5.3.1 Windows98下的硬件中断处理方法
为了充分利用微机系统的CPU资源，可以采用在中断过程中处理试验台的控制、数据采集及安全报警等问题。微软公司的Windows98操作系统具有良好的图形用户界面，支持多任务，可实现多个进程间的协同工作，在工业领域里得到了广泛的应用。
Windows98操作系统与DOS操作系统不同，它不能直接和硬件打交道，因而无法立即响应外部事件中断，要建立与硬件设备之间的联系，必须采取其他的方式。
目前普遍采用的中断处理方法有两种：一种是编写DLL程序，另一种是编写虚拟设备(VxD，Virtual x Device)程序。这两种方法在处理方式和效果上是有区别的：VxD程序是作为操作系统的组件运行于Ring 0层，具有最高的权限，而一般的DLL程序则在 Ring 3层运行，权限最低(Windows98操作系统只使用了处理器4个特权级中的2个，即Ring 0和Ring 3)；相对而言，VxD程序的可靠性更高，执行的速度也更快，一般至少要比DLL程序快2~3倍。 本处采用VxD技术来处理Windows98下的硬件中断。为了更好的理解它的中断处理机制，先介绍虚拟机(VM，virtual machine)概念。VM是由系统创建的假象，它指的是一个任务具有自己的执行环境，包括内存空间、I/O空间、中断操作和寄存器。Windows引入VM是为了支持存在的DOS应用程序。对于一个DOS应用程序来说，总认定自己是唯一运行的应用程序，常常直接访问硬件，独占所有的系统内存和系统运行时间，但是在Windows环境中，DOS应用程序并不是唯一运行的应用程序，因此Windows创建VM供DOS应用程序运行。当一个系统虚拟了所有或者几乎所有的程序可访问的虚拟资源时，它就创造了一个VM。VM的管理主要由虚拟机管理器(VMM)完成。VMM利用系统的硬件，可同时创建一个或几个相互独立的VM，每个VM都有自己的虚拟执行环境。所有的Windows应用程序（Win32应用程序和Win16应用程序）运行在一个VM内，即系统VM，而每一个DOS应用程序运行在自己独立的VM内。在VM中的程序运行在Ring3层。
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在Windows98环境下，处理器运行在3个不同的状态。当DOS应用程序执行时，处理器运行在V86模式中（在一个V86 VM中）；当系统VM执行
或者一个DOS VM已经切换到保护模式时，处理器运行在Ring3层保护模式中；当VMM或者VxD执行时，处理器运行在Ring0层保护模式中。 Windows环境下处理硬件中断的过程如图5—4所示，尽管Windows运行时中断描述符表(IDT)仍然存在，但应用程序并不使用它，而是将所有的中断描述符表(IDT)入口指向VMM中的一个例程，由VMM例程来确定它是作为异常事件的结果，还是作为中断的结果而被调用。VMM自己管理异常事件，而将所有的硬件中断交给虚拟可编程中断控制器VPICD(Virtual Programmable Interrupt Controller Device)的VxD处理。如果一个VxD已为中断进行了注册（即ISR），则VPICD就将此中断交给VM，由VM按映射（reflection）处理。
使用Video Software提供的VtoolsD中的QuickVxD工具开发VxD程序，由于它提供了C/C++类库支持，所以可以方便快速的生成VxD的代码框架。VxD程序的结构主要包括三个基本的框架类：VDevice类、VVirtualMachine类和VThread类，在用QuickVxD创建VxD 工程文件时，其.h文件和.c/cpp文件自动包含了这三个类的声明和处理函数。其中与开发驱动程序有关的类只有VDevice类，其它两个类的声明和处理函数可以删除掉。
图5—5是利用VxD程序实现Windows下Win32程序对硬件中断处理的一般流程。VxD提供了两种类对硬件中断进行处理：即VHardwareInt类和VSharedHardwareInt类。二者主要区别在于是否允许一个IRQ被多个VxD虚
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拟化，即多个VxD能否共享一个硬件中断。前者不行，后者允许。
5.3.2多线程编程技术
