司愛(ài)國(guó)，李 輝，路 斌，曹永娣

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

基于STM32的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置傳感器的電路設(shè)計(jì)

司愛(ài)國(guó)，李 輝，路 斌，曹永娣

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

為滿(mǎn)足人們對(duì)汽車(chē)的舒適性、穩(wěn)定性的要求，從發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的精確性出發(fā)，以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置傳感器信號(hào)作為研究對(duì)象，選用了電磁式曲軸位置傳感器NCV1124作為信號(hào)處理芯片，選用STM32作為ECU主控芯片，對(duì)其信號(hào)傳輸?shù)木_性、實(shí)時(shí)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NCV1124能夠穩(wěn)定精確地完成對(duì)信號(hào)的處理，與主芯片STM32結(jié)合可以很好地完成其下續(xù)控制信號(hào)的運(yùn)算工作.

發(fā)動(dòng)機(jī);電子控制;NCV1124

STM32的內(nèi)核是ARM公司的Cortex－M3內(nèi)核.Cortex－M3是首款基于ARMv－7體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器，具有低功耗、少門(mén)數(shù)、短中斷延遲、低成本等優(yōu)點(diǎn)［1］，專(zhuān)門(mén)用于微控制、汽車(chē)車(chē)身、工業(yè)控制和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域.其大大簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體.STM32的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、2個(gè)12位1－Msample/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器(交錯(cuò)模式下2－Msample/s)、2個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、2個(gè)I2C接口、5個(gè)USART接口和3個(gè)SPI端口.新產(chǎn)品外設(shè)共有12條DMA通道，還有1個(gè)CRC計(jì)算單元，像其他STM32微控制器一樣，支持96位唯一標(biāo)識(shí)碼.筆者基于STM32的曲軸位置傳感器電路的開(kāi)發(fā)主要涉及STM32的定時(shí)器功能.

1 曲軸位置傳感器的信號(hào)控制原理

發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸位置傳感器是用來(lái)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和曲軸位置的信號(hào)，常配合凸輪軸位置傳感器一起來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)噴油和點(diǎn)火正時(shí).系統(tǒng)擬選用磁電式曲軸位置傳感器，其外形如圖1所示.曲軸位置傳感器安裝在飛輪殼體上，它的磁頭與飛輪的觸發(fā)齒輪的輪齒保持一定距離，如圖2所示.發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，觸發(fā)輪的輪齒不斷地通過(guò)磁頭，這樣傳感器的磁頭和觸發(fā)輪之間的間隙不斷變化，從而不斷改變繞組的磁通量［2－3］.磁通量的變化使繞組線圈產(chǎn)生連續(xù)變化的電壓值.最后通過(guò)處理電路處理后將信號(hào)傳給ECU，和其他信號(hào)一同控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn).

2 傳感器信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

2.1 處理電路的芯片選擇

曲軸位置傳感器的信號(hào)是連續(xù)的正弦信號(hào).因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，曲軸位置傳感器繞組產(chǎn)生的電壓值最低在5 V以下，最高可達(dá)到150 V，差值過(guò)大，超出STM32單片機(jī)的承受能力.基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的特點(diǎn)，在曲軸位置傳感器的信號(hào)處理電路中應(yīng)該包括限幅、濾波、放大、整形.對(duì)信號(hào)處理的效果將直接影響后期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火等一系列動(dòng)作的控制，關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的各種性能指標(biāo)的穩(wěn)定.結(jié)合電路的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)選擇的芯片是 NCV1124.NCV1124是一個(gè)單片集成的元件，被廣泛應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)部件傳感器的處理電路中，可以將傳感器輸出的正弦波轉(zhuǎn)化為頻率相同且占空比適當(dāng)?shù)姆讲?該芯片有很好的電磁兼容性，能夠有效地抑制噪聲干擾.芯片內(nèi)部集成了動(dòng)態(tài)鉗位電路，能將傳感器輸出電壓信號(hào)幅值成功控制在3～5 V之間.最后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速空轉(zhuǎn)時(shí)，即曲軸位置傳感器輸入信號(hào)周期較長(zhǎng)時(shí)，NCV1124能輸出與曲軸位置傳感器頻率相同的方波信號(hào).

2.2 接口電路設(shè)計(jì)

NCV1124是一個(gè)雙通道芯片.如圖3所示，曲軸位置傳感器一端直接接地，另一端接NCV1124的IN1腳.由NCV1124內(nèi)部集成的動(dòng)態(tài)鉗位電路，將信號(hào)電壓成功鉗位到－0.2 ～4.8 V，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)NCV1124處理過(guò)的信號(hào)能夠嚴(yán)格符合STM32管腳對(duì)電平的要求.NCV1124將不斷變化的曲軸傳感器信號(hào)送入STM32的計(jì)數(shù)器管腳PA8.考慮到曲軸位置傳感器信號(hào)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)受到較大的電磁干擾，以及信號(hào)發(fā)生器上毛刺的影響，需要在傳感器信號(hào)進(jìn)入處理芯片前進(jìn)行濾波.

圖3 NCV1124接口電路

2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高達(dá)到6 000 r/min，信號(hào)發(fā)生器齒數(shù)z=34，系統(tǒng)的最高頻率為20.4 kHz，即截止頻率.系統(tǒng)使用RC濾波，其中電阻R8和電容C16構(gòu)成 RC 濾波電路［4］.

