基于Atmega88的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速模擬系統(tǒng)設(shè)計

目前，V型開發(fā)模式已經(jīng)成為發(fā)動機(jī)ECU開發(fā)流程的主流。其中的硬件在環(huán)仿真環(huán)節(jié)中，為了配合ECU軟件的開發(fā)，需要提供硬件仿真環(huán)境模擬發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)來驗(yàn)證軟件算法的正確性。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號是發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的一個重要信號，因此開發(fā)實(shí)用的轉(zhuǎn)速模擬系統(tǒng)對于發(fā)動機(jī)ECU軟件開發(fā)具有重要意義。

1 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器原理

轉(zhuǎn)速傳感器的主要作用是實(shí)時判斷曲軸和凸輪軸的瞬態(tài)位置，以滿足ECU決定點(diǎn)火、噴射的定時和脈寬需要。電控發(fā)動機(jī)所有的點(diǎn)火噴射控制功能均是以轉(zhuǎn)速傳感器信號為基礎(chǔ)，故轉(zhuǎn)速傳感器信號處理是所有信號處理中最重要的一部分。轉(zhuǎn)速信號一般采用曲軸和凸輪軸傳感器實(shí)現(xiàn)，這些傳感器的觸發(fā)信號盤和曲軸或者凸輪軸同步旋轉(zhuǎn)，其外圓上加工刻度均勻的凹齒或凸齒，通過一定的變換原理輸出的信號反映了瞬時轉(zhuǎn)速。除此以外，轉(zhuǎn)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)信號盤上加工特征齒，如加工多齒或少齒。由于曲軸一個工作過程旋轉(zhuǎn)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；凸輪軸一個工作過程旋轉(zhuǎn)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)動機(jī)低轉(zhuǎn)速情況下容易造成較大的誤差，故電控發(fā)動機(jī)中一般是凸輪軸和曲軸傳感器信號相互配合，曲軸完成瞬時轉(zhuǎn)速測量，凸輪軸完成判缸，兩者共同構(gòu)成點(diǎn)火噴射功能的底層基礎(chǔ)[1]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速模擬系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具有穩(wěn)定性、靈活性、實(shí)用性。穩(wěn)定性是指要保證凸輪軸和曲軸的信號幅值相位準(zhǔn)確，相對相位也要非常準(zhǔn)確。靈活性是指轉(zhuǎn)速模擬系統(tǒng)能夠模擬各種型號的發(fā)動機(jī)凸輪軸、曲軸信號，在軟件上要能夠根據(jù)對應(yīng)曲軸、凸輪軸缺齒位置數(shù)量的變化很容易地修改相應(yīng)的設(shè)置達(dá)到所需要的信號輸出，同時能夠很靈活地修改轉(zhuǎn)速。實(shí)用性是指系統(tǒng)的成本要盡可能降低，以保證ECU開發(fā)成本的降低。

針對以上系統(tǒng)設(shè)計需求，選用了Atmel公司的ATmega88單片機(jī)作為主控制器，這款單片機(jī)是高性能、低功耗的8位AVR單片機(jī)，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(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口，8KB可編程FLASH[2]，能夠完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，同時該款單片機(jī)在價格方面也完全滿足系統(tǒng)開發(fā)的要求。

在軟件方面，采用C語言編程，同時用串口RS232與PC機(jī)進(jìn)行通訊。采用RS232協(xié)議方式可以通過串口工具發(fā)送單個離散的轉(zhuǎn)速指令，也可以用Matlab工具發(fā)送發(fā)動機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)的連續(xù)轉(zhuǎn)速變化曲線。在脫離PC機(jī)的環(huán)境下，可以采用滑動變阻器旋鈕輸入方式修改轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1。

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)電路由晶振電路、復(fù)位電路、RS232轉(zhuǎn)換電路、模擬量輸入電路、ISP下載電路、LED指示電路組成。

系統(tǒng)硬件接口電路連接如圖2所示。

硬件系統(tǒng)電源采用5V供電，可以用USB線進(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(jī)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22pF的電容。RS232接口電路采用MAX232芯片，通過配置單片機(jī)中USART模塊寄存器，設(shè)置通訊的波特率為38 400kb/s[3]。LED電路通過閃爍的頻率和順序來表示輸出轉(zhuǎn)速的大小。

4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件包括主程序、AD采樣子程序、凸輪軸缺齒設(shè)置程序、曲軸缺齒設(shè)置程序、USART中斷接收程序、計數(shù)器配置程序等。主程序完成初始化后，系統(tǒng)選擇轉(zhuǎn)速方式。如果采用RS232控制轉(zhuǎn)速方式，系統(tǒng)初始化后，配置凸輪軸、曲軸的缺齒設(shè)置，按照默認(rèn)的轉(zhuǎn)速設(shè)置相應(yīng)的計數(shù)器寄存器，然后計算并輸出對應(yīng)的凸輪軸曲軸齒信號。當(dāng)進(jìn)入USART接收中斷時，中斷函數(shù)接收RS232數(shù)據(jù)，然后計算該轉(zhuǎn)速下相對應(yīng)的計數(shù)器寄存器設(shè)置，更新計數(shù)器，重新計算并輸出對應(yīng)的凸輪軸曲軸齒信號，并修改PORTC對應(yīng)的LED燈的閃爍頻率。同時把轉(zhuǎn)速命令修改標(biāo)志位回發(fā)到PC機(jī)，表示轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，系統(tǒng)完成初始化后，用查詢方式進(jìn)行AD采樣，采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波后，計算出目標(biāo)轉(zhuǎn)速，然后修改計數(shù)器的寄存器，計算并輸出對應(yīng)的凸輪軸曲軸齒信號，同時修改PORTC對應(yīng)的LED燈的閃爍頻率以表示轉(zhuǎn)速的變化。程序流程如圖4所示。

本轉(zhuǎn)速模擬系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)動機(jī)模擬轉(zhuǎn)速輸出如圖5所示。圖中曲軸信號盤60齒缺2齒，凸輪軸的高低電平各占一半時間間隔，表示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在960r/min下的曲軸凸輪軸信號。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該轉(zhuǎn)速模擬裝置可以模擬發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為15～1 000 000r/min，在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出的凸輪軸曲軸信號的電平和相位關(guān)系準(zhǔn)確，實(shí)際發(fā)動機(jī)需要測量的轉(zhuǎn)速范圍為200～7 000r/min，因此本系統(tǒng)完全滿足實(shí)際發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速模擬的要求。

本系統(tǒng)能夠用很低的成本實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的模擬，為發(fā)動機(jī)ECU軟件中點(diǎn)火噴射控制程序的調(diào)試起了較大的作用，具有推廣價值。