汽车点火线圈峰值电压测量仪的研制

Test●Equipment测试●设备

在汽车点火线圈大批量连续生产过程中，对其性能参数进行在线检测，不但能够准确地判断产品品质性能指标和工艺技术参数是否达到设计要求，而且，通过对检测数据的分析处理，能够正确判断这些性能指标和技术参数失控的状况和产生的原因，进而对工艺设备进行及时地调整来消除失控现象，达到保证产品品质和稳定生产过程的目的。

次级电压峰值［1］是汽车点火线圈最关键的性能参数之一。在发动机各种工况和使用条件下，只有作用在火花塞间隙的电压最大值（即线圈次级电压峰值）大于该工况下火花塞的击穿电压值时，才能击穿火花塞两电极间隙而正常点火。因此，为实现在线检测点火线圈次级电压峰值，有必要开发测试汽车点火线圈次级电压峰值的仪器。

本文研制的测量仪既可与上位机联机使用，实现次级电压峰值的在线自动测试，从而保证产品品质和稳定生产过程；也可以工作于单机模式，用于返修产品的检测，探求产品故障。本测量仪具有一定的通用性，测试精度及可靠性高，测试速度快，操作方便，成本低。

修改稿收稿日期：2008－11－21

基金项目：黑龙江省自然科学基金（F200813）

11．1

测量仪系统构成及测试原理次级电压的特性

汽车点火线圈次级电压是瞬

态高压信号，其波形如图1所示。

次级电压波峰值的幅值在

30～40kV之间，电压上升时间t1为20～40μs，需要将高压衰

减到低压后再进行测量，要求电压探头和数据采集系统具有较高的采样频率且频带要宽。

同时，电压信号频率高，必须采用采样保持电路，才能保证峰值测量的可靠性与准确性。

1．2测量仪系统构成

本测量仪硬件电路以AT89S52单片机［2］为核心，

主要由峰值保持电路、数据采集电路、控制电路及点火信号产生电路组成。要实现的主要功能为：模拟发动机产生控制点火的霍尔信号的产生，次级电压峰值的采集、处理、存储及显示，数据的传送，上位机对数据的处理，测试报告的生成和数据库等。图2为测量仪的系统结构框图。

作者简介：赵志伟（1983－），男，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院硕士研究生，研究方向为汽车电子测控技术

。

测试●设备Test●Equipment

1．3次级电压测试原理

图3为电子点火系统结构示意图。点火信号发

2硬件电路设计

硬件电路以AT89S52为控制核心，其整体硬件

生源产生点火信号，负责控制达林顿管T的通断，从而进一步控制初级绕组L1的充放电；汽车用蓄电池为点火线圈的点火提供能源；点火线圈次级绕组

电路简图如图4所示。

2．1峰值保持电路［4］

在对高速变化的模拟信号进行采样时，必须在

L2产生的高压击穿火花塞进行点火。输入摸拟信号和A／D变换器之间加入采样保持电路，才能保证A／D变换的可靠性与准确性。在此设计了运放型峰值保持电路和采样保持型峰值保持电路，在实际工作过程中可根据其稳定性来确定采用哪一种峰值保持电路，这样增加了测量仪的通用性和灵活性。同时，引出12V直流基准源作为校准电压，以保证测量的精度。

图5为运放型峰值保持电路。根据点火线圈的次级电压波形特性，选择采用集成双运放TL082。运放TL082－A与电容C一起构成峰值检测电路；运放TL082－B构成跟随器，使峰值检测电路与后面的

由图2和图3对比可知，测量仪中的14V功率电源用来模拟汽车用蓄电池；电源开关用继电器来实现；点火信号发生源及其后续电路用来模拟电子点火组件；测试负载用来模拟火花塞；再配一点火线圈。从而使测量仪可以模拟汽车内电子点火系统的点火过程，使其正常点火，完成对次级电压峰值的测量。

测量仪工作过程如下：单片机AT89S52首先对功率电源进行切换，而后控制互锁保护电路，使点火信号发生源产生的点火信号送至点火线圈，触发次级绕组产生瞬时30～40kV的高压，再经衰减电路将次级高压衰减至5V以内，并由峰值保持电路保持，然后通过单片机控制A／D转换器TLC2543对电压值进行采集，并在单片机内进行处理，处理后的数据显示并存储，同时通过RS232接口传送到上位机，上位机与单片机通信，并对数据处理和显示，生成测试报告和数据库，从而完成了对点火线圈次级电压峰值的测量和处理。

