一种改进的活塞温度存储测试系统

夏湖培，苏新彦，刘培珍，刘 宾

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

一种改进的活塞温度存储测试系统

夏湖培，苏新彦，刘培珍，刘 宾

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

介绍一种改进的活塞温度存储测试系统，通过增加实时时钟和数据压缩算法，很好地解决传统活塞存储测试实时性不足及测试时间受限的问题。测试系统硬件电路以ATmega168微处理器为核心，以K型热电偶为传感器，包含温度开关、实时时钟模块、多通道温度测试模块、信号放大及调理模块、冷端补偿模块、存储器模块等。系统上位机是以LabVIEW为开发工具设计的软件，用于对数据进行分析、处理和显示。实验结果表明：系统的相关改进准确有效，且能满足对活塞长时间测温的要求，特别是数据压缩算法大大减少存储器的数量，缩小电路体积，为小型内燃机的活塞温度测试提供便利。

活塞；测温；存储；数据压缩

0 引 言

目前针对活塞温度测试主要有存储测试及无线遥测方法。无线遥测可以实时检测不同工况下的温度，典型的代表是美国密歇根技术学院及北京理工大学分别研制的活塞温度场红外遥测系统，但其通信易受发动机内复杂环境干扰而中断，从而导致测试数据不连续、不完整，且由于无线发射需要较大功率，系统功耗较大[5]。存储测试能完整连续地采集信号且功耗较低，但其缺点在于实时性不强且测试时间受限于存储器容量；对此，本研究提出了一种改进的活塞温度存储测试方案。通过添加实时时钟电路，在保存温度数据的同时保存时钟数据，使读取温度时能与测试时记录的相应工况对照，从而改善实时性不足的问题。针对测试时间的问题，除了选择符合尺寸、耐温要求的大容量存储器之外，还根据温度数据的变化特点设计了数据压缩算法，在不影响数据完整性的前提下减少了温度数据的存储空间从而延长了测试时间。

1 测试系统总体设计

本活塞温度存储测试系统分为温度采集存储部分和电脑端上位机软件部分，两部分通过RS232串口通信。温度采集存储部分由温度开关、实时时钟模块、多通道温度测试模块、冷端补偿模块、信号放大及调理模块、存储器模块和微处理器组成。上位机软件采用LabVIEW设计，用于读取存储的数据并对数据进行处理和显示。系统总体框图如图1所示。

图1 测试系统总体框图

2 测试系统硬件设计

由于内燃机活塞长期处于高温状态，且可供安装电路的空间狭小，因此为保证系统可靠工作，所有器件均要求用耐高温的小型贴片封装。系统采用自启动设计，用温度开关控制是否上电，开启温度设为60℃，当温度低于60℃时系统处于掉电状态。实时时钟由I2C总线的军品级时钟芯片PCA8565提供，使用时需向相应的寄存器写入当前的时间，然后只需保证供电正常，芯片就能自动完成计时功能。时钟模块采用单独的耐高温纽扣电池供电，计时不受温度开关影响。

多通道温度测试模块采用K型热电偶作为传感器，热电偶为接触式测温，使用时将热电偶的热端镶嵌固定在活塞表面，测温简单准确。8路不同的热电偶信号通过双8路模拟开关切换。热电偶的冷端补偿采用计算修正法[6-8]，首先利用LM71数字温度传感器测出冷端温度，再通过相关公式计算出实际热电势。

图2 信号放大及调理模块电路原理图

热电偶直接测量的信号为mV级，且伴随拾取噪声，必须进行降噪和放大处理才能AD量化，信号放大及调理电路如图2所示。热电偶信号首先通过前置RFI滤波器滤除高频共模和差分噪声，然后通过仪表放大器来抑制低频率共模噪声，最后由后置RC滤波器滤除残余噪声。系统设计的测温范围为60～500℃，ADC的上参考电压由外部2.5V基准电压芯片提供，500℃的热电势为20.64mV，考虑到冷端热电势，因此将放大器的放大倍数设置为G=100。

微处理器芯片采用AVR单片机ATmega168，AVR单片机具有高性能、高速度、低功耗的特点。ATmega168内部包含SPI、I2C、UART等通用总线接口，方便与外设连接，且具有内部时钟振荡电路和ADC，适合应用于对电路体积要求严格的场合。系统直接使用单片机内部10b的ADC对热电偶的信号进行量化，由于活塞温度变化相对较慢[9-10]，故采样率设为1Hz。

存储器的选择直接关系到测试时间的长短，通过查找大量资料发现Flash存储器存储容量大，但是耐高温的Flash芯片封装无法满足要求，而E2PROM能满足封装及耐温的要求，但是满足要求的单片容量最大的只有256 Kb（32768×8b）。以采样率1Hz，一次需存储8个通道的10 b温度数据计算，则一片E2PROM的存储时间为因此，若要求测试时间不低于3.5h，则需使用7片E2PROM，而这势必增加了电路板体积。对此，本研究设计了针对温度存储的数据压缩算法，大大减小了温度数据长度，使E2PROM减少到4片，很好地解决了电路板体积和测试时间的矛盾。

借用吸收外来词汇是英语扩大其词汇量的常见手法，科技新词中的技术词和正式词更是如此。拉丁语和希腊语是英语科技词汇借用最多的两种语言。拉丁语和希腊语之所以能成为科技词汇借用最多的语言，是因为现在没有哪个民族用它们作为母语，日常交际也基本不用，因而它们不会像其他使用中的语言那样由于社会的发展而引起词义的变化，也就少了因多义引起歧义。到了近现代，随着母语为非英语的德国、法国、日本、意大利、前苏联、中国等的科学技术迅速发展，科技新词也从这些国家大量流入英语。 例如： hydropul[德语]液压；engine[法语]发动机；design[意]设计；taikonaut[汉语]宇航员。

