一种开放式内燃机试验台架测控系统

摘要

本发明及一种开放式内燃机试验台架测控系统，该系统由上位机及其配套的输入输出设备、通信模块、智能通信协议转换模块CAN232MB和CAN485MB，FTS3系列电涡流测功机数字测控系统和FST2系列电涡流测功机测控系统、DTU无线数据传输设备、与实验相关的自带232口的外设和由使用485通信方式的设备组成的485网络构成，所述的通信模块以CAN总线通信方式与连接到它上面的所有设备进行通信；采用该技术方案能够提供多路数字采集通道方便多种设备接入。

权利要求

1.一种开放式内燃机试验台架测控系统，其特征在于：该系统由上位机及与上位机配套的输入输出设备、通信模块、智能通信协议转换模块CAN232MB和CAN485MB、FTS3系列电涡流测功机数字测控系统和FST2系列电涡流测功机测控系统、DTU无线数据传输设备、与试验相关的自带232口的外设和由使用485通信方式的设备组成的485网络构成，所述的通信模块以CAN总线通信方式与连接到它上面的所有设备进行通信，DTU无线数据传输设备和FTS3系列电涡流测功机数字测控系统分别由自带的CAN口直接与通信模块的CAN口相连，上位机和与试验相关的自带232口的外设由自带的232口接智能通信协议转换模块CAN232MB的232口，经智能通信协议转换模块CAN232MB的CAN口与通信模块的CAN口相连，由使用485通信方式的设备组成的485网络由自带的485口接智能通信协议转换模块CAN485MB的485口，经智能通信协议转换模块CAN485MB的CAN口与通信模块的CAN口相连通信模块，FST2系列电涡流测功机测控系统由自带的232、485口分别接智能通信协议转换模块CAN232MB的232口和CAN485MB的485口，分别经智能通信协议转换模块CAN232MB和CAN485MB的CAN口与通信模块的CAN口相连。

2.根据权利要求1所述的一种开放式内燃机试验台架测控系统，其特征在于：所述的通信模块是由数字信号控制器DSPIC30F6014A和与它相连的高速CAN隔离驱动器CTM1050T、无线电射频发射电路、RS232芯片、RS485芯片、六路光电隔离输出构成。

3.根据权利要求2所述的一种开放式内燃机试验台架测控系统，其特征在于：所述的高速CAN隔离驱动器CTM1050T的引脚RXD、TXD分别接数字信号控制器的引脚C1RX、C1TX，CTM1050T的引脚CANH、CANL和CANG分别与接口插座上的3个引脚相连。