［3］

电路隔离；TL082－A与TL082－B总体又形成闭环。当运放TL082－A的同相端输入电压Uin大于其反相端电压时，TL082－A输出为高电平，二极管D2导通，

D1截止，此时，TL082－A工作在开环状态，对电容C充电。TL082－B的输出与C两端电压相同，也与TL082－A反相端电压保持一致。当运放TL082－A的

同相端输入电压Uin小于其反相端电压时，TL082－A输出为低电平，二极管D2截止，D1导通，此时，

TL082－A工作在闭环状态，为电压跟随器。电容C

电压保持不变，TL082－B输出电压保持不变，从而使峰值电压得到了保持。

图6为采样保持型峰值保持电路。采样保持型峰值保持电路主要由电压比较器LM311和采样保持器LF398组成。LF398是一种高性能单片采样保持器。LF398的输出电压Uout与输入电压Uin通过电压比较器LM311进行比较，当输入电压Uin高于输出电压

Uout时，LF398的逻辑控制端被置成高电平，使LF398

处于采样状态。当输入电压Uin达到峰值而下降时，

LF398的逻辑控制端被置成低电平，使LF398

处于保

Test●Equipment测试●设备

图

4测量仪整体硬件电路简图

样保持型峰值保持电路采集到的电压峰值相对较低，且稳定度稍差。这是由于输入信号上升率较大，LF398跟不上输入信号的变化，且受电磁干扰影响较大。因此，峰值测量最终采用了运放型峰值保持电路的方案。

2．2数据采集电路

对于A／D转换器，考虑其性能指标（分辨率、

转换时间、转换精度），采用了逐次逼近原理的

TLC2543［5］，其特点为：12位分辨率，10μs的转换时

间，11个模拟通道，采样率为66kb／s，线形误差±1LSB，具有单双极性串行输出和可编程的输出数据长度。TLC2543的基准电压源采用高精度温度补偿稳压管2DW7C，其温度补偿系数为50×10－6／℃，且价格便宜。

如果为5V输入电压，其分辨率为5／212＝1．22mV，再将最终采集数据通过软件处理，对于40kV的点火线圈次级峰值电压其分辨率为40000／5×0．00122＝

9．76V，即测量仪的分辨率控制在50V范围以内，

满足精度要求。

2．3点火信号发生电路

汽车点火线圈所需点火信号为电平幅值大于3．7V

的霍尔方波。点火线圈有2路需要点火，即A／D和

持状态，从而实现了对峰值的保持。

在峰值保持电路中，充电电容C采用滞后时间短、漏电小的高频介质电容，减小其对取样时间、取样误差的影响。在现场进行调试时发现，利用采

B／C2个点火端，为了减少彼此之间点火时产生的

干扰，必须保证同一时刻只能有一路进行点火或者都不点火。

图7为点火信号发生电路图。这是一种由555构

测试●设备成的频率固定而占空比可调的振荡器。图7中电路周期固定为0．693×（R1＋R2＋R3）×C1，（R1＋R2＋R3）的值在55kΩ附近，C1取0．22μF，最终可得频率100Hz，而占空比视电位器R2中心头位置来决定。

74HC27为3输入或非门，P2．5与P2．6为单片机

输出的控制信号，实现正常工作时A／D和B／C两路只能有一路输出信号，否则都不输出。二者是互锁的关系，从而起到保护作用。

2．4控制电路

控制电路主要包括继电器驱动电路、显示电路

和存储器。

本仪器中继电器用来切换点火线圈功率电源的开关以及峰值保持电路中电容的充放电。其中采用光电耦合器TIL117的达林顿管输出直接驱动继电器。

显示电路中，利用74HC27芯片的串入并出的功能，直接驱动显示器件。仅用单片机的2个并行口输出分别作为74HC27芯片的时钟和数据信号，降低了单片机的资源需求。

为防止意外复位而造成单片机内部存储器数据的丢失，本仪器采用Microchip公司的24LC01芯片，直接与单片机连接，只用2根普通的I／O口线（串行数据线和串行时钟线）进行数据串行传输，节省了资源。

