８０《丰‘；机乌嵌入式豪诧应用》Ｉ囫匝ｌ盈酝目嘞 万方数据
拶登二 进入输出模式 定
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累加齿数 Ｉ
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主∑ 重新记录 曲轴齿数
图５曲轴信号流程
时。在定时中断中设置逼近各点的占空比，记录逼近点个 数，一个正弦周期结束后，曲轴齿数累加１。若判断缺齿 有效，则输出图４中恒定“ｌ”点所对应占空比的ＰＷＭ信 号，两个缺齿后一个曲轴循环结束，曲轴齿数重新计数。 在主程序中判断何时输出凸轮轴信号。
计算逼近各点时间间隔。计算公式如下：
ｆ丽ｂｏ，×丽Ｃａｒｎ，．ｄｃｈ ＴｉｍｅＩｎｔｅｒｖａｌｃ。一币６ｎ０＾五ＬｒＸａｎＫ。…ｈ，＾二Ｕ Ｘ丽ｆｂ． ＴｉｍｅＩｎｔｅｒｖａｋ一而面６五０
其中，ＴｉｍｅＩｎｔｅｒｖａｌｃ础为曲轴信号逼近各点时间的间 隔计数值；ＴｉｍｅＩｎｔｅｒｖａｌｃ。为凸轮轴信号逼近各点时间的 间隔计数值；ｆｈ。为时钟总线频率（Ｈｚ）；Ｃｒａｎｌ【ｎ。。ｋ为曲轴 齿数（６０、４８）；ｃａｍ曲ｌ为凸轮轴齿宽（１，２，３…）；ｎ为发动 机目标转速（ｒｐｍ）。
当逼近一个曲轴信号正弦波时，正弦信号中各点对应 的正弦值如表１所列。各点对应的单片机值寄存器的值 为ＴＰＭ２ＣＶｏ＝Ｒａｎｇ（１１５吲）×Ｓｉｎ（Ｎｕｍｂｅｒ）。同理，可以 得到逼近凸轮轴磁电信号２０个点对应值寄存器的值 ＴＰＭ：ＣＶ，。
各点编号
Ｓｉｎ
各点编号
Ｓｉｎ
表１
１ Ｏ．５
７ ０．５
曲轴信号各点逼近正弦值
７８《平Ｉ；札抛入式豪诧应用》Ｉ囫函童圈匿ｌ卫圆
万方数据
ａｄｖ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃａ（广告专用）
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圈１ 系统原理框图
转速可以选用手动模式或者自动模式。若采用手动模式， 由面板键盘输入特定值；若采用自动模式，由上位机输入 随时间变化的速度曲线，或者采集码盘信息得到实时速度 值。液晶模块来显示发动机、传感器参数和当前发动机转 速。输出模块包括凸轮轴信号输出和曲轴信号输出，继电 器１为凸轮轴信号选择模式，继电器２为曲轴信号选择模 式。输入模块中有外部凸轮轴霍尔信号和外部曲轴霍尔 信号，两信号由单片机采集后，经输出模块转换输出磁电 信号。
图４中，实线为逼近的目标曲线，虚线为逼近得到的 曲线，逼近后的曲线相对于目标曲线向右平移了一小段相 位，在程序中应提前逼近的开始时间，以消除逼近相位 误差。
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（ａ）逼近凸轮轴磁电信号
２．２磁电信号调理电路 实际发动机转速的磁电信号是一组近似于正弦波信
号的模拟信号，低速下其幅值为一１～＋１，高速时幅值变 化可达到一１５～＋１５ｃ”。本模拟器采用ＰＷＭ信号逼近 正弦的方式来生成磁电信号。
磁电信号调理电路如图２所示。
几几几
Ｐ赭务
正弦
黜每信号 输出
一１５Ｖ
亨
Ｕ闰。
１０日ＩｕＦ
圈２磁电信号调理电路
目前已经有很多研发人员已经做了这方面的研究。 例如，清华大学的章健勇开发的发动机转速模拟器系统利 用数字端口实现了大转速范围内发动机转速霍尔信号的 模拟［１３；北京理工大学的王宇明设计的便携式发动机工况 信号模拟器，能够比较真实地模拟发动机传感器信号的类 型、形态，基于模型的信号产生方法能够较好地反映发动 机工况变化中传感器的内在关系，并且提出了把霍尔信号 通过硬件逐步转化成为磁电信号的方法［２１；北京城建设计 研究总院的赵华伟设计的转速模拟器采用硬件方式产生 频率方波信号和电流信号的方法，不仅能够提供发动机所 需的方波信号，而且频率调节精度高，能够实现电流的 输出‘“。