说明书

技术领域

本发明及一种开放式内燃机试验台架测控系统，属于电涡流测功机测控技术领域。

背景技术

现阶段内燃机试验台架测控系统装置中，所有通信、数据传输和控制信号都采用传统的有线连接的方式进行。由于测控系统功能的不断完善和增强，验条件、要求的提高，采集参数的大量增长，相应线路和部件也持续增加，数字采集通道难以满足现行试验的要求，给系统的技术要求提出了的挑战。由于设备集成度低、模块化不清晰、无总线结构，造成通信冗杂，通信速率低，可靠性、安全性低，数据共享性差，线路受空间束缚大等问题。针对上述问题，急需一种全新理念和创造成果的新型控制系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多路数字采集通道方便多种设备接入的一种开放式内燃机试验台架测控系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种开放式内燃机试验台架测控系统，该系统由上位机及与上位机配套的输入输出设备、通信模块、智能通信协议转换模块CAN232MB和CAN485MB、FTS3系列电涡流测功机数字测控系统和FST2系列电涡流测功机测控系统、DTU无线数据传输设备、与试验相关的自带232口的外设和由使用485通信方式的设备组成的485网络构成，所述的通信模块以CAN总线通信方式与连接到它上面的所有设备进行通信，DTU无线数据传输设备和FTS3系列电涡流测功机数字测控系统分别由自带的CAN口直接与通信模块的CAN口相连，上位机和与试验相关的自带232口的外设由自带的232口接智能通信协议转换模块CAN232MB的232口，经智能通信协议转换模块CAN232MB的CAN口与通信模块的CAN口相连，由使用485通信方式的设备组成的485网络由自带的485口接智能通信协议转换模块CAN485MB的485口，经智能通信协议转换模块CAN485MB的CAN口与通信模块的CAN口相连通信模块，FST2系列电涡流测功机测控系统由自带的232、485口分别接智能通信协议转换模块CAN232MB的232口和CAN485MB的485口，分别经智能通信协议转换模块CAN232MB和CAN485MB的CAN口与通信模块的CAN口相连。
所述的通信模块是由数字信号控制器DSPIC30F6014A和与它相连的高速CAN隔离驱动器CTM1050T、无线电射频发射电路、RS232芯片、RS485芯片、六路光电隔离输出构成。
所述的高速CAN隔离驱动器CTM1050T的引脚RXD、TXD分别接数字信号控制器的引脚C1RX、C1TX，CTM1050T的引脚CANH、CANL和CANG分别与接口插座上的3个引脚相连。
由于采用了上述技术方案，通信模块的CAN通信接口最多可扩展110个，可以方便的将各种与试验相关的测量、测设备，例如油耗仪、扭矩仪、流量计、压力表等，通过智能通信协议转换模块接到通信模块上，各个与系统相关的测量、测设备都可根据总线访问优先权采用无损结构的诸位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的通信网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性，同时与其他现场总线相比，CAN总线通信速率高、容易实现且性价比高。
该系统中的DTU无线传输设备通过自身的CAN通信接口接高速CAN隔离器驱动器扩展后的一个CAN通信接口，将DTU无线传输设备接入系统，DTU无线数据传输设备接收到数字信号控制器或上位机发送的数据后，通过其内部GPRS模块将处理后的数据后，通过GPRS网络发送到Internet中的服务器，用户可以用一台接入Internet的终端电脑下载数据，同样用户在该终端电脑也可将控制命令上传，通过GPRS网络传给DTU无线传输设备，收到命令后，将命令传给数字信号控制器，从而实现远程监控。
该系统通信模块中的数字信号控制器还可以将要发送的数据信息在发送前就分组成一组字节数组，将其每个字节逐一发送给编码芯片进行编码，经过编码的数据送入射频无线发射模块，被调制后，从天线以射频的方式向空中发射，这样可使与试验相关的外设摆脱空间和线路的束缚，朝便携式、移动式方向发展。
该系统中的通信模块还有一个备用232通信接口、一个备用485通信接口，也可直接通过232通信方式或485通信方式与具有232通信接口或485通信接口的设备进行通信。

附图说明

图1是开放式内燃机试验台架测控系统的原理框图；
图2是通信模块的原理图；
图3是高速CAN隔离器驱动器及组成的总线电路图；
图4是无线电射频发射电路的原理图；
图5为RS485通信电路图；
图6为RS232通信电路图；
图7为智能协议转换器CAN232MB连接图；
图8为智能协议转换器CAN485MB连接图；
图9为无线数据传输设备ZWG-23C连接图；
图10为无线数据传输设备ZWG-23C的电路框图。

