PIC單片機(jī)在摩托車(chē)用點(diǎn)火系統(tǒng)中的運(yùn)用

摘要 數(shù)字點(diǎn)火方式具有適時(shí)性好、響應(yīng)快、控制點(diǎn)火時(shí)刻更精確等優(yōu)點(diǎn)。用PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火提前角的控制，可靈活調(diào)整提前角度，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能達(dá)到在最佳時(shí)刻點(diǎn)火，展現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)最佳性能，實(shí)現(xiàn)提前角的數(shù)字化控制。

目前控制點(diǎn)火角使用最多的是非接觸式電容放電點(diǎn)火系統(tǒng)和非接觸式晶體管點(diǎn)火系統(tǒng)。然而常規(guī)的模擬式電子點(diǎn)火系統(tǒng)，即使在已經(jīng)獲得最佳點(diǎn)火角變化規(guī)律時(shí)，由于反應(yīng)不靈敏及其他固有缺陷，仍難以按此規(guī)律作出準(zhǔn)確的點(diǎn)火角控制。文中提出了由智能芯片(MCU)控制的數(shù)字化點(diǎn)火系統(tǒng)。數(shù)字式點(diǎn)火器可充分發(fā)揮軟件的強(qiáng)大功能，精確地控制點(diǎn)火提前角，使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下精確地達(dá)到最佳點(diǎn)火。

單片機(jī)選用PIC16F877芯片，它屬于閃存式(Flash)單芯片，可以重復(fù)擦寫(xiě)，其ROM的容量總共是8 kB。PIC單片機(jī)指令集的一大特點(diǎn)是均為單字節(jié)指令，這個(gè)特點(diǎn)有利于抗干擾，且具有工業(yè)級(jí)的芯片特性和較低廉的價(jià)格，故選它作為摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)點(diǎn)火提前角的控制單片機(jī)。

1 點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理

首先，由速度傳感器在磁電機(jī)上采集速度信號(hào)，送入處理、整形電路，最終送給PIC單片機(jī)。PIC單片機(jī)經(jīng)過(guò)軟件運(yùn)算處理，啟動(dòng)點(diǎn)火電路，由磁電機(jī)充電線(xiàn)圈提供點(diǎn)火所需的電壓，最終使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳時(shí)刻完成點(diǎn)火動(dòng)作。

傳感電路是整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，包括傳感器信號(hào)采集電路和信號(hào)處理電路。目前，普通的摩托車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)，一般只有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器主要使用的是磁電機(jī)點(diǎn)火觸發(fā)線(xiàn)圈。磁電機(jī)點(diǎn)火觸發(fā)線(xiàn)圈通過(guò)磁電機(jī)磁缸上的凸臺(tái)切割點(diǎn)時(shí)會(huì)觸發(fā)線(xiàn)圈磁場(chǎng)，從而在線(xiàn)圈上感應(yīng)出脈沖電流。當(dāng)磁電機(jī)點(diǎn)火觸發(fā)線(xiàn)圈通過(guò)凸臺(tái)前沿感應(yīng)線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈產(chǎn)生一個(gè)正脈沖;當(dāng)磁電機(jī)點(diǎn)火觸發(fā)線(xiàn)圈通過(guò)凸臺(tái)后沿感應(yīng)線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖。

這種采用磁電機(jī)點(diǎn)火觸發(fā)線(xiàn)圈方式存在的問(wèn)題是：點(diǎn)火響應(yīng)時(shí)間不準(zhǔn)，提前、遲緩引起的誤差較大，而且存在易被干擾等缺陷。

磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)中能分離出較好的正脈沖信號(hào)，正脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后，信號(hào)還會(huì)夾雜有干擾，需要再經(jīng)過(guò)RC濾波電路處理。從而可得到滿(mǎn)足單片機(jī)端口要求的方波信號(hào)，將方波信號(hào)送入單片機(jī)的CCP模塊進(jìn)行信號(hào)捕捉，計(jì)算兩個(gè)正脈沖上升沿之間的時(shí)間差，從而可以作為區(qū)分轉(zhuǎn)速信號(hào)的依據(jù)。CCP是PIC單片機(jī)“輸入捕捉\輸出比較\脈寬調(diào)制”功能的簡(jiǎn)稱(chēng)。文中只使用捕捉功能，用于測(cè)量引腳輸入的周期方波信號(hào)的周期、頻率和占空比等，也可用于測(cè)量引腳輸入的非周期性方波脈沖信號(hào)的到達(dá)或消失時(shí)刻等參數(shù)。

2 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的測(cè)量

發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，最佳點(diǎn)火角也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。負(fù)荷會(huì)通過(guò)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度表現(xiàn)出來(lái)，所以通過(guò)采用節(jié)氣門(mén)位置傳感器就可以測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化。

