燃料開關測試系統的設計與實現

0 引 言
??? 眾所周知能源危機和大氣污染是未來汽車燃料所要解決的最關鍵問題。為降低排放，緩解石油能源緊張的局面，氣體燃料受到了世界各國的重視和推廣。大量實車試驗均證實以天然氣(CNG)或液化石油氣(LPG)為燃料，發動機的NOx，總碳氫THC，CO及CO2的排放較汽油的排放污染明顯減少，且大大節省了能源。
??? 雙燃料汽車技術的關鍵之一是油和氣轉換控制，燃料開關正是用于以自動或手動的方式實現燃料間的切換，其品質也關系到汽車的整體性能。本文所針對的燃料開關具有以下的主要功能：燃料切換、燃料容量顯示、蜂鳴器報警以及指示燈亮度關于環境光照度自動調節等。為確保燃料開關的質量控制滿足最苛刻的歐洲汽車零部件質量標準，燃料開關必須百分之百進行測試。傳統測試方法是通過測試人員手工測試，測試速度慢，受人為因素影響，差錯率相對較高，產品質量得不到保障。于是有必要研究一種能用計算機實現的自動測試系統。本文設計并實現了一種能用于對燃料開關進行完成功能測試、通訊速率自動測定并具有過壓自動保護能力的燃料開關自動測試系統。
??? 該測試系統基于PC機和單片機P89LPC938，測試人員通過PC機向測試系統發出測試命令，由單片機識別并處理測試指令，向燃料開關發出相應的測試信號，以測試對應性能。下面將對整個系統及每個模塊進行詳細說明分析。

1 燃料開關測試系統的組成及工作原理
??? 該測試系統由電源模塊、單片機P89LPC938控制模塊、通信接口模塊及電平轉換模塊組成，圖1是測試系統的結構圖。

??? 該測試系統的工作原理：測試人員在PC機界面選擇要測試的項目，PC機通過串口將此命令發送給測試系統，經過RS 232-TTL電平轉換后，該指令送至單片機控制模塊，由單片機P89LPC938組成的控制單元識別所收到的測試要求后，從指令集中取出相應的命令信號以協定的通信協議向燃料開關發送命令，如果燃料開頭能夠正確識別所收到的命令，它將回送應答信號，同時執行該命令所要求的測試項目，如點亮不同的指示燈，發出不同音調與音高的報警聲等。待每項測試執行完成后，結果回送給單片機，單片機再經由串口將此結果發送給PC機進行存儲和顯示。
??? 各模塊的作用如下：
??? 電源模塊：由于不同芯片所要提供的電壓不同，且在此測試系統中，需要5 V及3．3 V，所以電源模塊的電路要產生不同的電壓提供給各芯片。
??? 電平轉換模塊：實現PC機與單片機之間的RS 232電平至TTL電平轉換。
??? PC機顯示存儲模塊：測試人員通過PC機發送測試命令，并將每個燃料開關的序列號及相應的各項功能測試結果顯示并保存。
??? 通信接口模塊：本文所針對的燃料開關僅有一根信號線，只能實現半雙工通信，接口模塊的功用就是用于實現單片機全雙工方式與燃料開關半雙工方式之間的轉換。

?單片機控制模塊：是整個系統的核心部分，控制整個系統的測試進程。它要識別來自PC機的測試人員所發出的測試命令，判斷并執行相應功能的測試；待測試結束，控制模塊要分析測試結果是否正常，并反饋給PC機用于向測試人員顯示及數據自動入庫保存。

2 測試系統的電路實現
2．1 供電電路
??? 不同芯片對供電電壓的要求也不同，本測試系統中，單片機P89LPC938所需的電壓為3．3 V，而電平轉換芯片MAX232所需要的電壓為5 V，因此，電源模塊的設計要滿足需求，設計時就需要兼顧兩者，外部只需提供12 V電壓即可。圖2給出電源電路的電路圖，本系統選用LM7805和LM1117兩個穩壓器。

2．2 RS 232-TTL電平轉換電路
??? 計算機串口是RS 232電平，而一般的單片機應用系統的信號電壓是TTL電平或CMOS電平，不可以直接將單片機芯片上的串行通信引腳與RS 232的收發端相連接，必須作適當的電平轉換。目前市面上有許多用于此目的的電平轉換芯片，本方案采用MAX232芯片。
2．3 單片機與燃料開頭之間的通信接口電路
??? 通信接口模塊要實現的功能是接收單片機
P89LPC938發出的命令信號發送給燃料開關，它還要將燃料開關反饋的信號發送給單片機，從而實現它們二者之間的雙向通信。一般而言，單片機都會有TX與RX二個端口，可以實現同時雙向通信功能，即能實現全雙工信息。但本文所討論的燃料開關外部僅有三條線：電源，地和信號線，這意味著TX／RX復用一條數據線，至多只能實現半雙工串行通信。為了在測試系統與被測開關之間建立起可靠的通信聯系，必須設計一個全雙工／半雙工轉換電路。本文所提出的解決方案如圖3所示。