具体实施方式

图1是开放式内燃机试验台架测控系统的原理框图，包括上位机、通信模块、CAN232MB模块、CAN485MB模块、DTU无线数据传输设备(ZWG-23C)、FST3系列和FST2系列的电涡流测功机测控系统、与实验相关的外设例如油耗仪、扭矩仪、流量计、无线电发射模块等、具有485通信接口设备组成的485网络。
上位机和具有232通信接口的外设通过CAN232MB模块连接到通信模块接口上，485网络通过CAN485MB模块连接到通信模块接口上，FST2系列的电涡流测功机测控系统通过CAN232MB模块和CAN485MB模块连接到通信模块接口上，FST3系列的电涡流测功机测控系统和DTU无线数据传输设备(ZWG-23C)直接通过自身的CAN通信接口连接到通信模块接口上，他们之间通过CAN总线协议进行通信，共同构成了内燃机台架测控系统；所述的通信模块由数字信号控制器DSPIC30F6014A、高速CAN隔离器控制器CTM1050T、MAX485芯片、MAX232芯片、六路光电隔离输出、编码芯片PT2262和射频无线电发射模块F05P-433M构成。
图2所示的是通信模块的电路原理图，包括数字信号控制器DSPIC30F6014A、高速CAN隔离器驱动器CTM1050T、MAX232芯片、MX485芯片、以编码芯片PT2262、射频无线电发射模块F05P-433M为核心的射频无线电发射电路、以6个光耦为核心组成的六路光电隔离输出。
数字信号处理器DSPIC30F6014A通过CAN1接口引脚C1RX、C1TX分别与高速CAN隔离器驱动器CTM1050T的RXD(4脚)、TXD(3脚)相连，CTM1050T的引脚CANH(6脚)、CANL(7脚)、CANG(8脚)分别与DB9接口插座的引脚2、引脚7、引脚3相连，根据外围设备的需要DB9接口插座的个数可扩展到110个，CTM1050T的引脚VDD(1脚)5V的电源的正极，GND(5脚)接地，因此具有CAN网络接口的设备都可通过DB9接口插座接到通信模块上，通过CAN总线通信协议相互传输交换数据。
数字信号处理器DSPIC30F6014A的引脚IC8/CN21/RD15(38脚)接MAX485的引脚2、引脚3，MAX485的引脚2、引脚3接在一起，DSPIC30F6014A的引脚U2RX(39脚)、U2TX(40脚)分别接MAX485的引脚1、引脚4，MAX485的8脚接5V电源的正极，5脚接地，MAX485的引脚485+(6脚)、引脚485-(7脚)分别与一个DB9接口插座的引脚1、引脚2相连，MAX485的引脚5接DB9接口插座的引脚5，它们一起构成485通信电路，因此具有485网络接口的设备都可通过DB9接口插座接到通信模块上，通过485通信协议相互传输交换数据。
数字信号处理器DSPIC30F6014A的引脚U1RX(42脚)、引脚U1TX(41脚)分别串联一个电阻后接MAX232的引脚R20UT(9脚)、引脚T2IN(10脚)，MAX232的引脚V+(2脚)与引脚VDD(16脚)之间、引脚V-(6脚)与引脚VSS(15脚)之间分别并接一个电容，MAX232的引脚VDD(16脚)与引脚VSS(15脚)之间接5V电源，MAX232的引脚T20UT(7脚)、引脚R2IN(8脚)分别串联一个电阻后接一个DB9接口插座的引脚3、引脚2，DB9接口插座的引脚5接地，它们一起构成232通信电路，因此具有232网络接口的设备都可通过DB9接口插座接到通信模块上，通过232通信协议相互传输交换数据。
数字信号处理器DSPIC30F6014A的引脚IC5/RD12(64脚)串联一个电阻后接一个光耦的引脚2，光耦的引脚1接5V电源的正极，光耦的引脚8与引脚6之间并接一个电阻，光耦的引脚6接地，光耦的引脚7串联一个电阻后接12V电源的正极，光耦的引脚7接输出端；数字信号处理器DSPIC30F6014A的引脚0C4/RD3(63脚)、引脚0C3/RD2(62脚)、引脚EMUD2/OC2/RD1(61脚)、引脚EMUC2/OC1/RD0(58脚)、引脚IC4/RD11(57脚)均采用上述的方式与其它五个光耦相连，它们一起构成六路光电隔离输出。
数字信号处理器DSPIC30F6014A的引脚AN3(17脚)、AN4(16脚)、AN5(15脚)、AN6(21脚)、AN7(22脚)、AN8(27脚)、AN9(28脚)分别接编码芯片PT2262的引脚A6(7脚)、A7(8脚)、A8(10脚)、A9(11脚)、A11(12脚)、A12(13脚)、TE(14脚)，DSPIC30F6014A的引脚AN10(29脚)、AN11(30脚)、AN12(33脚)、AN13(34脚)、AN14(35脚)、AN15(36脚)分别与跳线器的对应引脚串联后接编码芯片PT2262的引脚A0(1脚)、A1(2脚)、A2(3脚)、A3(4脚)、A4(5脚)、A5(6脚)，PT2262的引脚Vcc(18脚)接5V电源的正极，引脚Vss(9脚)接地，PT2262的引脚Dout(17脚)接射频无线电发射模块F05P-433M的引脚Din(3脚)，引脚VDD(1脚)接5V电源的正极，引脚Vss(2脚)接地，引脚Vout接天线。
