基于FPGA的發(fā)動機信號模擬發(fā)生實驗裝置研制

趙文鋒， 王海林， 左文林

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510642)

0 引言

目前，汽車電子化的飛速發(fā)展使得汽車ECU型號越來越多、越來越復(fù)雜，為了方便ECU的實驗開發(fā)和測試，除了應(yīng)用于真實的汽車環(huán)境，往往還需要建立一些模擬的汽車環(huán)境用于ECU實驗室階段的開發(fā)、測試和故障分析等［1-2］。汽車發(fā)動機ECU是汽車ECU中最重要最復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其開發(fā)、測試和故障分析等需要汽車發(fā)動機各類信號的激勵［3-4］。汽車發(fā)動機ECU的開發(fā)、測試和故障分析主要使用各種發(fā)動機信號模擬系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠模擬產(chǎn)生真實發(fā)動機的各種基本信號，可以驅(qū)動ECU的正常工作［5-6］。但傳統(tǒng)的發(fā)動機信號模擬系統(tǒng)往往只能模擬特定的一種汽車發(fā)動機，不能重復(fù)利用;而且多為國外昂貴產(chǎn)品，開發(fā)成本很高，不利于國內(nèi)汽車ECU的發(fā)展［7］。本文開發(fā)了一種多用途的發(fā)動機信號模擬系統(tǒng)，可以很方便地模擬多種汽車發(fā)動機信號，甚至能模擬出實車條件下很難到達的工況范圍，而且該系統(tǒng)合理利用資源，軟硬件成本較低。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文所設(shè)計的裝置其主要功能是為ECU提供X-2的霍爾式曲軸位置傳感器信號(X為10～99可調(diào))，采用X齒-2齒的形式，在均勻分布X個齒的齒盤上，有X個標(biāo)準(zhǔn)輪齒和2個異形齒。以X設(shè)為60為例，其齒盤上有58個標(biāo)準(zhǔn)輪齒和2缺齒。齒盤轉(zhuǎn)動1周，傳感器輸出信號為58個等周期(方波)和一個2倍周期的缺齒波。齒盤不斷轉(zhuǎn)動，信號重復(fù)。齒盤形狀和傳感器輸出波形如圖1所示［8］。

圖1 直列6缸汽油機霍爾式曲軸位置傳感器信號

該系統(tǒng)主要運用了當(dāng)前較為流行的FPGA芯片EP1C3T144C8和單片機STC89C52，如圖2所示。能夠產(chǎn)生基本的發(fā)動機信號，如霍爾式曲軸信號、霍爾式凸輪軸信號、各種模擬量和開關(guān)量信號。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計模塊圖

系統(tǒng)各模塊硬件電路的設(shè)計主要包括FPGA模塊(信號發(fā)生模塊，用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)方波，缺齒方波，占空比可調(diào)方波以及步進電機驅(qū)動模塊等)、液晶顯示模塊、按鍵模塊、步進電機驅(qū)動模塊以及電源模塊等硬件電路的設(shè)計。系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要包括標(biāo)準(zhǔn)方波程序，缺齒方波程序(X-2模式)、占空比可調(diào)方波(10%～99%可調(diào))、步進電機驅(qū)動信號、按鍵輸入信號A/D，D/A轉(zhuǎn)換，液晶顯示程序，以及分頻程序等。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2．1 控制芯片單元

控制芯片是整個系統(tǒng)的核心，所有模塊都是通過控制芯片進行控制處理，控制芯片也直接影響到系統(tǒng)的軟件設(shè)計。綜合考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需求、開發(fā)難度、價格成本、供應(yīng)情況等多方面的因素［9］，核心部分是FPGA芯片EP1C3T144C8和單片機STC89C52，具有豐富I/O口、主頻高、外部中斷通道多、具有 AS和 JTAG下載模塊、各種中斷優(yōu)先級配置方便等功能［10］。

2．2 ULN2003步進電機驅(qū)動芯片

ULN2003是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由7個硅NPN復(fù)合晶體管組成。ULN2003是大電流驅(qū)動陣列，多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅(qū)動繼電器等負(fù)載。輸入5 V TTL 電平，輸出可達 500 mA/50 V［11］。

2．3 步進電路實現(xiàn)

FPGA芯片68管腳接單片機P2．0接口，通過單片機產(chǎn)生時序信號，再經(jīng)過ULN 2003芯片對步進電機進行驅(qū)動。FPGA在這里起到一個控制信號作用。FPGA程序通過按鍵信號產(chǎn)生高低電平信號，該信號輸入到單片機的P2．0中進行方向控制，單片機的P0．0～P0．3是步進電機驅(qū)動信號輸出，單片機采用四相八拍的電機驅(qū)動方式，通過延時有序的輸出相應(yīng)信號，如正轉(zhuǎn)A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A;反轉(zhuǎn)時序則倒過來。電路圖如3所示。

