康明斯發(fā)動機是高速推土機、挖掘機和裝載機等工程機械的主要動力裝置， 其工作狀態(tài)決定著整個高速推、挖、裝的工作進(jìn)度。該發(fā)動機的智能化、自動化程度一般都比較高， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 故障發(fā)生率也比較高。液壓系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障后， 檢測與維修難度都比較大。利用微電腦技術(shù)和電子技術(shù)對康明斯發(fā)動機的工作過程和工作原理進(jìn)行仿真模擬和演示操作， 可以直觀地反映出發(fā)動機的工作狀態(tài)與故障特性， 進(jìn)行發(fā)動機的故障診斷與排除教學(xué)實驗， 有助于受訓(xùn)人員掌握發(fā)動機的工作原理、熟悉發(fā)動機的結(jié)構(gòu)、故障特點、檢測手段與排除方法， 提高其檢測、維修與保障的能力。
1、M11發(fā)動機燃油系實訓(xùn)臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
燃油系實訓(xùn)臺的典型結(jié)構(gòu)由LCD顯示屏、工作原理演示面板、故障原因示意區(qū)、故障排除方法區(qū)、故障原因設(shè)置區(qū)、聲音提示裝置、模式選擇開關(guān)區(qū)、工作參數(shù)調(diào)整按鈕區(qū)、微電腦控制單元和相應(yīng)的驅(qū)動電路與控制軟件組成。實訓(xùn)臺架上的工作原理演示面板、各種設(shè)置、調(diào)整與控制開關(guān)均由大面積薄膜開關(guān)組件制成。
1.1 實訓(xùn)臺的機械結(jié)構(gòu)
實訓(xùn)臺機械結(jié)構(gòu)由可移動萬向臺架組成,分為上下兩部分。其中上部臺架主要安裝LCD顯示屏、工作原理圖、故障現(xiàn)象設(shè)置按鈕薄膜開關(guān)陣列、故障原因設(shè)置薄膜開關(guān)陣列等。微電腦控制單元和驅(qū)動電路、附件電纜等安裝在上部臺架里。上部參加采用雙后開門結(jié)構(gòu)， 方便安裝與維修。臺架的下部主要安裝電源設(shè)備、模式選擇與參數(shù)調(diào)整開關(guān)、故障原因排除按鈕陣列以相應(yīng)的連接電纜等附件。下部前后均開門。臺架經(jīng)過高溫噴漆處理, 牢固耐用， 外形尺寸為（1400×580×1600）mm。
1.2 微電腦控制單元的設(shè)計
微電腦控制單元是整個實訓(xùn)臺的控制中樞， 其核心是C8051F029單片機。控制單元接受用戶輸入的控制信息， 包括設(shè)置的故障原因、故障現(xiàn)象、選擇的故障排除方法與工作模式、選擇的其它系統(tǒng)狀態(tài)信息等， CPU根據(jù)這些信息做出處理， 然后輸出控制信息， 使工作原理圖的流水燈按照程序進(jìn)行動態(tài)運轉(zhuǎn)以模擬總成或系統(tǒng)的工作過程； 模擬故障分析排除過程， 指導(dǎo)受訓(xùn)人員學(xué)習(xí)和掌握故障診斷與排除方法； 根據(jù)實訓(xùn)臺的教學(xué)、訓(xùn)練流程， 同步給出語音提示信息； 設(shè)置考核題目， 對受訓(xùn)人員的訓(xùn)練情況進(jìn)行考核和驗收， 促進(jìn)受訓(xùn)人員的訓(xùn)練
與學(xué)習(xí)。
控制單元由MCS51單片機處理模塊、模擬量輸入、開關(guān)量輸入輸出、電源模塊、串行通訊模塊、電平轉(zhuǎn)換與驅(qū)動模塊、語音模塊等組成。硬件控制板以C8051F020單片機為核心， 并完善了系統(tǒng)硬件環(huán)境， 保證實訓(xùn)臺在使用過程中， 能夠?qū)崟r采集到真實的信號數(shù)據(jù)， 可靠地實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制， 減少故障的發(fā)生，延長系統(tǒng)的使用壽命。整個電路系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 微電腦控制系統(tǒng)原理框圖