在发动机试验过程中，计算机同时要进行多种工作，例如，数据采集、数据处理、对试验台的控制以及监视等等，这就需要试验程序能够满足多任务的需求。编写多线程程序是实现Windows操作系统下多任务机制的重要方法。
在Windows98环境下，一个Win32应用程序可以运行多个实例，每个应用程序实例即是一个独立的进程，而一个进程可以由一个或一个以上的线程来实现。线程是一个代码单元，在操作系统中运行时标志着代码的运行流。每个进程都有自己的虚拟地址空间，进程的所有线程共享同一地址空间。每个线程被CPU分配一个时间片，一旦被激活，它正常运行直到时间片耗尽并被挂起，此时，操作系统选择另一个线程进行运行。基于Win32的应用程序可以通过把给定进程分解为多个线程来提高CPU的利用率，同时可以提高程序的运行效率和交互反应能力以及后台处理能力等。
Visual C++ 6.0是微软公司推出的开发Windows 95/98/NT 32位应用程序的可视化开发工具，利用该软件可以开发出规模更大、功能更强的各种Windows应用程序。这里采用该开发工具来设计排放试验程序。用Visual C++ 6.0开发多线程的程序，实际是在一个单线程（即主线程）程序的基础上增加辅助线程而构成的。在Visual C++中利用MFC编程时，线程被分为两大类：工作者线程（worker thread）和用户界面线程（user interface thread）。前者常用于处理后台任务，后者常用来独立地处理用户输入和响应用户事件。此处采用用户界面线程来编写排放试验程序。用户界面线程类是从MFC的CwinThread派生来的，它即可以通过AfxBeginThread函数，也可以先创建线程对象，然后调用其成员函数CreateThread来启动，适用于用户界面线程的函数原型为：
CwinThread * AfxBeginThread ( CruntimeClass * pThreadClass，
int nPriority=THREAD_PRIORITY_NORMAL， UINT nStackSize=0， DWORD dwCreateFlags=0， LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttrs=NULL )；
在该函数中：第一个参数为从CwinThread中派生的运行类；第二个参数为当
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前线程的优先级；第三个参数为当前线程的栈的大小；第四个参数为当前线程的创建状态；第五个参数为当前线程的安全属性。
5.3.3程序设计
这里编写了一个排放试验程序，它在Windows98平台下，采用了VxD技术对硬件事件进行处理，同时采用多线程技术，来实现排放试验过程的控制、数据采集、处理、屏幕显示以及安全监测功能。
该程序在主线程的基础上增加了两个线程：线程2和线程3。其中线程2用于加载VxD，并实现与VxD之间的通信，线程3用于捕捉硬件中断事件，并在屏幕上显示试验数据的处理结果以及几个关键的监测参数。两个线程之间使用事件对象技术实现通信。事件对象用类Cevent来表示，一个事件有两种状态：信号态和非信号态，在创建一个事件对象以后，该事件对象自动地处于非信号态；通过调用事件对象的SetEvent()或PulseEvent()成员函数可以使该事件对象处于信号态；线程通过调用函数WaitForSingleObject()对事件对象的信号状态进行监视，当事件处于非信号态时，系统将该线程挂起，直到事件处于信号状态时才继续执行该线程。
在线程2中用使用CreateFile()函数动态加载VxD来获得VxD的设备句柄；如果动态加载成功，应用程序则可以调用DeviceIoControl()函数实现对VxD的通讯，在VxD中与该函数对应的是 OnW32DeviceIoControl()函数。 在VxD程序里，将完成以下主要工作：硬件端口的初始化、D/A转换器的控制、数据初始化、数据采集（包括A/D转换器模拟量采集和I/O端口开关量的采集）、数据处理、报警处理以及与应用程序之间的通讯等。在VxD中，所有初始化工作在.cpp文件中完成，在Vdevice类的派生类中重载了三个成员函数：分别为 OnSysDynamicDeviceInit()、OnSysDynamicDeviceExit()以及 OnW32DeviceIoControl()。