基于STM32的發(fā)動機曲軸位置傳感器的電路設計

司愛國，李 輝，路 斌，曹永娣

(華北水利水電學院，河南 鄭州 450011)

基于STM32的發(fā)動機曲軸位置傳感器的電路設計

司愛國，李 輝，路 斌，曹永娣

(華北水利水電學院，河南 鄭州 450011)

為滿足人們對汽車的舒適性、穩(wěn)定性的要求，從發(fā)動機電子控制系統(tǒng)的精確性出發(fā)，以發(fā)動機曲軸位置傳感器信號作為研究對象，選用了電磁式曲軸位置傳感器NCV1124作為信號處理芯片，選用STM32作為ECU主控芯片，對其信號傳輸?shù)木_性、實時性進行了實驗研究.實驗結果表明，NCV1124能夠穩(wěn)定精確地完成對信號的處理，與主芯片STM32結合可以很好地完成其下續(xù)控制信號的運算工作.

發(fā)動機;電子控制;NCV1124

STM32的內核是ARM公司的Cortex－M3內核.Cortex－M3是首款基于ARMv－7體系結構的32位標準處理器，具有低功耗、少門數(shù)、短中斷延遲、低成本等優(yōu)點［1］，專門用于微控制、汽車車身、工業(yè)控制和無線網絡等對功耗和成本敏感的應用領域.其大大簡化了編程的復雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體.STM32的標準外設包括10個定時器、2個12位1－Msample/s模數(shù)轉換器(交錯模式下2－Msample/s)、2個12位數(shù)模轉換器、2個I2C接口、5個USART接口和3個SPI端口.新產品外設共有12條DMA通道，還有1個CRC計算單元，像其他STM32微控制器一樣，支持96位唯一標識碼.筆者基于STM32的曲軸位置傳感器電路的開發(fā)主要涉及STM32的定時器功能.

1 曲軸位置傳感器的信號控制原理

發(fā)動機的曲軸位置傳感器是用來產生發(fā)動機轉速信號和曲軸位置的信號，常配合凸輪軸位置傳感器一起來確定發(fā)動機噴油和點火正時.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)動機工作時，觸發(fā)輪的輪齒不斷地通過磁頭，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生連續(xù)變化的電壓值.最后通過處理電路處理后將信號傳給ECU，和其他信號一同控制發(fā)動機的運轉.

2 傳感器信號處理電路的設計

2.1 處理電路的芯片選擇

曲軸位置傳感器的信號是連續(xù)的正弦信號.因為發(fā)動機轉速的變化，曲軸位置傳感器繞組產生的電壓值最低在5 V以下，最高可達到150 V，差值過大，超出STM32單片機的承受能力.基于發(fā)動機轉速信號的特點，在曲軸位置傳感器的信號處理電路中應該包括限幅、濾波、放大、整形.對信號處理的效果將直接影響后期對發(fā)動機噴油點火等一系列動作的控制，關系到發(fā)動機運轉的各種性能指標的穩(wěn)定.結合電路的特點，實驗選擇的芯片是 NCV1124.NCV1124是一個單片集成的元件，被廣泛應用到旋轉部件傳感器的處理電路中，可以將傳感器輸出的正弦波轉化為頻率相同且占空比適當?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.芯片內部集成了動態(tài)鉗位電路，能將傳感器輸出電壓信號幅值成功控制在3～5 V之間.最后，當發(fā)動機在怠速空轉時，即曲軸位置傳感器輸入信號周期較長時，NCV1124能輸出與曲軸位置傳感器頻率相同的方波信號.

2.2 接口電路設計

NCV1124是一個雙通道芯片.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內部集成的動態(tài)鉗位電路，將信號電壓成功鉗位到－0.2 ～4.8 V，經試驗驗證，經過NCV1124處理過的信號能夠嚴格符合STM32管腳對電平的要求.NCV1124將不斷變化的曲軸傳感器信號送入STM32的計數(shù)器管腳PA8.考慮到曲軸位置傳感器信號在發(fā)動機工作時會受到較大的電磁干擾，以及信號發(fā)生器上毛刺的影響，需要在傳感器信號進入處理芯片前進行濾波.