??? 圖3中兩個二極管起保護作用，若Fuel Switch輸入電壓過高，D1的嵌位作用會使RX端的電壓仍維持在5 V左右，若Fuel Switch輸入電壓為負，D2的嵌位作用會使TX端的電壓仍維持在0 V左右。

?當測試系統的TX端發送高電平時，A點為高電平，燃料開關Fuel Switch信號線也將接收到高電平，同時，測試系統的RX端也會接收到高電平。同理，當測試系統的TX端發送低電平時，燃料開關FuelSwitch信號線也將接收到低電平，同時，測試系統的RX端也會接收到低電平。
??? 當燃料開關向測試系統發送應答信息時，測試系統的發送端TX置高電平，則接收端RX將收到燃料開關發送的信息。
??? 如果燃料開關與測試系統同時發送信息時將出錯，因此，測試系統的串口是處于全雙工狀態，而燃料開關的信號端是處于半雙工狀態，這樣就實現了全雙工至半雙工的轉換。

3 測試系統控制模塊
??? 控制模塊是整個測試系統的核心部分，它利用單片機P89LPC938來控制測試系統。
??? P89LPC938有最少23個I／O口，選擇片內振蕩和片內復位時可多達26個I／O口；8輸入多路10位A／D轉換器；2個模擬比較器，可選擇輸入和參考源；2個16位定時／計數器(每一個定時器均可設置為溢出時觸發相應端口輸出或作為PWM輸出)。
??? 該模塊要完成的任務是對燃料開關的功能進行測試、過壓保護與監測以及頻率檢測。下面對這三個部分做詳細講述。
3．1 燃料開關功能測試
??? 上面提到燃料開關的主要功能是燃料容量顯示、蜂鳴器報警，燃料切換及指示燈亮度調節等。要保證產品的質量，需要對燃料開關進行全功能測試。
??? 測試人員通過PC機向控制單元發送功能測試命令，所有命令組成了一個指令集，單片機根據檢測到的命令信號來判斷需要對產品的哪項功能進行檢測，據此把執行該功能的命令序列發送給燃料開關。因此，每條指令信息中要包含該項功能測試的全部信息。單片機通過通信接口的TX發送端向燃料開關發送上述命令序列，產品收到有命令信號序列后，會先進行校驗以確保收到的命令是正確的。一旦確認收到的正確的命令，開關產品會反饋命令確認信號給測試系統，測試系統因此可以確定所發出的命令序列已經被正確執行，從而實現一些有效測試。
??? 根據設計要求，一個命令序列由四個字節組成，分別是CMD命令，數據D1，數據D2和校驗信號C。CMD命令用于標識需要執行的指令類型，即是哪一項功能檢測，D1，D2提供執行該命令所必須的輔助數據，例如如果需要測試報警若能，數據字節可以用來指定以什么頻率、音調、音高、持續時間等參數，校驗字節用于燃料開關確認該命令序列是否有效以免通信錯誤造成誤動作。下面以燃料容量顯示為例，給出測試的過程：
??? (1)測試人員從PC 機通過串口向測試系統發送燃料容量顯示檢測信號。燃料開關是用多個LED燈指示燃料的容量，“volume”代表容量測試命令。
??? (2)單片機P89LPC938通過串口接收到“volume”命令，從指令集中提取相應的指令信號。圖4給出單片機向燃料開關發出的一條燃料容量顯示指令。
??? CMD為0000 0001，表明此指令為燃料容量顯示功能測試指令。當對蜂鳴器報警功能進行測試時，CMD為0000　0010；對燃料切換功能進行測試時，對應的CMD為0000 0011；對指示燈亮度調節功能進行測試時，CMD為0000 0100等，它們在開關設計時就做出了約定。D1為0000 1000，表示對LED4進行測試，即D1的每個位對應一個LED，置1時表示對相應的LED進行測試。該字節對于不同的測試內容具有不同的意義，如對蜂鳴器報警功能測試時，D1指示蜂鳴器報警次數，即0000 0101表示報警5次；對燃料切換功能測試時D1為0或1，分別代表一種燃料；在指示燈亮度調節功能測試時D1又被用于表示顯示元件的亮度，如1111 1111表示最大亮度。
??? D2通常會是對D1所指對象量的進一步規定。對于圖4所示的燃料容量測試，D2的值為0000 1001表示LED4將閃爍9次。其他測試狀態也相似，例如對蜂鳴器報警功能而言，D2表示對蜂鳴器基頻信號的分頻數。C是校準字節，0000 0001表示對數據D1，D2做異或處理。

