基于A(yíng)tmega88的發(fā)動(dòng)機轉速模擬系統設計

目前，V型開(kāi)發(fā)模式已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機ECU開(kāi)發(fā)流程的主流。其中的硬件在環(huán)仿真環(huán)節中，為了配合ECU軟件的開(kāi)發(fā)，需要提供硬件仿真環(huán)境模擬發(fā)動(dòng)機的工作狀態(tài)來(lái)驗證軟件算法的正確性。發(fā)動(dòng)機轉速信號是發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)的一個(gè)重要信號，因此開(kāi)發(fā)實(shí)用的轉速模擬系統對于發(fā)動(dòng)機ECU軟件開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1 發(fā)動(dòng)機轉速傳感器原理

轉速傳感器的主要作用是實(shí)時(shí)判斷曲軸和凸輪軸的瞬態(tài)位置，以滿(mǎn)足ECU決定點(diǎn)火、噴射的定時(shí)和脈寬需要。電控發(fā)動(dòng)機所有的點(diǎn)火噴射控制功能均是以轉速傳感器信號為基礎，故轉速傳感器信號處理是所有信號處理中最重要的一部分。轉速信號一般采用曲軸和凸輪軸傳感器實(shí)現，這些傳感器的觸發(fā)信號盤(pán)和曲軸或者凸輪軸同步旋轉，其外圓上加工刻度均勻的凹齒或凸齒，通過(guò)一定的變換原理輸出的信號反映了瞬時(shí)轉速。除此以外，轉速傳感器還必須完成噴射判缸的功能，為了表征某一特定缸的特定位置，一般特意在觸發(fā)信號盤(pán)上加工特征齒，如加工多齒或少齒。由于曲軸一個(gè)工作過(guò)程旋轉兩周，特征齒不能反映到底是壓縮上止點(diǎn)還是燃燒上止點(diǎn)，不能完成判缸功能；凸輪軸一個(gè)工作過(guò)程旋轉一周，特征齒能完成判缸，但凸輪軸傳感器信號的缺點(diǎn)是信號變化慢，頻率低，在發(fā)動(dòng)機低轉速情況下容易造成較大的誤差，故電控發(fā)動(dòng)機中一般是凸輪軸和曲軸傳感器信號相互配合，曲軸完成瞬時(shí)轉速測量，凸輪軸完成判缸，兩者共同構成點(diǎn)火噴射功能的底層基礎[1]。

2 系統方案設計

發(fā)動(dòng)機轉速模擬系統設計應具有穩定性、靈活性、實(shí)用性。穩定性是指要保證凸輪軸和曲軸的信號幅值相位準確，相對相位也要非常準確。靈活性是指轉速模擬系統能夠模擬各種型號的發(fā)動(dòng)機凸輪軸、曲軸信號，在軟件上要能夠根據對應曲軸、凸輪軸缺齒位置數量的變化很容易地修改相應的設置達到所需要的信號輸出，同時(shí)能夠很靈活地修改轉速。實(shí)用性是指系統的成本要盡可能降低，以保證ECU開(kāi)發(fā)成本的降低。

針對以上系統設計需求，選用了Atmel公司的ATmega88單片機作為主控制器，這款單片機是高性能、低功耗的8位AVR單片機，具有6通道PWM，8路10位ADC，可編程的串行USART接口，可工作于主機/從機模式的SPI串行接口，8KB可編程FLASH[2]，能夠完全滿(mǎn)足系統的設計要求，同時(shí)該款單片機在價(jià)格方面也完全滿(mǎn)足系統開(kāi)發(fā)的要求。

在軟件方面，采用C語(yǔ)言編程，同時(shí)用串口RS232與PC機進(jìn)行通訊。采用RS232協(xié)議方式可以通過(guò)串口工具發(fā)送單個(gè)離散的轉速指令，也可以用Matlab工具發(fā)送發(fā)動(dòng)機實(shí)際工作狀態(tài)的連續轉速變化曲線(xiàn)。在脫離PC機的環(huán)境下，可以采用滑動(dòng)變阻器旋鈕輸入方式修改轉速。

系統的設計框圖如圖1。

3 硬件設計

系統電路由晶振電路、復位電路、RS232轉換電路、模擬量輸入電路、ISP下載電路、LED指示電路組成。

系統硬件接口電路連接如圖2所示。

硬件系統電源采用5V供電，可以用USB線(xiàn)進(jìn)行供電，AD采樣模塊采用外部參考電壓Vref輸入方式，因此輸入單片機Vref的5V需要進(jìn)行濾波處理。選用16MHz晶振，啟振電路采用2個(gè)22pF的電容。RS232接口電路采用MAX232芯片，通過(guò)配置單片機中USART模塊寄存器，設置通訊的波特率為38 400kb/s[3]。LED電路通過(guò)閃爍的頻率和順序來(lái)表示輸出轉速的大小。

4 軟件設計

本系統軟件包括主程序、AD采樣子程序、凸輪軸缺齒設置程序、曲軸缺齒設置程序、USART中斷接收程序、計數器配置程序等。主程序完成初始化后，系統選擇轉速方式。如果采用RS232控制轉速方式，系統初始化后，配置凸輪軸、曲軸的缺齒設置，按照默認的轉速設置相應的計數器寄存器，然后計算并輸出對應的凸輪軸曲軸齒信號。當進(jìn)入USART接收中斷時(shí)，中斷函數接收RS232數據，然后計算該轉速下相對應的計數器寄存器設置，更新計數器，重新計算并輸出對應的凸輪軸曲軸齒信號，并修改PORTC對應的LED燈的閃爍頻率。同時(shí)把轉速命令修改標志位回發(fā)到PC機，表示轉速成功修改。程序流程如圖3所示。

如果采用AD采樣方式修改轉速，系統完成初始化后，用查詢(xún)方式進(jìn)行AD采樣，采樣值進(jìn)行數字濾波后，計算出目標轉速，然后修改計數器的寄存器，計算并輸出對應的凸輪軸曲軸齒信號，同時(shí)修改PORTC對應的LED燈的閃爍頻率以表示轉速的變化。程序流程如圖4所示。

本轉速模擬系統設計的發(fā)動(dòng)機模擬轉速輸出如圖5所示。圖中曲軸信號盤(pán)60齒缺2齒，凸輪軸的高低電平各占一半時(shí)間間隔，表示發(fā)動(dòng)機轉速在960r/min下的曲軸凸輪軸信號。經(jīng)試驗驗證該轉速模擬裝置可以模擬發(fā)動(dòng)機的轉速范圍為15～1 000 000r/min，在該轉速范圍內輸出的凸輪軸曲軸信號的電平和相位關(guān)系準確，實(shí)際發(fā)動(dòng)機需要測量的轉速范圍為200～7 000r/min，因此本系統完全滿(mǎn)足實(shí)際發(fā)動(dòng)機轉速模擬的要求。

本系統能夠用很低的成本實(shí)現發(fā)動(dòng)機轉速信號的模擬，為發(fā)動(dòng)機ECU軟件中點(diǎn)火噴射控制程序的調試起了較大的作用，具有推廣價(jià)值。