圖3 NCV1124接口電路

2.3 濾波電路設計

該系統(tǒng)發(fā)動機轉速最高達到6 000 r/min，信號發(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，而傳感器的感應電動勢最高是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fmax=20.4 kHz時，C=0.520 4 nF，選擇 C=472 PF.

3 實驗結果及分析

當發(fā)動機轉速處于較高值時，傳感器的輸出幅值和頻率都比較大;當發(fā)動機轉速較低時，則反之.當節(jié)氣門全開時，測得的曲軸位置傳感器的信號如圖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)定沒有異常現(xiàn)象，所以在發(fā)動機最大負荷情況下，硬件系統(tǒng)可以正常工作.經過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個周期左右，這個是由NCV1124內嵌的遲滯電壓比較器電路產生的.實驗證明，該系統(tǒng)能夠很好地完成對磁電式曲軸位置傳感信號的整形限幅及頻率跟蹤，能夠準確地將需要的信號傳輸給STM32芯片.

圖4 整形前、后及疊加對比波形

4 對曲軸位置傳感器信號的處理

STM32內部集成了高級控制定時器TIM1和通用定時器TIMX，2種定時器是完全獨立的.高級定時器包含一個可編程的預分頻器驅動的自動載入的16位計數(shù)器［5］，可以輕松地完成信號的采集計數(shù)及輸出波形PWM.

NCV1124處理后的波形傳入STM32的PA8管腳后，使用高級控制定時器TIM1啟動計數(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數(shù)，以此計算出發(fā)動機的轉速［6］.因為發(fā)動機轉速是一個實時性較強的數(shù)據(jù)，所以應該在較短的時間內測得.本系統(tǒng)是以信號發(fā)生器每轉過z個齒的速度作為一個速度元素來計算發(fā)動機轉速的，把n個速度元素的速度平均值作為發(fā)動機轉速.設zt為信號發(fā)生器總齒數(shù)，速度元素vi=60z/zt，發(fā)動機轉速v=(v1+v2+…+vn)/n，計算得發(fā)動機轉速v被用來控制發(fā)動機的下一步動作，即噴油點火.

5 結語

實驗表明，NCV1124能夠突破傳統(tǒng)曲軸位置傳感器處理電路滯后時間相對較長的缺點，適合運用到發(fā)動機的標定測試系統(tǒng);能更好地將傳感器輸出信號的幅值電壓限制在3～5 V之間，以便與處理芯片兼容.STM32是一款運算速度非?？斓?2位ARM芯片，優(yōu)秀的運算速度能更好地滿足實時性要求很高的發(fā)動機電子控制系統(tǒng).芯片還集成大數(shù)量的優(yōu)秀外設，可以由它設計出整個發(fā)動機電子控制系統(tǒng).

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

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

［3］李富榮.基于MC9S12微控制器的汽車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)的研究［D］.濟南:山東大學，2010.

［4］秦曾煌.電工學［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)設計［J］.電子技術應用，2010(3):2 －3.

［6］王道靜，張紅光，劉凱，等.車用CNG發(fā)動機電控系統(tǒng)的開發(fā)［J］.小型內燃機與摩托車，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)新人才專項項目;鄭州市技術研究與開發(fā)項目(096SYJH25086).

司愛國(1968—)，男，河南?？h人，副教授，碩士，主要從事車輛工程方面的研究.

汽車技術得以迅猛發(fā)展是以電子技術的發(fā)展為依托.用16位單片機作為汽車發(fā)動機的核心芯片已得到普遍應用，用32位單片機作為汽車發(fā)動機核心芯片成為當前的研究方向.

(責任編輯:杜明俠)