基于CPLD的汽油機(jī)點(diǎn)火參數(shù)測量儀的研制

點(diǎn)火參數(shù)是影響汽油機(jī)性能的最重要因素之一。汽油機(jī)的點(diǎn)火參數(shù)主要有：點(diǎn)火提前角、點(diǎn)火能量、點(diǎn)火電壓和點(diǎn)電流。通過對這些參數(shù)的測量、研究與優(yōu)化，能提高發(fā)動機(jī)的性能，降低油耗，減少有害氣體的排放量，改善環(huán)境空氣質(zhì)量等。就國內(nèi)外目前的點(diǎn)火參數(shù)測量設(shè)備來說，普遍存在著體積龐大、價格昂貴、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，甚至有些是采用示波器來觀察，人機(jī)對話界面不夠友好。由于火花塞放電時間大約在200～500μs之間，點(diǎn)火電壓的上升時間卻只有幾到十幾μs，為了保證測量精度，采樣頻率要求在10MHz以上，這個速率就是目前最快的單片機(jī)也難以勝任。因此如何有效地實(shí)現(xiàn)超高速的數(shù)據(jù)采集便成了解決問題的技術(shù)關(guān)鍵。同時，使高速的數(shù)據(jù)采集器與低速的控制電路實(shí)現(xiàn)可靠地信息交換是又一難題。本測量儀采用CPLD作為高速采集器，用AT89C52作為控制器，巧妙地解決了這一問題。

1 汽油機(jī)點(diǎn)火參數(shù)的測量原理和方法

汽油機(jī)點(diǎn)火參數(shù)測量電路的原理框圖如圖1的慰。觸發(fā)信號是磁電機(jī)位置傳感器(電磁感應(yīng)線圈)發(fā)出的信號，點(diǎn)火信號是套在點(diǎn)火線上的傳感線圈的輸出信號，這兩個信號經(jīng)調(diào)理電路的整形，控制CPLD計數(shù)器的起停，根據(jù)計數(shù)值可計算出轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火提前角。點(diǎn)火線圈次級電壓、電流信號經(jīng)過分壓器、分流器以及功放等調(diào)整到高速A/D的輸入范圍。高速A/D對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，結(jié)果由CPLD鎖存，并通過CPLD存儲到高速靜態(tài)存儲器SRAM中。整個測量電路在CPU的控制下工作。上電后，CPU首先對CPLD進(jìn)行配置，待CPLD完成初始化后，整個電路就進(jìn)入工作狀態(tài)。電路的采樣頻率由時鐘合成芯片輸出，測量結(jié)果通過CPLD取得，經(jīng)CPU處理后在LCD上顯示出來。

1.1 高速數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計

高速數(shù)據(jù)采集電路由高速A/D轉(zhuǎn)換器AD9051、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)EPF10K10、高速靜態(tài)存儲器(SRAM)CY7C1021組成，如果2所示。AD9051將經(jīng)過調(diào)理的電壓、電流信號轉(zhuǎn)化成十位數(shù)字量輸出，ORv、ORi分別為電壓、電流幅值超過輸入范圍信號。當(dāng)Fout有脈沖輸出時，AD9051進(jìn)行轉(zhuǎn)換，否則停止工作。在信號采集電路中，CPLD的作用：(1)在SMEN信號使能的情況下，SMST(點(diǎn)火信號)信號到來后，輸出Fout起動A/D轉(zhuǎn)換器;(2)鎖存AD9051的輸出結(jié)果;(3)通過地址發(fā)生器輸出數(shù)據(jù)存儲地址，并產(chǎn)生寫信號(WR)，將鎖存數(shù)據(jù)寫入SRAM。

1.2 控制電路的設(shè)計

控制電路的核心為AT89C52，如圖3所示?？刂齐娐芬瓿傻娜蝿?wù)是：(1)上電后，完成CPLD的配置加載。FLEX10K系列共有4種加載方式，這里采用主動串行方式，由AT89C52的引腳P1.5控制CPLD和已寫入配置數(shù)據(jù)的串行EPROM(27E512)完成配置。(2)完成采樣頻率的控制，由AT89C52控制時間合成芯片MC12429來實(shí)現(xiàn)，其輸出頻率為25～400MHz。每次采樣前，用戶可手動輸入采樣頻率，由AT89C52的P0.0～P0.7腳輸出M[8..1]的值，P1.0腳輸出由低到高的信號，將此值鎖存。(3)控制A/D轉(zhuǎn)換的使能。當(dāng)頻率設(shè)定好后，用戶按下采樣鍵，AT89C52的P1.1輸出采樣使能信號SMEN，當(dāng)采樣開始信號SMST到來后，采樣就開始進(jìn)行。(4)與CPLD的通訊。圖3中，AT89C52的P0.0～P0.7與CPLD的8個I/O引腳相連，實(shí)現(xiàn)AT89C52與CPLD之間的數(shù)據(jù)通訊。它們之間的控制信號有讀取數(shù)據(jù)時鐘信號RDCK(P1.2)、輸入/輸出控制信號I/O(P1.3)、CPLD選通信號PLDCE(P1.4)和CPLD發(fā)出的中斷信號INT(INT0)。