2．5硬件抗干扰设计

为了保证测量的精度，必须对测量仪进行电磁

兼容设计，其抗干扰措施主要有以下3条。

1）在开关量输入输出通道中，为防止现场强

电磁干扰或工频电压通过通道串入到系统中，采用光电隔离技术，因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号。

2）电源系统的抗干扰措施。主要途径有：数

字电路与模拟电路的电源地分开；提高数字电路的抗干扰性能；在印制板中对电源线进行合理走线及布局；建立严格而良好的接地系统。

3）对输入、输出信号的传输进行有效的隔离

和屏蔽，主要措施有：对信号传输线进行严格屏蔽，采取双绞线和正规屏蔽线走线；对信号传输采

Test●Equipment

用光电耦合器耦合传输；在电路中的输入、输出部分增加适当的积分电路。

3软件设计

软件是本系统的灵魂，在设计软件时主要从系

统实用、可靠及方便使用等几方面予以考虑，特别是采用了软件抗干扰技术。

本系统软件主要由单片机和上位机软件两部分组成。单片机软件由联机工作和脱机工作两部分构成，采用汇编语言编写，实现了数据采集及处理［6］、数据的显示和存储、与上位机通信及外部开关信号的查询等功能。图8为单片机软件流程图。同时单片机软件留有外部接口，上位机可以单独对采集数据的处理系数进行修改，从而使测量数据的校准更加简便。

8

上位机软件采用LabVIEW，实现与单片机的通信、数据处理与显示、测试报告的生成及数据库等功能。单片机与上位机的通信接口采用RS232国际标准接口，其中RS232与TTL电平转换采用专用芯片MAX232。

软件主要采用了以下抗干扰技术。

1）软件滤波。采用软件的方法抑制叠加在输

入信号上的噪声的影响，完成数字滤波。在此采用去极值平均滤波法，连续采样n次后累加求和，同时找出其中的最大值和最小值各m个，再从累加和中减去最大值和最小值，按（n－2m）个采样值求平均，即可得到有效采样值。

2）开关量的输入／输出抗干扰设计。对开关量

输入信号重复检测，并在满足实时性要求的前提下，在各次采集状态信号之间增加一段延时，从而可以对抗较宽时间范围的干扰；对开关量输出口数据采用刷新的方法。

3）采用指令冗余、软件陷阱和“看门狗”技

术，预防单片机系统由于受到干扰而使运行程序发生混乱、导致程序乱飞或陷入死循环，能够及时地将程序纳入正轨

。

Test●Equipment测试●设备

4测量结果与误差分析

以标准件点火线圈1和点火线圈2次级电压峰值

一点火线圈连续测试20次，所得到的测试结果见表

1和表2，根据测试数据绘制测试结果分布图见图9

和图10。峰值测量仪工作面板见图11。

用均方根偏差来检验系统的测量精度。标准偏

kV

36．0636．0736．0936．08

36．0636．0836．0936．07

36．0536．0836．0836．09

36．0736．0736．0836．07

为标准值，分别为36．08kV和36．12kV。在相同测试条件下，用本测量仪在时刻1和时刻2，分别对同

表1

点火时刻时刻1时刻2

点火线圈1次级电压峰值测试结果点火线圈1次级电压峰值

36．0736．1136．0736．11

36．0736．0936．0636．06

36．0736．0636．0736．07

36．0736．0936．0836．08

36．0836．0836．0636．06

36．0636．0836．0736．06

表2

点火时刻时刻1时刻2

点火线圈2次级电压峰值测试结果点火线圈2次级电压峰值

kV

36．1036．1536．1036．10

36．1036．1436．1136．10

36．0936．1436．1036．09

36．1136．1536．1136．09

36．0936．1036．1536．12

36．0936．1536．1536．14

36．1136．1536．1536．14

36．0936．1436．1236．15

36．1036．1436．1036．15

36．1036．1436．0936．10

图9点火线圈1测试结果分布图

点火线圈编号点火线圈1点火线圈2

表3

标准值

测试结果处理测试第1次第2次第1次第2次

均值

标准偏差／V

最大绝对误差／V

／kV36．0836．12

／kV36．073536．07536．11936．118

13．513．224．523．5

30303030

和点火线圈2的测试结果标准偏差和最大绝对误差都很小，因此可以得出，对于不同的点火线圈，本测量仪的测试结果精度较高。对于同一点火线圈，不同时间测试结果重复性及一致性较好，测量仪的可靠性较高。

