雙通道汽車(chē)渦輪增壓葉片溫度采集卡解析

一種應(yīng)用于汽車(chē)渦輪增壓器葉片溫度檢測(cè)的雙通道數(shù)據(jù)采集卡，該卡由峰值檢測(cè)、串行A/D構(gòu)成模擬電路和由FPGA構(gòu)成整個(gè)數(shù)字電路而組成。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了FPGA內(nèi)部串并轉(zhuǎn)換電路和FIFO，經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，串并轉(zhuǎn)換和FIFO的應(yīng)用大大簡(jiǎn)化了采集卡的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在信號(hào)高速處理方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
　　0引言
　　渦輪增壓近年來(lái)是一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，早些年主要是大眾汽車(chē)推出了一些渦輪增壓車(chē)型，比如寶來(lái)、帕薩特車(chē)型就都是渦輪增壓的典型代表。最近兩年，渦輪增壓有方興未艾之勢(shì)，不僅大眾以及通用品牌推出了小排量的1.4TSI渦輪增壓和1.6T渦輪增壓動(dòng)力，就連一些自主品牌也紛紛大打渦輪增壓的好牌。
　　渦輪增壓實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過(guò)壓縮空氣來(lái)增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來(lái)的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率了。
　　汽車(chē)上安裝的渦輪增壓器在全負(fù)荷工作狀態(tài)下其轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘8萬(wàn)到12萬(wàn)轉(zhuǎn)。工作溫度高達(dá)600～900℃，如圖1.而渦輪葉片會(huì)產(chǎn)生1000℃的高溫，可以說(shuō)它的工作條件最為惡劣。
　　
　　圖1 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)引擎排氣管工作狀態(tài)
　　看到這些渦輪增壓工作時(shí)的照片，就不難理解配置渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)為什么容易自燃了，這就是一塊燒紅的鐵，不出事故則已，一旦燃油泄漏，沾上高溫工作中的渦輪增壓器，瞬間高溫會(huì)引燃汽油，繼而導(dǎo)致爆炸。為什么會(huì)產(chǎn)生這么高的溫度呢？因?yàn)闇u輪增壓器溫度=廢氣溫度+渦輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦溫度+進(jìn)氣空氣壓縮溫度。不難理解渦輪燒紅是正
　　常工作狀態(tài)。改善這一工作條件的辦法就是散熱，渦輪本體內(nèi)部有專(zhuān)門(mén)的機(jī)油通道（散熱和潤(rùn)滑）和水道，通過(guò)油冷和水冷雙重散熱，降低增壓器的溫度。
　　1雙通道渦輪增壓葉片溫度采集卡
　　針對(duì)上述情況，對(duì)增壓器散熱尤其重要，所以設(shè)計(jì)一套根據(jù)增壓器工作溫度不同而做相應(yīng)調(diào)整的冷卻系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的難點(diǎn)在于對(duì)渦輪葉片溫度的采集。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中通常采用并行數(shù)據(jù)總線(xiàn)方式進(jìn)行控制信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)交換。在以往的設(shè)計(jì)中，大量使用中小規(guī)模集成電路及分立元件搭建總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制功能模塊，不僅占用較大的印制板面積，而且設(shè)計(jì)工作量大，時(shí)序控制復(fù)雜，采集速度不理想。
　　將FPGA應(yīng)用到該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中可以有效地解決上述問(wèn)題。FPGA可以實(shí)現(xiàn)許多中小規(guī)模集成電路的功能，因此可以有效地減少印制板上功能模塊的面積，同時(shí)減少系統(tǒng)體積。利用FPGA的在線(xiàn)編程和仿真功能可以模擬系統(tǒng)各類(lèi)信號(hào)的時(shí)序，大大提高設(shè)計(jì)效率。所以設(shè)計(jì)了基于FPGA的雙通道溫度數(shù)據(jù)采集卡，原理框圖如圖2所示。整個(gè)采集系統(tǒng)分為采集模塊、高速緩存模塊、邏輯控制及接口模塊三大部分。