??? (3)單片機將上述命令信號發送給燃料開關的信號端，通過校驗，燃料開關判斷信號是否有效，如果有效就會將單片機發送來的信號進行處理后重新發送給單片機作為測試指令已經被確認的反饋。若無效，將放棄此次測試。
??? (4)測試人員判斷LED功能完好后可以通過PC機保存測試結果。
??? 其他功能測試的實現與上述過程相仿，不再贅述。

3．2 過壓保護
??? 燃料開關外部需+12 V電壓供電，經產品內部電源電路轉化為+5 V電壓給單片機提供電壓，因此如果其電源電路出現故障，或受到汽車內其他電器設備的電壓干擾使提供給單片機的電壓過高，或由于其他形式的制造缺陷，都有可能使被測開關的電源異常，這會損壞燃料開關，進而損壞與相連接的測試系統。因此，需要設計一個過壓保護與檢測電路，檢測燃料開關內的單片機的電源電壓，當此電壓正常時(+5 V±2％)，測試系統可以繼續對其檢測，但當此電壓過高，則自動切斷燃料開關的外部電源，達到保護燃料開關的目的。圖5即為該保護電路。

??? 測試系統外部由+12 V電源供電，雙二極管D1的作用是防止電壓反接；由于汽車內干擾很多，雙三極管T1構成一個鉗位電路，使T2的集電極電壓穩定在+12 V左右；Z1為電源芯片，提供+13 V電壓；T2是電源電路的開關三極管，當基極為高電平，POWER端輸出+12 V左右，當基極為低電平，POWER端輸出為0 V；三極管Q1控制T2的基極電壓，即控制了整個電源電路的通斷，當Q1基極為高電壓，三極管Q1導通，則T2的基極為低電壓，T2斷開，POWER輸出電壓為0 V，當Q1基極提供低電壓，三極管斷開，T2基極電壓為+13 V，T2導通，則POWER輸出端提供+12 V電壓。POWER輸出端連接到燃料開關的電源端。
??? 將燃料開關的電源電路輸出端引出，連接到單片機P89LPC938的AD06轉換口，不斷檢測此電壓值，由于P89LPC938的工作電壓為+3．3 V，而燃料開關的電壓最小為0 V，最大為+11 V，所以要將此電壓用電阻分壓后再進行轉換。這里選用100 Ω和470 Ω的電阻，則AD06端最小輸入為0 V，最大輸入為+2．1 V，不超過單片機的工作電壓，在被測為+5 V時，AD06輸入端電壓為0．877 V，單片機通過比較，判斷被測電壓是否為安全電壓。若為安全電壓，單片機的I／O口P2．7置0，即保護電路的Q1基極為低電平，保護電路導通，可以正常對燃料開關進行測試；若被測電壓高于+5 V，單片機將P2．7腳置1，則保護電路斷開，燃料開關立即斷電，由于通電時間較短，不會對燃料開關造成損害。
3．3 頻率檢測
??? 燃料開關是以數字通信方式與其他組件進行協同工作的，異步通信的工作頻率則取自其中單片機的內部時鐘，由于制造離散度及環境溫度等的影響，實際的工作頻率會發生漂移。為確保通信的可靠性，需要確認燃料開關工作在適當的頻率范圍內，故需要對其實際的通信頻率檢測與確認。要測試時鐘信號的頻率，可以通過測試一定區間內脈沖的個數來實現，測試時間越長，精度越高。本測試系統用D觸發器和單片機的計數、定時功能來完成此檢測。圖6即為此頻率檢測電路。

??? 系統選用由兩個D觸發器集成的芯片74AHC74，其工作性質如表1所示。只用其中一個D觸發器，其時鐘脈沖由單片機P89LPC938提供，將被測時鐘TEST CLK連接到1D端，1Q端接至單片機的計數器T0端，T1作為定時器使用。

??? 開始測試時，測試人員設置測試時間，即設置T1的計數值(取1 s)，系統時鐘SCK作為D觸發器的時鐘脈沖，在SCK的上升沿檢測TEST CLK的信號，如果1Q／T0為0→1，說明被測波形為一次上升沿，當1Q端再次檢測到0→1，即為TEST CLK一個周期。計數器T0在每個下降沿加1，計下1 s內下降沿個數即可求出T0的頻率，從而求得被測頻率。在計數的開始或結束時可能會丟掉一個周期，會對頻率的推算帶來誤差，但由于計數的基數很大，這個誤差可以忽略不計。

4 結 語
??? 運行結果表明，該系統可以準確識別PC機發出的命令，并發送給燃料開關，系統也可以接收到燃料開關的測試結果。該測試系統人機界面友好，操作方便，檢測快速，并大大提高了測試效率與產品合格率。