在函数OnSysDynamicDeviceInit()中完成IRQ端口的虚拟化、硬件端口的初始化、数据的初始化等工作；在函数OnSysDynamicDeviceExit()中完成动态卸载VxD程序以及停止外部计时器计时；函数OnW32DeviceIoControl()实现了VxD与应用程序的通讯，在此函数中通过添加对应的应用程序调用VxD的命令代码，VxD根据此命令代码做相应的处理。控制算法、数据采集、数据处理和报警处理工作则在重载的中断通知处理成员函数OnHardwareInt()中完成。当硬件中断发生时，就需要VxD来通知应用程序，此处采用VxD异步过程调用的方法来实现VxD对应用程序的通信，由应用程序进行相应的处理。在应用程序的线程2中执行SleepEx()
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使该线程处于警觉等待状态，当VxD捕捉到硬件中断事件发生时，便调用VWIN32_QueueUserApc()函数给应用程序发消息，也就是触发了Ring3层应用程序的回调函数WINAPI CallBackApc()，在回调函数中，调用PulseEvent()成员函数使被挂起的线程3继续执行，从而实现了数据处理结果在屏幕上的更新显示。
5.3.4程序测试及实验
此排放试验程序在实验室进行了模拟测试。实验是在假设排放试验中的发动机工况已经调整好，达到了测量要求时进行的。如图5—6所示，实验用干电池组及滑线变阻器等组成的电压发生电路所产生的电压信号来模拟排放分析仪的电压信号（即气体浓度值）输出，用万用表先测量滑线变阻器上的电压值，此值作为理论值用于计算该种废气的浓度。设定好程序的初始值后，运行程序，电压信号经3号柜的转接板，再经过程序通道选择后，被计算机经由接口卡上的A/D转换器读入到计算机中，再由排放试验数据处理程序处理后，直接得到了该废气的浓度值大小。
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实验对CO分析仪在100ppm量程时的数据处理情况进行了模拟，首先假设该分析仪在此量程内标定时经过如下三点：M0(0.211，0)、P0(6.805，66.8)和P1(8.630，85.3)，则根据本章公式(5.5)可以得到其标定曲线为：P=10.13U-2.138，理论计算和程序中数据处理都以此曲线为准。
表5—2是一组实验结果对比，其中的输入电压值一栏为万用表测量滑线变阻器得到的干电池电压值；实测CO浓度值一栏是经过程序处理后得到的 测量值；理论计算值一栏为用公式直接计算得到的值。从表中数据可以看出经过计算机数据处理程序处理后得到的CO浓度值与理论计算值基本符合，这说明排放试验程序能够实现对试验数据的采集和处理，同时也证明了专用接口卡设计合理。二者之间的误差可能是由于在测量滑线变阻器电压时造成的，由于以ppm为单位时，其测定结果通常取成整数，所以这种误差的存在基本上是允许的，二者最大误差可以控制在1%以内。
第6章 结 论
1. 通过本论文的工作证明了用微型计算机取代该发动机试验台的小型机来实现计算机测控系统是完全可行的：
本文针对发动机台架试验系统进行了深入的分析，基本掌握了该设备的结构和工作原理，从发动机试验台试验过程的实际情况出发，针对使用微型机来实现试验的自动控制和数据采集及处理等功能进行了详细的分析。据此，设计开发了发动机试验用的硬件和软件，通过实验证明用微型机取代原小型机来实现发动机试验台计算机测控系统是完全可行的。
2. 设计开发的ISA接口卡能够满足新计算机系统的要求：
本文通过对发动机台架试验系统的分析，有针对性地提出了采集控制接口卡的设计方案，在此方案的基础上研制开发了适合本发动机试验台的采集控制接口卡，并成功地通过了程序调试和功能验证。经实验证明，该接口卡能够建立该设备与微型机之间的联系，完全满足需要。
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3. 对发动机排气污染物测试原理和试验方法做了比较深入的探讨，掌握了排放试验程序的流程以及数据处理的方法：