图3所示的是高速CAN隔离器驱动器及组成的总线电路图，数字信号处理器DSPIC30F6014A通过CAN1接口引脚C1RX、C1TX分别与高速CAN隔离器驱动器CTM1050T的引脚RXD、TXD相连，高速CAN隔离器驱动器CTM1050T的引脚CANH、CANL、CANG分别与DB9接口插座的引脚2、引脚7、引脚3相连，高速CAN隔离器驱动器CTM1050T的引脚CANG接地，所有CAN通讯的设备、仪器、仪表、模块可以通过标准的DB9接口挂在CAN总线上，每一个外围设备仪器仪表和模块就是CAN的一个节点，最多允许110个节点；传统的RS232和RS485通讯方式可以通过CAN232MB和CAN485MB转换成标准的CAN协议通讯方式，这样每一个具有232和485网络接口的设备就可以作为一个独立的CAN节点使用；CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：高速CAN隔离器驱动器CTM1050T工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据；CAN总线通过高速CAN隔离器驱动器芯片CTM1050T的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而输出端CANH的状态只能是高电平或悬浮状态，输出端CANL只能是低电平或悬浮状态，这就保证不会出现象在RS-485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象，而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态，而且CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现。
图4所示的是无线电射频发射电路的原理图，它包括编码芯片PT2262和射频无线电发射模块；数字信号控制器DSPIC30F6014A的AN3(17脚)、AN4(16脚)、AN5(15脚)、AN6(21脚)、AN7(22脚)、AN8(27脚)、AN9(28脚)分别接编码芯片PT2262的A6(7脚)、A7(8脚)、A8(10脚)、A9(11脚)、A11(12脚)、A12(13脚)、TE(14脚)，DSPIC30F6014A的引脚AN10(29脚)、AN11(30脚)、AN12(33脚)、AN13(34脚)、AN14(35脚)、AN15(36脚)分别与跳线器的对应引脚串联后接编码芯片PT2262的引脚A0(1脚)、A1(2脚)、A2(3脚)、A3(4脚)、A4(5脚)、A5(6脚)，编码芯片PT2262的引脚17接射频无线电发射模块的输入引脚，射频无线电发射模块的输出引脚接天线；编码芯片PT2262最多可由12位(A0～A11)的三态地址端引脚(悬空，接高电平，接低电平)任意组合提供531441地址码，编码芯片PT2262最多可有6位(D0～D5)数据端引脚，设定的地址码和数据码从编码芯片PT2262的引脚17串行输出，可用于无线遥控发射电路，编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，如果发送端一直按住按键，编码芯片会连续发射；当发射机没有按键按下时，编码芯片PT2262不接通电源，其引脚17为低电平，所以433MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，编码芯片PT2262得电工作，其引脚17输出经调制的串行数据信号，当引脚17为高电平期间433MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当引脚17为低平期间433MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于编码芯片PT2262的引脚17输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控(ASK调制)相当于调制度为100％的调幅；工作时数字信号控制器DSPIC30F6014A的AN3～AN8脚输出设定的数据码，AN10～AN15脚输出设定的地址码，编码芯片PT2262据此进行编码，然后从引脚17输出，去控制射频无线发射模块F05P-433M从天线上将信息发射给接收端。