由于NCV1124可以接受的電流值在－12～+12 mA之間，而傳感器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最高是150 V.所以電阻值要大于 150/12=12.5 kΩ，故確定為15 kΩ.由RC低通濾波公式f=1/2πCR，可知當(dāng)fmax=20.4 kHz時(shí)，C=0.520 4 nF，選擇 C=472 PF.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于較高值時(shí)，傳感器的輸出幅值和頻率都比較大;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，則反之.當(dāng)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)，測(cè)得的曲軸位置傳感器的信號(hào)如圖4所示，該正弦波的幅值在10 V左右，周期大約保持在0.06×10－3s.硬件工作穩(wěn)定沒(méi)有異?，F(xiàn)象，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)最大負(fù)荷情況下，硬件系統(tǒng)可以正常工作.經(jīng)過(guò)NCV1124濾波后的波形如圖5所示.整形后的波形為方波，其頻率同整形前一樣，而幅值被鉗位到4 V左右，該電壓是STM32可以接受的電平.對(duì)比整形前后的波形圖可知:整形后的波形比整形前的遲滯了0.2個(gè)周期左右，這個(gè)是由NCV1124內(nèi)嵌的遲滯電壓比較器電路產(chǎn)生的.實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠很好地完成對(duì)磁電式曲軸位置傳感信號(hào)的整形限幅及頻率跟蹤，能夠準(zhǔn)確地將需要的信號(hào)傳輸給STM32芯片.

圖4 整形前、后及疊加對(duì)比波形

4 對(duì)曲軸位置傳感器信號(hào)的處理

STM32內(nèi)部集成了高級(jí)控制定時(shí)器TIM1和通用定時(shí)器TIMX，2種定時(shí)器是完全獨(dú)立的.高級(jí)定時(shí)器包含一個(gè)可編程的預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)載入的16位計(jì)數(shù)器［5］，可以輕松地完成信號(hào)的采集計(jì)數(shù)及輸出波形PWM.

NCV1124處理后的波形傳入STM32的PA8管腳后，使用高級(jí)控制定時(shí)器TIM1啟動(dòng)計(jì)數(shù)器模式，可在該環(huán)節(jié)確定出曲軸位置傳感器的脈沖個(gè)數(shù)，以此計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速［6］.因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是一個(gè)實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)，所以應(yīng)該在較短的時(shí)間內(nèi)測(cè)得.本系統(tǒng)是以信號(hào)發(fā)生器每轉(zhuǎn)過(guò)z個(gè)齒的速度作為一個(gè)速度元素來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，把n個(gè)速度元素的速度平均值作為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.設(shè)zt為信號(hào)發(fā)生器總齒數(shù)，速度元素vi=60z/zt，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速v=(v1+v2+…+vn)/n，計(jì)算得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速v被用來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的下一步動(dòng)作，即噴油點(diǎn)火.

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，NCV1124能夠突破傳統(tǒng)曲軸位置傳感器處理電路滯后時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，適合運(yùn)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng);能更好地將傳感器輸出信號(hào)的幅值電壓限制在3～5 V之間，以便與處理芯片兼容.STM32是一款運(yùn)算速度非?？斓?2位ARM芯片，優(yōu)秀的運(yùn)算速度能更好地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求很高的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng).芯片還集成大數(shù)量的優(yōu)秀外設(shè)，可以由它設(shè)計(jì)出整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng).

［1］上?？萍夹畔⒐?UM0306參考手冊(cè)STM32F101XX和 STM32F103XX——基于 ARM 處理器［Z］.2007.

［2］蹇小平，麻友良.汽車(chē)電子與電子技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］李富榮.基于MC9S12微控制器的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2010.

［4］秦曾煌.電工學(xué)［M］.6版.北京:高等教育出版社，2004.

［5］牛沖.基于STM32的脈沖變極性弧焊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010(3):2 －3.

［6］王道靜，張紅光，劉凱，等.車(chē)用CNG發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2010，39(3):2－3.

The Circuit Design of Engine Crankshaft Position Sensor Based on STM32

SI Ai-guo，LI Hui，LU Bin，CAO Yong-di
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The comfort and stability of the automobiles have become increasingly important to today's people.In order to meet the requirement，this paper researches the engine crankshaft position sensor signal from the aspect of the accuracy of the electronic engine control system.In the experiment，the electromagnetic crankshaft position sensor NCV1124 is chosen as signal processing chip，and STM32 as the ECU master control chip.Then the accuracy and instantaneity of the signal transmission is tested and researched.The experiment results show that NCV1124 can stably and accurately process the signal，and it can also accomplish the computing work of the follow-up control signal together with STM32.

engine;electronic control;NCV1124

1002－5634(2012)02－0101－03

2011－12－27

2009年鄭州市科技創(chuàng)新人才專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目;鄭州市技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(096SYJH25086).

司愛(ài)國(guó)(1968—)，男，河南浚縣人，副教授，碩士，主要從事車(chē)輛工程方面的研究.

汽車(chē)技術(shù)得以迅猛發(fā)展是以電子技術(shù)的發(fā)展為依托.用16位單片機(jī)作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心芯片已得到普遍應(yīng)用，用32位單片機(jī)作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)核心芯片成為當(dāng)前的研究方向.

(責(zé)任編輯:杜明俠)