通过对MEXA-8120D型排放分析仪的组成及原理的研究，以及对有关该分析仪的计算机控制参数的剖析，从而明确了微型机系统软件的主要任务。本文还就适合本发动机试验台进行的重型车用汽油机的排放试验法规GB14761.2-93及其测试方法GB/T14762-93进行了分析，掌握了排放试验程序的流程和试验数据的处理方法。
4. 对发动机试验过程中的控制策略和分析仪标定方法进行了研究，并提出了解决方案：
为了满足试验对工况点的要求，本文针对发动机试验过程中两个需要控制的参数：转速和转矩，做了控制策略研究。对于转速的控制，提出了用数字PID控制算法对其进行控制；对于扭矩，提出了使用最小二乘法对其标定数据进行曲线拟合。在排放分析仪的标定处理方法上，一改以往的2点标定方法，代之以3点标定方法，用线性插值算法实现了对分析仪所有量程都进行标定，充分挖掘出原设备的潜力，提高了系统的效率，减小了系统测量误差。
5. 对试验程序设计方法进行了研究，并针对排放试验进行了程序设计，通过实验证明该程序可以实现数据采集、处理等功能：
讨论了在Windows98操作系统平台下，采用VxD技术来处理Windows98下的对硬件中断的方法，探讨了多线程编程技术。在此基础上，利用Visual C++ 6.0可视化开发工具设计了一个排放试验程序，通过实验证明该程序可以实现排放试验过程中的控制、数据采集、处理、屏幕显示以及安全监测功能。同时，该程序的编写也为完善试验程序设计，全面完成试验程序的开发提供了一条可行的思路。
6. 为同类设备的研制和改造积累了宝贵经验：
本文通过对试验设备和技术的研究和探索，对国内同类设备的改造、升级以及自主开发新型计算机控制的发动机测试设备都具有很好的借鉴意义。
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致 谢
我很高兴能够将论文工作顺利地完成，在这里我要感谢在我的论文工作以及论文写作时给予过我热心帮助的人们。
我的论文工作是在一汽技术中心完成的，在那里我得到了许多人的热心无私的帮助，特别是该中心的程传河高级工程师，他在百忙之中给我提供了便利的工作条件，在工作期间以及写作期间给予了悉心的指导。同时，我还要感谢该中心的耿琦高工、高建军高工、马万庆高工、苏丽敏工程师以及谢良辉助工的大力帮助。
我还要特别感谢我的导师朱喜林教授，他带病为我审阅论文，提出了许多好的建议，这也是我的论文能够顺利完成的原因之一，他那严谨的治学态度非常令人钦佩。另外，我还要感谢机电教研室的陈福恩高工、高春甫副教授、鄂世举老师以及同学林雨伟、段鲁男等的关心和帮助。在此一并表示最衷心的感谢！
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摘 要
在发动机的研究开发过程中，要想缩短研发周期，加快研发进度，减少人力、物力和财力的耗费，除了加大计算过程的投入以提高样机开发的准确性外，就是要对试验技术进行优化，提高试验水平。由于目前还不能提供大量精确的计算模型，因此，有效的试验技术在发动机的研发过程中显的尤为重要。而发动机试验技术是一项系统工程，没有设施完善、功能齐全的实验室和试验台架是无法完成发动机的试验工作的。
本文对日本小野公司(Meidensha Electric Mfg. Co., Ltd.)生产的一套发动机台架试验系统进行了研究，并针对该设备的计算机测控系统不能使用的现状，自主设计、开发出全新的微型计算机测控系统，对国内同类设备的改造升级以及自主开发新型计算机控制的发动机测试设备都具有很好的借鉴意义。本论文主要做了如下工作：
1. 对发动机台架试验系统的结构和原理进行了分析：
本文将该发动机试验台从整体上分成了机械系统、信号测量系统和计算机测控系统三个部分分别进行了分析，掌握了该设备的结构和工作原理。并对该设备的计算机测控系统做了重点分析，基本上掌握了原主控小型计算机系统与外围电路的物理连接关系、控制原理和控制方法。为进一步改造、开发微型计算机系统打下了坚实的基础。
2. 设计开发了专用的采集控制接口卡：
从发动机试验台试验过程的实际情况出发，针对使用微型机来实现发动机试验的自动控制和数据采集及处理等功能进行了详细的分析，并有针对性地提出了采集控制接口卡的设计方案，在此方案的基础上开发了适合本发动机试验台的ISA总线接口卡，该卡具有两个A/D转换器、两个D/A转换器、定时器以及可编程并行接口等，通过该卡可以实现微型机与原计算机系统R-P I/O BUS总线之间的通讯，从而建立了微型机与该设备的联系。该卡成功地通过了程序调试和功能验证。经实验证明，该接口卡完全满足要求。