2．4 標(biāo)準(zhǔn)方波

標(biāo)準(zhǔn)方波信號的產(chǎn)生，原理是通過累加器對clk時鐘信號進行分頻，具體實現(xiàn)是累加器產(chǎn)生一個數(shù)值2 499，當(dāng)信號cnt＜1 249即2 499的1/2時，輸出為高電平;≥1 249時，輸出值取反，為低電平。通過累加器改變數(shù)值，可以實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)方波進行調(diào)頻，調(diào)頻范圍是0．05 ～2．4 kHz［12］，如圖 4 所示。

2．5 缺齒方波程序設(shè)計

缺齒方波程序的設(shè)計原理是通過讀取X個方波小周期(其中X值可以通過datax程序進行調(diào)整，10～99可調(diào))，前X-2個小周期為方波，然后2個小周期輸出低電平，這就是X-2缺齒方波。同理，通過累加器改變標(biāo)準(zhǔn)方波的小周期就可以實現(xiàn)缺齒方波的頻率變化。通過累加器改變數(shù)值，可以實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)方波進行調(diào)頻，調(diào)頻范圍是0．05 ～25 kHz［13］，如圖5 所示。

2．6 占空比可調(diào)方波

占空比可調(diào)方波的設(shè)計原理大體上和標(biāo)準(zhǔn)方波的設(shè)計原理相似，通過累加器產(chǎn)生數(shù)值x(范圍在0～2 499)，當(dāng)cnt＜x值時，輸出信號為高電平;≥x值時，輸出信號為低電平，x與2 499的比值就是方波的占空比。通過dataz程序可以設(shè)置占空比，占空比10% ～99%可調(diào)。通過clkn程序改變數(shù)值，可以實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)方波進行調(diào)頻，調(diào)頻范圍是 0．05 ～2．4 kHz［14］，如圖 6所示。

圖3 步進電機驅(qū)動電路

圖4 方波程序框圖

3 測試和實驗分析

3．1 方波調(diào)試

系統(tǒng)軟硬件調(diào)試完成后，對系統(tǒng)的功能進行了測試。用示波器觀測到了試驗波形如圖7所示。在鍵盤電路上調(diào)節(jié)波形頻率和X值大小，示波器所顯示的波形能做出正確的改變。波形頻率在0．05～2．4 kHz范圍內(nèi)任意可調(diào)，X值在10～99范圍內(nèi)任意可調(diào)并且在整個過程中輸出的波形良好，波形如圖7～9所示。

圖5 缺齒方波程序框圖

由圖7可以看到，方波的幅值為3．8 V，頻率為2．5 kHz，而軟件計算的理想頻率為2．4 kHz，頻率誤差為 4．17%。

由圖8可以看到，10-2的缺齒方波的幅值為3．8 V，頻率為25 kHz，而軟件計算的理想頻率為27．27 kHz，頻率誤差為 8．32%。

由圖9可以看到，21%占空比的方波的幅值為3．8 V，頻率為 2．5 kHz，而軟件計算的理想頻率為 2．4 kHz，頻率誤差為 4．17%。

從表1可以看出，缺齒方波頻率較高時，測量頻率和計算頻率誤差較大。這可能是高頻干擾較大，產(chǎn)生較大誤差的高頻信號輸出［15］。

3．2 步進電機調(diào)試

連接好個電路模塊，確認(rèn)模塊之間無短路、斷路，F(xiàn)PGA芯片68管腳接單片機 P2．0，單片機 P0．0～P0．3接ULN2003的in0～in3，打開電源?？梢郧逦乜吹讲竭M電機在做逆時針轉(zhuǎn)動，按下鍵盤，可清晰看到步進電機做順時針轉(zhuǎn)動。按下鍵盤可改變步進電機的轉(zhuǎn)動方向。

圖6 占空比可調(diào)方波程序框圖

圖7 方波波形

圖8 10-2缺齒方波波形

圖9 21%占空比方波波形

表1 波形數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本設(shè)計實現(xiàn)輸出0．05～2．40 kHz可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)方波，0．05～25．0 kHz可調(diào)的 X-2缺齒方波(X 值可調(diào))，0．05 ～2．40 kHz可調(diào)的占空比 10% ～99% 可調(diào)的方波，以及控制驅(qū)動步進電機，所有模式可以顯示在12864帶中文字庫的液晶上面等功能。

基于FPGA的發(fā)動機信號模擬實驗裝置能夠模擬各種汽車傳感器的驅(qū)動信號，還能驅(qū)動步進電機，用來模擬汽車轉(zhuǎn)速表、里程表、點火線圈、噴油器、EGR電磁閥等執(zhí)行元件的脈沖信號，可以方便汽車實驗檢測工作，為ECU動態(tài)軟件調(diào)試提供了良好的傳感器模擬條件。該裝置已應(yīng)用于汽車實驗室，方便教師進行汽車發(fā)動機和ECU等方面科學(xué)實驗和教學(xué)實驗;也可開拓學(xué)生視野，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，增強競爭力。

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