2、實訓(xùn)臺研制中的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 PT泵燃油系工作原理圖的LED的可控動態(tài)演示M11發(fā)動機PT泵燃油系的工作原理演示圖， 需要多個LED燈來進(jìn)行動態(tài)演示。而微控制器I/O端口數(shù)量是有限的， 軟件上采用循環(huán)算法效率不高， 且采用并行驅(qū)動難以實現(xiàn)。項目組在設(shè)計過程中， 采用高性能8位3態(tài)總線中繼或收發(fā)器件HC245級聯(lián)， 達(dá)到擴展CPU的I/O端口數(shù)量的目的。這樣用有限的I/O端口即可控制大數(shù)量LED的動態(tài)顯示， 當(dāng)需要增加LED數(shù)量時，只需進(jìn)一步級聯(lián)HC245即可， 而不用占用新的I/O端口。LED的動態(tài)可控流水操作， 充分展示了新型工程各總成及系統(tǒng)的工作原， 極大地提高了實訓(xùn)臺的直觀性、逼真性， 提高了參訓(xùn)人員的訓(xùn)練積極性， 加深了對工作原理的理解和掌握。
2.2 實訓(xùn)臺教學(xué)、實訓(xùn)過程與語音提示的同步處理
實訓(xùn)臺運行時， 無論是工作原理的演示過程， 還是故障現(xiàn)象、故障原因及故障排隊方法的教學(xué)或考核， 都伴隨有相應(yīng)的語音提示。因此在硬件和軟件設(shè)計時， 必須考慮語音與動作的同步問題。這樣才能提高教學(xué)與訓(xùn)練效果。
項目設(shè)計中采用了語音芯片， 并在軟件設(shè)計中開發(fā)了相應(yīng)的語音同步程序， 使實訓(xùn)臺的工作過程中的語音提示準(zhǔn)確同步， 極大地提高了實訓(xùn)臺的使用性能。
2.3 大容量開關(guān)矩陣輸出量的數(shù)據(jù)采集
實訓(xùn)臺的故障現(xiàn)象、故障原因、故障排除方法和狀態(tài)參數(shù)的調(diào)整等都是通過薄膜開關(guān)來實現(xiàn)。因此實訓(xùn)臺的開關(guān)數(shù)量相當(dāng)多， 微電腦控制單元的端口不但要分配給工作原理演示流水LED的控制， 而且還要與這些開關(guān)進(jìn)行信息交互， 對系統(tǒng)的硬軟件資源要求*。項目組經(jīng)過反復(fù)研究討論， 采用了兩種開關(guān)數(shù)據(jù)采集方案：
①選用高性能數(shù)碼管/鍵盤驅(qū)動模塊CH452進(jìn)行開關(guān)動作識別并完成開關(guān)左側(cè)LED示意燈的控制；
②在開關(guān)上接入不同阻值的電阻， 再將開關(guān)輸入量送入A/D進(jìn)行采用和轉(zhuǎn)換， 根據(jù)其模擬量的不同來識別不同的開關(guān)輸入。通過這兩種方案的結(jié)合， 解決了開關(guān)矩陣的信息輸入問題。這一方案擴展了實訓(xùn)臺的適用范圍， 提高了實訓(xùn)臺的使用性能。
2.4 燃油系故障樹的構(gòu)建
實訓(xùn)臺的故障分析過程中， 受訓(xùn)人員應(yīng)能根據(jù)燃油系的常見故障現(xiàn)象， 分析判斷相應(yīng)的故障原因， 并能根據(jù)故障原因掌握故障的排除方法與調(diào)整、調(diào)試技巧與措施。但由于實訓(xùn)臺面板和薄膜開關(guān)矩陣中開關(guān)量的限制， 在設(shè)計和規(guī)劃故障現(xiàn)象、故障原因與故障排除方法等按鈕時， 遇到了較大的困難。筆者利用了故障樹理論， 構(gòu)建了燃油系常見故障現(xiàn)象、故障原因和故障排除方法故障樹。結(jié)合單片機的軟件編程， 實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化、參數(shù)化和模塊化的控制軟件與故障樹的有機結(jié)合， 解決了故障分析實訓(xùn)過程中的困難。
3、結(jié)束語
本文研制的實訓(xùn)臺包含了M11康明斯發(fā)動機PT泵燃油供給系的工作原理、故障現(xiàn)象、故障原因分析診斷以及故障排除方法的教學(xué)、實訓(xùn)和考核等功能， 能夠適用于駕駛操作與維修人員及相關(guān)人員的教學(xué)與實訓(xùn)， 實訓(xùn)內(nèi)容廣泛全面， 滿足了工程裝備保障分隊操作使用維修人員學(xué)習(xí)和掌握PT泵燃油系工作原理的需求， 以及對PT泵燃油系常見故障現(xiàn)象、故障原因的分析判斷訓(xùn)練和故障排除方法的實訓(xùn)要求， 具有較高的使用價值。