《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CPLD的汽油機(jī)點(diǎn)火參數(shù)測(cè)量?jī)x的研制

2009-04-15
作者：梁帥奇 吳言蓀 胡 剛

??? 摘? 要: 針對(duì)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍大及點(diǎn)火電壓、電流變化極快的特點(diǎn),采用CPLD作為高速采集器,有效地實(shí)現(xiàn)了超高速數(shù)據(jù)采集,完成了對(duì)點(diǎn)火電壓、電流波形的采樣;并通過對(duì)接口電路的認(rèn)真分析,有效地解決了高速數(shù)據(jù)采集模塊和低速控制器之間的數(shù)據(jù)通訊。?

??? 關(guān)鍵詞: 點(diǎn)火參數(shù)? 復(fù)雜可編程邏輯器件? 靜態(tài)存儲(chǔ)器? 高速數(shù)據(jù)采集? 液晶顯示

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??? 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)火電流。通過對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量、研究與優(yōu)化,能提高發(fā)動(dòng)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(guó)內(nèi)外目前的點(diǎn)火參數(shù)測(cè)量設(shè)備來(lái)說(shuō),普遍存在著體積龐大、價(jià)格昂貴、抗干擾能力差等缺點(diǎn),甚至有些是采用示波器來(lái)觀察,人機(jī)對(duì)話界面不夠友好。由于火花塞放電時(shí)間大約在200～500μs之間,點(diǎn)火電壓的上升時(shí)間卻只有幾到十幾μs,為了保證測(cè)量精度,采樣頻率要求在10MHz以上,這個(gè)速度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(shí),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(cè)量?jī)x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(cè)量原理和方法?

??? 汽油機(jī)點(diǎn)火參數(shù)測(cè)量電路的原理框圖如圖1所示。觸發(fā)信號(hào)是磁電機(jī)位置傳感器(電磁感應(yīng)線圈)發(fā)出的信號(hào),點(diǎn)火信號(hào)是套在點(diǎn)火線上的傳感線圈的輸出信號(hào),這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路的整形,控制CPLD計(jì)數(shù)器的起停,根據(jù)計(jì)數(shù)值可計(jì)算出轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火提前角。點(diǎn)火線圈次級(jí)電壓、電流信號(hào)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(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換,結(jié)果由CPLD鎖存,并通過CPLD存儲(chǔ)到高速靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM中。整個(gè)測(cè)量電路在CPU的控制下工作。上電后,CPU首先對(duì)CPLD進(jìn)行配置,待CPLD完成初始化后,整個(gè)電路就進(jìn)入工作狀態(tài)。電路的采樣頻率由時(shí)鐘合成芯片輸出,測(cè)量結(jié)果通過CPLD取得,經(jīng)CPU處理后在LCD上顯示出來(lái)。?

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1.1 高速數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)?

??? 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(chǔ)器(SRAM)CY7C1021組成,如圖2所示。AD9051將經(jīng)過調(diào)理的電壓、電流信號(hào)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(hào)。當(dāng)Fout有脈沖輸出時(shí),AD9051進(jìn)行轉(zhuǎn)換,否則停止工作。在信號(hào)采集電路中, CPLD的作用是:(1)在SMEN信號(hào)使能的情況下,SMST(點(diǎn)火信號(hào))信號(hào)到來(lái)后,輸出Fout起動(dòng)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(chǔ)地址,并產(chǎn)生寫信號(hào)(WR),將鎖存數(shù)據(jù)寫入SRAM。?

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1.2 控制電路的設(shè)計(jì)?

??? 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(dòng)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(shí)鐘合成芯片MC12429來(lái)實(shí)現(xiàn),其輸出頻率為25～400MHz。每次采樣前,用戶可手動(dòng)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(hào),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(hào)SMEN,當(dāng)采樣開始信號(hào)SMST到來(lái)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(gè)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(hào)有讀取數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)RDCK(P1.2)、輸入/輸出控制信號(hào)I/O(P1.3)、CPLD選通信號(hào)PLDCE(P1.4)和CPLD發(fā)出的中斷信號(hào)INT(INT0)。

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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(hào)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(cè)量?jī)xCPLD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)。?

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2 控制程序設(shè)計(jì)?

??? 為了實(shí)時(shí)顯示點(diǎn)火系統(tǒng)的工作狀態(tài),對(duì)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)火提前角計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。對(duì)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(jì)?

??? 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(shí),就對(duì)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。?

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2.2 中斷程序的設(shè)計(jì)?

??? 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(jí)順序?yàn)??

??? 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(shuō)明信號(hào)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(shí)在LCD上做出警告顯示并終止本次數(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(jì)算并顯示。如果是按鍵中斷,則要判斷是哪個(gè)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。?

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??? 需要說(shuō)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(shí)間內(nèi)積分(乘積求和運(yùn)算)而得到的。?

??? 本測(cè)量?jī)x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測(cè)量?jī)x的體積,更具有便攜性。與現(xiàn)有的點(diǎn)火參數(shù)測(cè)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)中的故障診斷等場(chǎng)合,因而具有十分廣泛的應(yīng)用前景。?

參考文獻(xiàn)?

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