这些模拟器尚不能模拟得到理想的磁电信号，并且对
发动机参数变化的适应性很差。本文提出一种生成标准 磁电正弦信号的方法，并在此基础上设计了一款便携、灵 活的发动机转速信号模拟系统。磁电正弦信号可以通过 硬件转化和软件逼近两种方法得到，实验证明前者得到的 磁电信号精度不高，与真实磁电信号差异较大，所以本文 采用软件逼近的方法。软件分段逼近分为ＤＡ分段逼近 和ＰＷＭ分段逼近。ＤＡ分段逼近的方法需要外扩一块 Ｄ／Ａ芯片，且转化过程需要占用大量单片机资源，不能满 足高频的需求，所以本文选用ＰＷＭ分段逼近的方法。本 系统以ＭＣ９Ｓ０８为处理器，通过面板键盘或ＲＳ２３２通信 方式来设定发动机参数和实时在线修改发动机转速，并通 过ＬＣＤ实时显示信息。
３．２生成凸轮轴信号和曲轴信号 曲轴信号流程如图５所示。首先判断曲轴信号模式。
若模式为霍尔，则输出ＰＷＭ霍尔信号。在溢出定时 中断内累加曲轴齿数，若判断曲轴缺齿有效，则改变 ＰＷＭ频率，得到２个缺齿信号后，一个循环结束，曲轴齿 数重新计数。在主程序中判断何时输出凸轮轴信号。
若模式为磁电，则输出ＰＷＭ逼近信号，开始逼近定
凸轮轴信号流程：若信号模式为霍尔，则在主程序中 通过Ｉ／０口输出霍尔信号。若信号模式为磁电，则输出逼 近ＰＷＭ信号，在定时中断中设置逼近各点的占空比，记 录逼近点个数，一个正弦周期结束后结束逼近定时，输出 图４中恒定“１”点所对应占空比的ＰＷＭ信号。
４实验验证
设定模拟器参数如下：曲轴齿数为（６０一２）个齿，凸轮 轴齿数为（４＋１）个齿，凸轮轴齿宽为６个曲轴齿宽，多齿 超缺齿１２℃Ａ（曲轴转角是以℃Ａ表示），凸轮多齿超凸轮 ｌ齿为６０。ＣＡ。通过示波器观察得到图６所示的信号。
２ ０．７５
８ Ｏ．２５
３ ０．９３３
９ ０．０６７
４
５
１
０．９３３
１０
１１
０
０．０６７
６ ０．７５
１２ ０．２５
为了省去单片机做乘除法运算所占的时间，在程序中 将各点对应的寄存器值做成数组，直接调用。如果要逼近 与图４极性相反（先负后正）的正弦波，只需颠倒各点逼近 顺序，即逼近顺序为２０，１９，１８，…，２，１。
３．１ 逼近磁电正弦信号
模拟器是通过ＰＷＭ信号软件逼近的方式产生磁电 信号。随着一个周期所分段数的逐渐增加，逼近的精度也 逐步提高。但为了防止高速时程序频繁进出中断会影响 程序其他部分的运行，逼近所分段数不可过多。综合逼近 精度、单片机的总线频率和正弦信号的对称性考虑，把凸 轮轴磁电信号的一个正弦周期平分２０等份，通过不同占 空比的ＰＷＭ信号来逼近正弦信号中的２０段，如图４（ａ） 所示；把曲轴信号的一个正弦周期平分１２等份，通过不同 占空比的ＰＷＭ信号来逼近其中的１２段，如图４（ｂ）所示。
２硬件设计
２．１处理器选择
该模拟器是汽车电子系统开发中的一个重要工具，所 以要选择满足宽温度限、强抗电磁干扰等最基本要求的汽 车级别单片机。同时，为了缩减成本，价格低廉也是非常 必要的。模拟器选择Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司的８位处理器 ＭＣ９Ｓ０８ＤＺ６０。它具有４ ＫＢ的ＲＡＭ、２ ＫＢ的ＥＥＰ－ ＲＯＭ、６０ ＫＢ的可编程Ｆｌａｓｈ；包含２路定时脉冲宽度调节 器，其中ＴＰＭｌ具有６个ＰＷＭ通道，ＴＰＭ２具有２个 ＰＷＭ通道。
图６模拟磁电信号 ａｄｖ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃａ（广告专用）
图６所示曲轴信号模式和凸轮轴信号模式均为磁电。 模拟信号满足设定参数要求，并且幅值、相位准确，相对相 位准确，频率稳定。上下两组信号的转速分别为２０００ ｒｐｍ和１０００ ｒｐｍ。比较可知，磁电信号幅值随转速而 变化。