1.3 高速采集器與低速控制器的接口

CPLD要在AT89C52的控制下完成相應(yīng)的功能，必須為兩者之間建立一定的信號聯(lián)系，使CPLD能夠辨別AT89C52發(fā)出的命令并去執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。本測量儀CPLD與CPU之間的通訊要實(shí)現(xiàn)的功能有：采樣頻率的確定，采樣結(jié)果的讀取，狀態(tài)信息的讀取。AT89C52輸入數(shù)據(jù)的編碼如表1所示。其中狀態(tài)信息包括：三位按鍵狀態(tài)位(0—按下，1—沒按下)、兩片AD輸入是否超出范圍狀態(tài)表示位(0—超出范圍，1—沒超出范圍)、一位采樣狀態(tài)位(0—采樣完成，1—正在采樣或沒開始采樣)。

表1 CPLD與AT89C52之間的通訊編碼

D7  D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0   含    義
X  X   X  X  X  X  0  0    一分頻
X  X   X  X  X  X  0  1    二分頻
X  X   X  X  X  X  1  0    四分頻
X  X   X  X  X  X  1  1    八分頻
0  0   0  0  X  X  X  X    讀狀態(tài)信息
0  0   0  1  X  X  X  X    讀點(diǎn)火提高前角低8位
0  0   1  0  X  X  X  X    讀點(diǎn)火提前角第二個低8位
0  0   1  1  X  X  X  X    讀點(diǎn)火提前角高7位
0  1   0  0  X  X  X  X    讀轉(zhuǎn)速低8位
0  1   0  1  X  X  X  X    讀轉(zhuǎn)速第二個低8位
0  1   1  0  X  X  X  X    讀轉(zhuǎn)速第三個低8位
0  1   1  1  X  X  X  X    讀轉(zhuǎn)速高2位
1  0   0  0  X  X  X  X    讀電流低8位
1  0   0  1  X  X  X  X    讀電流高2位

2 控制程序設(shè)計

為了實(shí)時顯示點(diǎn)火系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對于轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火提前角，控制電路采用查詢的方式從CPLD取得轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火提前計數(shù)器的計數(shù)值。對于點(diǎn)火電壓、電流數(shù)據(jù)則采用中斷方式取得，即采樣和A/D轉(zhuǎn)換完成后，CPLD向控制電路發(fā)出中斷，控制電路再通過CPLD從SRAM中取得數(shù)據(jù)。

2.1 主程序的設(shè)計

控制電路加電或復(fù)位后，AT89C52就開始執(zhí)行主程序，流程圖如圖4所示。CPLD在上電后，配置完成前，CONF_DONE(如圖3所示)引腳被CPLD下拉為低電平。一旦CPLD配置成功，CONF_DONE引腳被CPLD釋放，由上拉電阻接到高電平。所以，控制電路加電或復(fù)位后，只要發(fā)現(xiàn)CONF_DONE引腳為低電平時，就對CPLD進(jìn)行配置。初始化的任務(wù)是特殊功能寄存器的初始化、CPLD內(nèi)觸發(fā)器的清零和置1、默認(rèn)采樣頻率的設(shè)置以及液晶的初始設(shè)置。

2.2 中斷程序的設(shè)計

本控制電路只用了AT89C52的中斷INT0，然后在中斷程序中再判斷是何種中斷。共有三種中斷源：AD輸入超出范圍中斷、Buffer Full中斷和按鍵中斷。這三種中斷優(yōu)先級順序?yàn)椋?/p>

A/D輸入超出范圍中斷>Buffer Full中斷>按鍵中斷。圖5為中斷程序流程圖。AT89C52響應(yīng)中斷后，從CPLD讀取狀態(tài)信息，按中斷優(yōu)先順序依次判斷。如果是AD輸入超出范圍中斷，則說明信號調(diào)理電路參數(shù)選擇不當(dāng)或此點(diǎn)有意外干擾疊加。這時在LCD上做出警靠顯示并終止本次數(shù)據(jù)采集，已采樣數(shù)據(jù)作廢。如果是Buffer Full中斷，則需把A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果從SRAM中取出、計算并顯示。如果是按鍵中斷，則要判斷是哪個鍵被按下，且要得到在當(dāng)前狀態(tài)下，該按鍵是何意義，然后完成相應(yīng)功能。

需要說明的是，點(diǎn)火能量是將采樣到的電壓、電流數(shù)據(jù)在火花持續(xù)時間內(nèi)積分(乘積求和運(yùn)算)而得到的。

本測量儀創(chuàng)造性地運(yùn)用了CPLD器件和技術(shù)，圓滿地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集，大大減少了集成芯片的數(shù)量，降低了開發(fā)成本，增強(qiáng)了抗干擾的能力，并在很大程度上減少了開發(fā)成本，增強(qiáng)了抗干擾的能力，并在很大程度上減少了測量儀的體積，更具有便攜性。與現(xiàn)有的點(diǎn)火參數(shù)測量系統(tǒng)相比，它更適合于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量鑒定、汽油機(jī)的研究開發(fā)和維修服務(wù)中的故障診等場合，因而具有十分廣泛的應(yīng)用前景。