3. 对发动机排放试验系统和排放试验方法做了比较深入的探讨：
本文对发动机试验台所属的日本HORIBA公司生产的MEXA-8120D型排放分析仪的组成和原理进行了分析，对该分析仪所采用的直接连续采样方法做了分析，同时，对各种气体分析仪的测定原理：即不分光红外线分析仪（NDIR）、氢火焰离子分析仪（FID）、化学发光分析仪（CLD）等做了详细的阐述；对有关该分析仪的计算机控制参数进行了深入剖析，从而明确了微
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型计算机系统在排放试验过程中的主要任务，为软件设计打下了坚实的基础。
本文还就适合本发动机试验台进行的重型车用汽油机的排放试验法规GB14761.2-93及其测试方法GB/T14762-93进行了分析，通过试验步骤和试验结果的计算规范的分析，基本掌握了用计算机软件对数据进行处理的一般流程。
4. 对发动机试验台的控制策略和排放分析仪标定方法的研究：
为了能够满足发动机试验对工况点的要求，本文针对发动机试验过程中两个需要控制的参数：转速和转矩做了控制策略研究。对于转速的控制，提出了用位置型数字PID控制算法对其进行反馈控制；对于扭矩的控制，提出了使用最小二乘法对其标定数据进行曲线拟合，得到控制曲线的方法。在排放分析仪的标定处理方法上，一改以往只对气体分析仪最小量程进行2点标定的方法，代之以3点标定方法，用线性插值算法实现了对分析仪所有量程都进行标定，从而充分挖掘出原设备的潜力，提高了系统的效率，并减小了系统测量误差。
5. 设计了一个排放试验程序：
讨论了在Windows98操作系统平台下，采用VxD技术来处理Windows98下对硬件中断的方法，探讨了多线程编程技术。在此基础上，利用Visual C++ 6.0可视化开发工具设计了一个简单的排放试验程序，该程序可以实现排放试验过程中的控制、数据采集、处理、屏幕显示以及安全监测功能。尽管该程序的可靠性和功能还需要进一步完善，但是该程序的编写方法和编程技术具有一定的通用性，它为完善试验程序设计，全面完成全部试验程序的开发提供了一条可行的思路。
6. 对排放试验程序进行了测试实验，证明了接口卡设计合理：
在实验室里对该排放试验程序进行了模拟测试。实验是在假设排放试验中的发动机工况已经调整好，达到了测量要求时进行的。用干电池组模拟排放分析仪的电压信号输出，设定好程序的初始值后，运行程序，计算机通过接口卡的A/D转换器将该电压信号读入，经过排放试验数据处理程序处理后，直接得到了该废气的浓度值大小。并将该值与理论计算值进行了对比，二者基本符合，其最大误差不超过1%。这说明该程序能够实现对试验数据的采集和处理，同时也证明了专用接口卡设计合理。
关键字：发动机台架试验系统 ISA总线接口卡 发动机排放试验 VxD技术 多线程技术
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Abstract
In order to shorten the period, to accelerate the speed, and to consume less cost in the engine R&D process, test technology must be optimized and test level must be improved besides enhancing the accuracy of sample machine with refined calculation. On account of no accurate calculation model now, effective test technology is very important in the R&D process. However engine test is system engineering. If there were no perfect establishment and complete function of laboratory and test-bed, the engine test would not be completed.
