基于FPGA的发动机信号模拟发生实验装置研制

赵文锋， 王海林， 左文林

(华南农业大学工程学院，广东广州510642)

0 引言

目前，汽车电子化的飞速发展使得汽车ECU型号越来越多、越来越复杂，为了方便ECU的实验开发和测试，除了应用于真实的汽车环境，往往还需要建立一些模拟的汽车环境用于ECU实验室阶段的开发、测试和故障分析等［1-2］。汽车发动机ECU是汽车ECU中最重要最复杂的控制系统，其开发、测试和故障分析等需要汽车发动机各类信号的激励［3-4］。汽车发动机ECU的开发、测试和故障分析主要使用各种发动机信号模拟系统，这些系统能够模拟产生真实发动机的各种基本信号，可以驱动ECU的正常工作［5-6］。但传统的发动机信号模拟系统往往只能模拟特定的一种汽车发动机，不能重复利用;而且多为国外昂贵产品，开发成本很高，不利于国内汽车ECU的发展［7］。本文开发了一种多用途的发动机信号模拟系统，可以很方便地模拟多种汽车发动机信号，甚至能模拟出实车条件下很难到达的工况范围，而且该系统合理利用资源，软硬件成本较低。

1 系统构成

本文所设计的装置其主要功能是为ECU提供X-2的霍尔式曲轴位置传感器信号(X为10～99可调)，采用X齿-2齿的形式，在均匀分布X个齿的齿盘上，有X个标准轮齿和2个异形齿。以X设为60为例，其齿盘上有58个标准轮齿和2缺齿。齿盘转动1周，传感器输出信号为58个等周期(方波)和一个2倍周期的缺齿波。齿盘不断转动，信号重复。齿盘形状和传感器输出波形如图1所示［8］。

图1 直列6缸汽油机霍尔式曲轴位置传感器信号

该系统主要运用了当前较为流行的FPGA芯片EP1C3T144C8和单片机STC89C52，如图2所示。能够产生基本的发动机信号，如霍尔式曲轴信号、霍尔式凸轮轴信号、各种模拟量和开关量信号。

图2 系统设计模块图

系统各模块硬件电路的设计主要包括FPGA模块(信号发生模块，用于产生标准方波，缺齿方波，占空比可调方波以及步进电机驱动模块等)、液晶显示模块、按键模块、步进电机驱动模块以及电源模块等硬件电路的设计。系统软件的设计主要包括标准方波程序，缺齿方波程序(X-2模式)、占空比可调方波(10%～99%可调)、步进电机驱动信号、按键输入信号A/D，D/A转换，液晶显示程序，以及分频程序等。

2 系统设计

2．1 控制芯片单元

控制芯片是整个系统的核心，所有模块都是通过控制芯片进行控制处理，控制芯片也直接影响到系统的软件设计。综合考虑系统结构需求、开发难度、价格成本、供应情况等多方面的因素［9］，核心部分是FPGA芯片EP1C3T144C8和单片机STC89C52，具有丰富I/O口、主频高、外部中断通道多、具有 AS和 JTAG下载模块、各种中断优先级配置方便等功能［10］。

2．2 ULN2003步进电机驱动芯片

ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由7个硅NPN复合晶体管组成。ULN2003是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5 V TTL 电平，输出可达 500 mA/50 V［11］。

2．3 步进电路实现

FPGA芯片68管脚接单片机P2．0接口，通过单片机产生时序信号，再经过ULN 2003芯片对步进电机进行驱动。FPGA在这里起到一个控制信号作用。FPGA程序通过按键信号产生高低电平信号，该信号输入到单片机的P2．0中进行方向控制，单片机的P0．0～P0．3是步进电机驱动信号输出，单片机采用四相八拍的电机驱动方式，通过延时有序的输出相应信号，如正转A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A;反转时序则倒过来。电路图如3所示。