真实测得的磁电信号以及经ＥＣＵ处理后的信号如图７ 所示。该信号在ＥＣＵ中经过比较器处理后转换为方波信 号，进而被单片机采集。模拟得到的磁电信号经过比较器 后，同样转换为一个方波信号。虽然模拟信号与真实磁电 信号存在差异，但是经过比较器后得到形同的方波信号， 对单片机来说就是相同的信号，所以模拟信号能够替代真 实的磁电信号。
ｐａｐｅｒ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃ０Ⅲ．ｃｎ（投稿专用）
万方数据
信号的调理过程分为以下３个部分：
①整形。输入信号是频率固定为１ ＭＨｚ的ＰＷＭ信
号，其占空比按照正弦规律变化，经过ＬＭＶ９３１整形后得 到向上平移流分量，正弦信号整体向下平移，得到标准的正弦波形。
汽车发动机转速信号模拟器设计
潘红杰。李建玺。张幽彤 （ｆｉｂ京理工大学汽车电子技术创新中心，北京１０００８１）
摘要：介绍一种简单、便携、多功能的发动机转速信号模拟器，采用ＰＷＭ信号逼近的方法生成幅值随发动机转速变化 的磁电信号，采用输出比较的方式输出霍尔信号。该模拟器可以方便地设定发动机参数和实时在线修改发动机转速，并
能够实时显示。实验结果表明，该模拟器具有信号精度高、发动机转速范围大的特点。
关键词：发动机；转速模拟；单片机；逼近
中图分类号：ＴＫ４６４
文献标识码：Ｂ
Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅ Ｓｐｅｅｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ
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（ｂ）逼近曲线轴磁电信号
图４逼近磁电信号
ＰＷＭ通道的模数寄存器的值恒定为１９，正弦信号最 大值对应的值寄存器的值为Ｒａｎｇ，如图４中的“６”点和 “４”点。为了保证正弦信号的幅值随着转速值而变化， Ｒａｎｇ随发动机转速增加而增大，Ｒａｎｇ＝Ｒａｎｇ（ｍ酬）。
（Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｉｍｐｌｅ。ｐｏｒｔａｂｌｅ，ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ｕｓｅｓ ＰＷＭ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｗｈｏｓｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｇｅｎｅｒａｔｅｓ ｈａｌｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｏｕｔｐｕｔ ｃｏｍｐａｒｅ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｃａｎ ｓｅｔ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｅｘｐｅｄｉｅｎｔｌｙ，ｍｏｄｉｆｙ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ ｉｎ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ。ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｎ ＬＣＤ ｓｃｒｅｅｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｅｎｇｉｎｅ ｓｐｅｅｄ ｒａｎｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ；ｅｎｇｉｎｅ；ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＭＣＵ；ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