模擬式節(jié)氣門(mén)位置傳感器(TPS)是一個(gè)變電阻式傳感器。節(jié)氣門(mén)位置傳感器在節(jié)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生約1 V的電壓，在全開(kāi)時(shí)產(chǎn)生約5 V的電壓。對(duì)此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)限流、濾波、整形后，送入PIC單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊。以此獲得用不同電壓來(lái)測(cè)量當(dāng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。

通過(guò)大量的試驗(yàn)取得轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷以及最佳點(diǎn)火提前角關(guān)系的數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)制表進(jìn)行軟件編程寫(xiě)入PIC單片機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)PIC單片機(jī)可以在最佳的時(shí)刻點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)有最佳的性能表現(xiàn)。

3 單片機(jī)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)為高集成度智能處理芯片，外圍電路較為簡(jiǎn)單，主要有：晶振電路、按鍵電路、指示燈電路、節(jié)氣門(mén)傳感電路等。

軟件主程序及中斷程序的設(shè)計(jì)思路以及程序流程基本是按前述信號(hào)處理流程來(lái)處理的。輸入RA1口按鍵電路是讓單片機(jī)識(shí)別不同按鍵按下時(shí)產(chǎn)生的不同電壓來(lái)進(jìn)行狀態(tài)選擇。在測(cè)量中主要是單片機(jī)按照預(yù)先制定的程序自行調(diào)整點(diǎn)火角的提前量。但影響點(diǎn)火提前的因素較多，希望找到最符合發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的提前角曲線(xiàn)。因此不考慮其它因素，僅通過(guò)調(diào)整提前角尋找最佳點(diǎn)火點(diǎn)是很方便的。

中斷服務(wù)子程序用來(lái)判斷是否捕捉到了連續(xù)兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間差。因?yàn)閮?nèi)部時(shí)鐘與PIC單片機(jī)的時(shí)鐘周期及對(duì)定時(shí)器的分頻比設(shè)定等均有關(guān)系，因此得到的值不完全等于實(shí)際時(shí)間。表1是單片機(jī)測(cè)量到的時(shí)間與實(shí)際轉(zhuǎn)速。

從表1可知，時(shí)差隨轉(zhuǎn)速的上升而下降，且下降的速度不同，低速和高速時(shí)變化較快，中速階段變化較慢。而這些值也成為單片機(jī)識(shí)別磁電機(jī)轉(zhuǎn)速的依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速下自動(dòng)選擇不同點(diǎn)火提前角。

4 對(duì)抗干擾的研究

在車(chē)輛上，電磁干擾的主要來(lái)源是電機(jī)干擾源、點(diǎn)火線(xiàn)圈干擾源、高壓導(dǎo)線(xiàn)干擾源、繼電器和其他開(kāi)關(guān)設(shè)備等干擾源。影響車(chē)載設(shè)備的主要干擾來(lái)自車(chē)用電源耦合的電磁干擾和汽車(chē)電子系統(tǒng)輻射的空間電磁干擾。對(duì)于空間電磁干擾，用一個(gè)屏蔽罩將整個(gè)電路系統(tǒng)封閉，減小了輻射干擾。屏蔽結(jié)構(gòu)要盡量減少不必要的開(kāi)孔、縫隙及尖端突出物，以避免泄露。屏蔽體與設(shè)備之間要保持一定距離，否則會(huì)損耗大量有功能量，減低設(shè)備的功率，而達(dá)不到屏蔽應(yīng)有的效果。

干擾對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)最常見(jiàn)的影響是程序運(yùn)行異常。干擾使單片機(jī)的PC值到了未使用的地址空間而進(jìn)行毫無(wú)意義的運(yùn)行，即“跑飛”或者程序雖然在正常的地址空間運(yùn)行，但干擾使程序跳轉(zhuǎn)到本不應(yīng)去的地方運(yùn)行或進(jìn)入“死循環(huán)”。為此，在程序中加入“軟件監(jiān)控”，對(duì)程序進(jìn)行攔截，使“跑飛”的程序在程序區(qū)迅速重回正軌，應(yīng)多用單字節(jié)指令，并在若干關(guān)鍵處有意插入多個(gè)單字節(jié)指令NOP或?qū)?duì)程序流向起重要作用的指令(JC、JNC、LJMP、RET等)重復(fù)編寫(xiě)以保證這些指令的執(zhí)行，這被稱(chēng)為指令冗余技術(shù)，也可使用單片機(jī)自帶的看門(mén)狗。

5 結(jié)束語(yǔ)

該點(diǎn)火器滿(mǎn)足了摩托車(chē)從低速到高速全工況點(diǎn)火提前角要求，增加了控制的靈活性。同時(shí)可控制點(diǎn)火提前角精度在1℃以下，并可通過(guò)按鍵手動(dòng)調(diào)整。PIC單片機(jī)價(jià)格低、功能強(qiáng)，非常適用于工業(yè)控制。通過(guò)編程利用其內(nèi)部功能可簡(jiǎn)化外圍電路，使測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。同時(shí)它的可編程特性，更增加了靈活性，為今后的功能擴(kuò)展提供了可能。