产生误差的主要原因有：①由于连续大批量测

差与统计分布规律有直接关系，它既逼真地反映随机误差的特性，又能反映其他误差存在与否及其大小。通过标准偏差，对测试得到的数据进行处理，其结果见表3。

由表3中测试结果处理后数据可知，点火线圈1

试，测试台夹具探针会逐渐积炭，导致与点火线圈接触不良；②探针与负载间的分布电容和电阻；③高压探头的衰减精度及重复精度；④A／D转换器本身的精度等

。

（下转第49页）

Test●Equipment测试●设备

22．1

实验与分析坐标值测试

在标准规定的测试点中选取有代表性的近光点

2．2照度测试

用JT200汽车前照灯测试，测量用北京师范大

学光学仪器厂生产的SZ－601S照度计，量程0．001～

B50L、75R，远光点1125L、2250L为测试点［2］，这4

个点的测试距离从250～2250mm，角度由0～5．143°，基本代表了整个测试区域内的点。

用国内高精度的车灯转台测试系统进行测试，该转台的旋转和仰俯转角误差0．01°。测试时，以

3000．0lx。测试时，先用转台式系统进行测试，记

下照度测试值后，再由表1的测试值进行校正，2次测试值与中国计量科学研究院标准照度计比对，之差即为2次测试误差值。表2是2次测试的照度误差。

表2

测试点

基准值

角度校准前后的照度测试

校准前测试值／lx

误差值／lx

校准后测试值／lx

误差值／lx

误差绝对值比

HV点为坐标原点（0，0），h轴为横轴，v为竖轴，

由测试点的坐标值可以算出转台的转角和仰俯角。

将鄣d＝鄣d＝0．01°，l0＝25m及4个测试点的α、β

／lx0．197．8024．9992．07

值代入公式（2），即可得测试点的理论Δd。

用2个高精度光电编码器组成的测角仪，通过机械固定在转台系统的旋转和仰俯轴上，记录每一点的旋转角和仰俯角，由公式（2）算出实际测试的Δd值。表1为理论计算与实际测试的误差对比。

表1

测试点

坐标值

理论测试与实际测试误差对比理论计算换算角／（°）右3．434下0．573左1．146上0．573右2．577右5．143

实际测试测试角／（°）右3．449下0．564左1．133上0．568右2．584右5．131

误差比

B50L75R1125L2250L0．227．7024．9092．00．0290．20－0．107．72－0．0924．93－0．0792．020．01－0．08－0．06－0．050．30．80．70．7

由表2可知，转台测试系统照度误差值校准后最小降低了0．2，如果测试点在光的锐变点或明暗截止线上、或照度值较小，则必须修正角度，否则影响测试精度。

／mm左1500上250右500下250左1125左2250

Δd／mm5．055．854．374．41

Δd／mm7．775．973．255．17

3结论

本文研究了转台车灯测试系统的角度误差对车

B50L75R1125L2250L

1．541．020．741．17

灯配光检测系统的影响，照度值较小时，角度误差对车灯照度测试影响较大，转台经连续运动角度误差大。B50L点有最大定位误差，为7．77mm，角度校准后有最小照度误差0．01lx。1125L点有最小定位误差，为3．25mm。这一结论对企业研发和质检部门检验是非常有利的。

由表1可以看出，理论计算与实际测试的误差并不具有一致性，这是因为理论计算时所取的误差全部为0．01°。而实际测试时，转台连续旋转和仰俯角度误差存在累计，B50L即为此情况，有最大误差比，为1．54。而回程时能反向消除角度误差，1125L点即为此情况，有最小误差比，为0．74。（上接第47页）

结论

本文研制的汽车点火线圈峰值电压测量仪以单片机为核心，能够对点火线圈次级电压峰值准确而可靠地进行测试，单个线圈的测试节拍小于3s，最大测试电压为60kV，测试结果的分辨率为10V，相对误差低于2％。该测量仪既可用于生产线上的联机在线连续检测，也可以单独脱机使用，具有一定的通用性和灵活性，且操作方便，速度快，成本低。实际测试结果表明，系统运行稳定、可靠、性能良好，测试速度快且精度较高。参考文献：

［1］RUV4CylinderIgnitionTransformerReferencedStandards．

参考文献：

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［2］GB4599—1994，汽车前照灯配光性能［S］．

（编辑

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文珍）

鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣

5

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（编辑文珍）