2．4 标准方波

标准方波信号的产生，原理是通过累加器对clk时钟信号进行分频，具体实现是累加器产生一个数值2 499，当信号cnt＜1 249即2 499的1/2时，输出为高电平;≥1 249时，输出值取反，为低电平。通过累加器改变数值，可以实现对标准方波进行调频，调频范围是0．05 ～2．4 kHz［12］，如图 4 所示。

2．5 缺齿方波程序设计

缺齿方波程序的设计原理是通过读取X个方波小周期(其中X值可以通过datax程序进行调整，10～99可调)，前X-2个小周期为方波，然后2个小周期输出低电平，这就是X-2缺齿方波。同理，通过累加器改变标准方波的小周期就可以实现缺齿方波的频率变化。通过累加器改变数值，可以实现对标准方波进行调频，调频范围是0．05 ～25 kHz［13］，如图5 所示。

2．6 占空比可调方波

占空比可调方波的设计原理大体上和标准方波的设计原理相似，通过累加器产生数值x(范围在0～2 499)，当cnt＜x值时，输出信号为高电平;≥x值时，输出信号为低电平，x与2 499的比值就是方波的占空比。通过dataz程序可以设置占空比，占空比10% ～99%可调。通过clkn程序改变数值，可以实现对标准方波进行调频，调频范围是 0．05 ～2．4 kHz［14］，如图 6所示。

图3 步进电机驱动电路

图4 方波程序框图

3 测试和实验分析

3．1 方波调试

系统软硬件调试完成后，对系统的功能进行了测试。用示波器观测到了试验波形如图7所示。在键盘电路上调节波形频率和X值大小，示波器所显示的波形能做出正确的改变。波形频率在0．05～2．4 kHz范围内任意可调，X值在10～99范围内任意可调并且在整个过程中输出的波形良好，波形如图7～9所示。

图5 缺齿方波程序框图

由图7可以看到，方波的幅值为3．8 V，频率为2．5 kHz，而软件计算的理想频率为2．4 kHz，频率误差为 4．17%。

由图8可以看到，10-2的缺齿方波的幅值为3．8 V，频率为25 kHz，而软件计算的理想频率为27．27 kHz，频率误差为 8．32%。

由图9可以看到，21%占空比的方波的幅值为3．8 V，频率为 2．5 kHz，而软件计算的理想频率为 2．4 kHz，频率误差为 4．17%。

从表1可以看出，缺齿方波频率较高时，测量频率和计算频率误差较大。这可能是高频干扰较大，产生较大误差的高频信号输出［15］。

3．2 步进电机调试

连接好个电路模块，确认模块之间无短路、断路，FPGA芯片68管脚接单片机 P2．0，单片机 P0．0～P0．3接ULN2003的in0～in3，打开电源。可以清晰地看到步进电机在做逆时针转动，按下键盘，可清晰看到步进电机做顺时针转动。按下键盘可改变步进电机的转动方向。

图6 占空比可调方波程序框图

图7 方波波形

图8 10-2缺齿方波波形

图9 21%占空比方波波形

表1 波形数据

4 结语

本设计实现输出0．05～2．40 kHz可调的标准方波，0．05～25．0 kHz可调的 X-2缺齿方波(X 值可调)，0．05 ～2．40 kHz可调的占空比 10% ～99% 可调的方波，以及控制驱动步进电机，所有模式可以显示在12864带中文字库的液晶上面等功能。

基于FPGA的发动机信号模拟实验装置能够模拟各种汽车传感器的驱动信号，还能驱动步进电机，用来模拟汽车转速表、里程表、点火线圈、喷油器、EGR电磁阀等执行元件的脉冲信号，可以方便汽车实验检测工作，为ECU动态软件调试提供了良好的传感器模拟条件。该装置已应用于汽车实验室，方便教师进行汽车发动机和ECU等方面科学实验和教学实验;也可开拓学生视野，提高学生的自主创新能力，增强竞争力。

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