射频无线发射模块F05P-433M采用SMT工艺，树脂封装，小体积，声表稳频，内部具有一级调制电路及限流电阻，适合短距离无线遥控报警及单片机无线数据传输，射频无线发射模块F05P-433M具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，有4个功能引脚，体积小，ASK方式调制；射频无线发射模块F05P-433M需要输入数据才能发射，数据信号停止，发射电流为零；射频无线发射模块F05P-433M对0.1-1ms的数据脉冲发射效果较理想，过宽过窄的脉冲会引起调制效率下降，过调制或调制不足使收发距离变近；射频无线发射模块F05P-433M对直流电平及模拟信号不能发射；而编码芯片PT2262的数据无论怎么变但脉宽是不变的，即使出现一点突发性的外界干扰，解码器的宽容性也会解码输出高电平；实施中天线的长度取24厘米，用直径0.5-1毫米的漆包线代替，直接发射距离为250米。
图5所示的是RS485通信电路图，包括485通信芯片、DB9接口插座，485通信芯片的引脚1接数字信号控制器DSPIC30F6014A的引脚39(U2RX/CN17/RF4)，485通信芯片的引脚2、3连接在一起接数字信号控制器DSPIC30F6014A的引脚(IC8/CN21/RD15)485通信芯片的4脚接数字信号控制器DSPIC30F6014A的40脚(U2TX/CN18/RF5)，485通信芯片的6脚(485+)接DB9接口插座的引脚1，485通信芯片的7脚(485-)接DB9接口插座的引脚2，485通信芯片的5脚和DB9接口插座的引脚5接GND；RS485网络也可以通过标准的DB9插头插座接入，便捷地跟通信模块进行通讯。
图6所示的是RS232通信电路图，包括232通信芯片，DB9接口插座；232通讯芯片的引脚(T20UT)7脚、(R2IN)8脚分别与DB9通信接口的2、3脚相连，232通讯芯片的引脚9(T2IN)、引脚10(R20UT)分别与数字信号控制器DSPIC30F6014A异步串行通讯(UART)接口的引脚U1TX、引脚U1RX相连，具有RS232通信接口的上位机也可通过该电路进行通信，实现数据的交换。
图7智能协议转换器CAN232MB的连接图，包括智能协议转换器CAN232MB，具有232通信接口的设备如上位机、大屏无线通信模块，智能协议转换器CAN232MB的RS232口的引脚RX接被接设备232通信接口的TX端，智能协议转换器CAN232MB的引脚TX接被接设备232通信接口的RX端；CAN232MB的内置转换模块把232协议转换成CAN协议，CAN232MB的通信接口输出接到通信模块上。
图8智能协议转换器CAN485MB的连接图，包括智能协议转换器CAN485MB、具有485通信接口的设备如仪器仪表，智能协议转换器CAN485MB的RS485接口的引脚485+接被接设备的引脚485+，智能协议转换器CAN485MB的RS485接口的引脚485-接被接设备的引脚485-，智能协议转换器CAN485MB的内置转换模块把485协议转换成CAN协议，CAN232MB的通信接口输出接到通信模块上。
图9所示的是无线数据传输设备的连接图，包括一块ZWG-23C模块，该模块属于GPRS DTU无线数据传输设备，为智能协议转换器，是一种无线数传模块，该模块用于进行联网数据传输，其引脚CANH、CANL分别接高速CAN隔离器驱动器CTM1050T的引脚CANH、CANL。
图10所示的是无线数据传输设备ZWG-23C的电路框图，包括一个接3.8V～4.5V稳压电源的电源管理器、CPU处理器、GPRS模块、设备安全监控装置，无线数据传输设备WG-23C通过自身的CAN通信接口的引脚CANH、CANL分别接高速CAN隔离器驱动器CTM1050T的引脚CANH(6脚)、CANL(7脚)，数字信号控制器DSPIC30F6014A或上位机通过CAN总线，将数据发送给无线数据传输设备ZWG-23C，无线数据传输设备ZWG-23C接收到数据后，经过CPU处理器的处理，通过其内部GPRS模块将处理后的数据借助GPRS网络发送给接收终端，同时GPRS网络可以方便的与Internet网连接，从而实现远程监控；管理人员还可以通过电话和短信对ZWG-23C进行配置和唤醒，内置SIM卡连接GPRS网络，并可以实时对数据进行存储。
本技术方案能够利用其CAN接口，通过驱动器CTM1050T、异步串行通信接口、CAN485MB、CAN232MB、MAX485、MAX322等通讯模块将台架必需的各测试仪器、仪表、外控设备连为一体，组成110个节点以内的多主点开放式台架系统，通过无线数据传输设备DTU和发射模块，通过移动电话网络和互联网，实现台架设备之间无线数传和试验数据无线数据传送，能做到便携式、部分无线连接，能够容纳各种外设、实现数据远距传送和控制，形成真正开放式台架试验系统。