This paper studied an engine-bench test system made by Meidensha Electric Mfg. Co., Ltd. And for the actuality that the computer measure and control system couldn’t work any more, a new microcomputer measure and control system were designed and developed, which will be used for reference when same equipments are upgraded or new types of engine test systems controlled by computer are developed. The main work of this paper is as following:
1. Analyzed the structure and principle of the engine-bench test system:
This paper divided the engine-bench test system into three parts: viz mechanical system, signal measurement system, and computer measure and control system. And through the analysis of them thoroughly, the construct and principle of the engine-bench test system were seized. This paper gave emphasis to the computer measure and control system and grasped the connection, control principle, and control methods of the host computer system with the periphery, which established the basis of further research.
2. Designed and developed a special collection and control interface card:
From the actual instance of the engine-bench test process, it is analyzed in detail how microcomputer fulfilled automatic control, data collection and processing. And hereby a design of the interface card was brought forward. On the base of the design, a special ISA bus interface
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card was developed. The card has two A/D converters, two D/A converters, a timer and two programmable parallel interfaces etc. The card can accomplish the communication between microcomputer and R-P I/O BUS and sets up a bridge between the microcomputer and the old equipment. The card succeeded through the software debugging and functions validation. The test in the laboratory proved that the card completely met the requirements.
3. Discussed the engine exhaust gas test system and its test technique:
The paper analyzed the structure and principles of the MEXA-8120D exhaust gas analyzer made by HORIBA Company Japan, and method of the direct continuous sample system. The paper also expatiated the mensurations of each kink of gas analyzers: viz NDIR, FID, and CLD etc. By taking apart the computer parameters concerned with the analyzer, it was made sure that the main functions of microcomputer system in the exhaust gas test process, which established the basis of software design.
This paper also analyzed the statute of exhaust gas test GB14761.2-93 and its test technique GB/T14762-93. By analyzing the test procedure and data processing, it was seized how to process the test data by using computer software.
4. Made a study of control strategy of engine-bench and the method of each kind of exhaust gas analyzer’s demarcation:
To meet the requirements of the engine test points, the paper studied the control strategy of the two parameters: the rotate speed and the torque, which need control in the test process. For the rotate speed control, it was put forward position-digital PID control algorithm; for the torque control, it was brought forward to using least square method for curve fitting with the demarcating data. The paper proposed a new method named 3 points demarcation instead of the 2 points demarcation that can only demarcate the least range. The 3 points demarcation, which uses linear interpolation algorithm, may demarcate all of the ranges of the analyzers. The 3 points demarcation made full use of the equipment, improved the efficiency of the system, and decreased the measure error of the system.
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5. Designed a exhaust gas test program:
Discussed using VxD technology to deal with hardware interrupt and how to use multi-thread technology in the Windows98 operating system. Subsequently a simple exhaust gas test program was designed using Visual C++ 6.0. The program can realize control, data collection, data processing, screen display, and security supervision function in the test process. Though the reliability and the functions of the program need to perfect, the program method and technology are general, which provided a practical thought to perfect and accomplish all the test programs.
6. The program was tested and it proved that the design of the interface card is reasonable:
The program test was carried out in the laboratory on the assumption that the engine test points have been adjusted well and the test data could be collected. Used the dry battery to simulate the voltage signal of the exhaust gas analyzer’s output; after initialing, the program was executed; microcomputer read the voltage signal through the A/D converter in the interface card; the values of the exhaust gas concentration would be gained by the disposal of the data processing program, and compared with the theoretic values, they accorded with each other, the largest error of them was not more than 1%. This proved that the program can realize data collection and processing, and at the same time the design of the interface card is reasonable.
Keywords: engine-bench test system ISA bus interface card
engine exhaust gas test VxD technology multi-thread technology
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