3 温度数据压缩算法设计

3.1 温度数据的获取

热电偶信号E经放大调理后进入单片机内AD量化，量化公式如下，其中G=100，VREF=2.5V：

冷端补偿的电势值需先通过数字温度传感器测出冷端温度，然后在单片机内部查找热电偶分度表得出冷端热电势E′，再根据式（1）算出其量化值。活塞的实际温度所等效的热电势为热端电势值与冷端电势值之和。

3.2 压缩算法设计

实际温度所等效的热电势值为10b，而E2PROM存储器为8b，故一个完整的温度数据需用2个字节来存储，其中存储高位的字节只有2位有效位，其他6位均为0，因此如何减小高位数据存储空间的浪费是压缩的关键。

通过分析可知高2位的数据只有00、01、10和11这4种情况，且变化的概率较低，因此可以只在高位数据发生变化时才存入存储器中，否则只存低8位数据。同时为了区别高位和低位，必须在高位数据前添加用于标志的数据字节，标志字节必须是温度数据不会出现的组合。由于活塞温度的变化是一个相对较缓慢的过程，数据不可能在1 s内发生巨大变化，因此可以设置一组大、小数据的连续变化作为标志字节。

因为冷、热端热电势量化公式相同，可计算出实际热电势变化量ΔE为

根据式（2），系统设0×80，0×00，0×80为标志字节组。0×80与0×00对应最小的ΔADC=0×80，计算得ΔE最小为3.125mV，对应温度变化量约为70℃，而实际情况下这是不可能出现的，故该标志字节是准确可用的。

数据存储时以每8个通道为1帧，为防止通道的误读，还需为每帧数据添加帧头，帧头的设置与标志字节类似，设为0×80，0×FF，0×80。数据压缩算法流程如图3所示。

4 系统软件设计

4.1 单片机程序设计

图3 数据压缩算法流程

图4 程序流程图

由于系统属于存储测试，所以单片机程序分为数据采集存储和数据读取、擦除两部分，程序流程图如图4所示。数据采集存储部分完成对活塞内多通道温度数据的采集和压缩存储功能，其中实时时钟数据只需在系统开始进入采集存储状态时保存一次，之后的时间节点可根据数据的帧数计算出。当完成测试后重启测试系统，则系统进入数据读取、擦除的进程，上位机读取存储器中的数据进行分析及显示，擦除命令用于清除存储器内数据，使单片机下次启动后进入采集进程。

4.2 上位机软件设计

上位机是以LabVIEW作为开发工具设计的用于接收及处理单片机数据的软件。上位机通过串口读取存储器内的数据，然后对数据进行分析、解压及显示。

上位机读取热电势数据后，根据K型热电偶分度表的最小二乘法拟合的曲线公式[11]，计算出相应的温度值并显示。

5 试验结果及分析

5.1 系统测试的准确性

系统与标准热电偶温度计一同测试高温箱内的温度变化以检验系统的准确性。为保证测试点温度一致，所有热电偶都粘贴于同一块大小为30mm× 30mm×10mm的铁块上，将铁块置于高温箱内。同时为保证温度开关开启，应使系统处于高于60℃的环境。测试时记录标准温度传感器的温度变化及对应时间节点，以便与系统测试结果对比。

表1选取了一组系统在300℃上下的测试值和对应时刻记录的标准值，由表可知系统测试误差低于1℃，满足对活塞测温的准确度要求。

表1 测试值与标准值比较 ℃

5.2 活塞测温实验

将装有测温系统的活塞安装于某型单缸机进行实际测试。实验时分别测试发动机在转速为1000，1800，2200r/min 3个不同工况下的温度，并在测试的同时记录对应时刻。测试结束后通过上位机读取测试数据，图5为通道1在转速由1 500 r/min上升至1800r/min的测试结果。

外界记录的对应工况时间为10：47：32至11：23：43，由图可知，在该工况下第1通道温度从305℃缓慢增加至355℃，温度变化较为平滑。

实验采集开始时间为09：49：17，最后一帧数据对应时间为14：13：03，共工作4.4h，完全满足对活塞长时间测温的要求。

图5 活塞温度测试结果

6 结束语

本文设计的活塞温度存储测试系统针对传统测试系统在实时性及测试时长方面存在的一些问题，提出了增加时钟电路和设计数据压缩算法的方法，并最终通过实验验证了改进方法的有效性和可行性。该系统也可广泛应用于其他安装空间有限的高温温度测试场合。

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An improved testing system for piston temperature storage

XIA Hupei，SU Xinyan，LIUPeizhen，LIU Bin
（State Key Laboratory for Electronic Testing Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

An improved testing system for piston temperature storage was introduced.It has well solved the real-time deficiency and inspection time restriction of traditional piston temperaturestoring tests by adding a real-time chip and designing a data compression algorithm.Apart from an ATmega 168 microprocessor as the core part and a K-type thermocouple as the sensor，the system is chiefly composed of a temperature switch，a real-time clock module，a multi-channel testing module，signal amplifying and conditioning modules，a cold junction compensation module and amemorymodule.In theuppercomputer，apieceofsoftwarewasdeveloped bya development tool Labview to analyze，process and display testing data.The experimental results show that the system improvement is accurate and effective and the data compression algorithm has greatly reduced memory chip numbers and circuit sizes in particular，helping test the piston temperatures of mini-type internal-combustion engines.

piston；temperature test；storage；data compression

A

：1674-5124（2015）05-0063-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.016

2014-09-09；

：2014-11-10

夏湖培（1991-），男，江西鹰潭市人，硕士研究生，专业方向为电子测试技术。