曲轴和凸轮轴信号的分析系统及模拟电路设计(附件)
摘 要现代社会，汽车毋庸置疑是最重要的交通工具，在其急速普及背景之下，汽车电子技术取得了迅速发展。其中，电子控制单元通过安装在汽车各处的传感器得到汽车运行中的各种信号，电控单元对输入的信息进行处理、运算、判断，然后输出指令，从而达到控制汽车运行的目的，其中发动机曲轴与凸轮轴的信号是汽车运行时最关键的信号，模拟这两个信号提高效率。本论文课题就是致力于将发动机曲轴与凸轮轴信号模拟成脉冲信号即方波信号的研究。首先，通过双通道示波器采集了十种不同车型的曲轴与凸轮轴信号波形，通过研究和比较，提取出了波形图的逻辑关系，并罗列出逻辑数表；然后，设计了单片机系统，通过程序将逻辑数表生成ECU可以直接获取的方波信号，并在模拟软件中进行了仿真论证，通过对比，模拟的波形与传感器的真实波形在逻辑上是完全一致的，能够激活发动机ECU。然而由于时间和经验的限制，本系统仍然不够完善。比如，可以通过信号采集电路对传感器信号进行滤波整流等处理后直接输入单片机，并获得其时序关系，这样可以大大提高效率。
keywords: AutomobileElectronic; SignalsAcquisition; Simulation; singlechip microcomputer 目 录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2汽车发动机电子控制系统概述 1
1.3曲轴与凸轮轴传感器介绍 2
1.4国内外研究现状 3
1.5研究内容 3
第二章 信号的采集及特征提取 4
2.1别克2.4L发动机 4
2.2日产1.6L发动机 5
2.3东风雪铁龙标志2.0L发动机 6
2.4海马1.6L发动机 7
2.5海马LF1.6L发动机 8
2.6红旗1.8L发动机 9
2.7吉利帝豪1.5L发动机 10
2.8江淮SUV2.4L发动机 12
2.9奇瑞东方之子使用的发动机 12
2.10长安福特1.6L发动机 13
第三章 信号模拟的硬件设计 14
3.1 微处理器的
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
选择 14
3.2复位电路 15
3.3时钟电路 16
3.4LED数码管连接电路 17
3.5按键连接电路 18
3.6输出端口电路 19
第四章 系统软件设计 20
4.1程序主流程设计 20
4.2 引脚赋值分配 21
4.3 信号逻辑表达与发送 21
4.4 LED显示及方波输出主程序 22
第五章 仿真 23
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录 28
第一章 绪论
1.1研究背景
人们生活品质的提高，对汽车的安全系数要求更加严格，汽车中传统的机械系统已经达到了技术的极限，从机械系统方面提高汽车性能几乎没有可能。这种情况下，电子技术的壮大成为汽车上不可或缺的一重要部分。一汽技术中心主任李俊在 2011 年发布会上表示：“汽车电子是汽车的核心竞争力”，也是“一汽的核心竞争力”，毫无疑问，未来汽车的竞争战将在汽车电子领域打响。汽车电子成为了汽车创新的主要部分，汽车电子从汽车的附属部分逐渐变成技术创新的主导部分。中国汽车工业协会发布的 2010 年汽车主要数据报告，继 2009 年以来，我国汽车的产销量连拿头筹，其中销量为 1806 万辆，同比增长32.37%。产量为 1826.47 万辆，同比增长 32.44%。一直以来，中国的汽车工业一直在走合资的道路。改革开放以后，我国的汽车产业始终没有掌握关键的核心技术。2003年，王大珩等 10 名两院院士向中央提出了观点中央给予了高度的重视，国家信息产业部立即发表了重要通知。推行汽车电子技术改革，努力提高汽车工业的民族自主创新能力，已经上升为国家战略问题。在汽车电控装置中，电控单元是整个控制系统的核心。ECU 内置处理器对各种传感器输入的数据信息进行处理，然后向喷油器、点火控制器等各种执行器提供指令。[9]
简而言之，当今我国汽车非常普及，作为生活工作中最重要的和必不可少的交通工具，汽车的性能和经济性以及环保性已经得到了我国政府和民间人士的巨大关注。作为汽车心脏的发动机在这个历史时刻扮演者举足轻重的角色，这就要求我们对发动机的工作状况需要有一个细致全面的了解。而发动机曲轴和凸轮轴的工作状况恰恰是发动机最重要的工作信号，反映着发动机是否正常甚至是整个汽车的健康状况。所以我们必须要针对此进行一些探讨和研究。
1.2汽车发动机电子控制系统概述
ECU（Electronic Control Unit）电子控制单元。和普通的单片机一个形式，各部分分别是微处理器（CPU）、模数转换器（A/D）存储器（ROM、、RAM）、输入/输出接口（I/O）、以及整形、驱动等大规模集成电路。电子控制单元是根据其内存的程序和数据对各种传感器输入的信息进行运作，接着输出指令。电子控制单元各部分：器、控制电路、输入、输出电路等。ECU的电压工作一般在6.516V、工作电流在0.0150.1A、工作温度在40℃~80℃。ECU不易损坏，而且CPU又是其核心主要负责对数据信号收集并处理，输出信号对其进行控制。存储器会把原始数据与实验收集来的传感器信号比较，从而达到对发动机的怠速、废气再循环、点火、空燃比等多项参数的控制。
中高端汽车中电子控制元件有着广泛的应用，例如安全气囊、四轮驱动、电控自动变速器、防抱死制动器、主动悬架结构、可控温座椅等都装有电控单元。为了迎合桥车电子智能增加，电线路会增加，电子控制单元会增多。为了简化电路和缩减成本，CAN数据总线得以发展。CAN总线技术就是将多个电子控制单元连成一个简洁的网络传输系统。
在ECU处理所有信号中发动机中的曲轴与凸轮轴信号是发动机运行过程中重要的部分。
1.3曲轴与凸轮轴传感器介绍
曲轴位置传感器是汽车发动机电子控制系统中最主要的组成之一，其所用结构随车型不同而不同，分为磁电感应式、光电式和霍尔效应式。曲轴位置传感器提供点火时刻、曲轴位置的信号，用来检测曲轴转角、活塞上止点和发动机转速。其一般安装在凸轮轴前端、曲轴前端、飞轮上及分电器内。[1] 曲轴位置传感器和磁电感转速传感器分上或下层安装在分电器内。它由永磁感应检测线圈和转子组成，转子和分电器轴一起转动。正时转子分为一、二或四个齿等多种样式，转速转子有 24个齿。霍尔式转速传感器与曲轴位置传感器都是利用霍尔效应的信号发生器。霍尔信号发生器固定在分电器内，与分火头同轴，与封装的霍尔芯片和永久磁铁成为整体安装在分电器盘上。触发发动机气缸数与叶轮上的缺口数相同时触发叶轮上的叶片进入霍尔元件与永久磁铁之间，那么霍尔触发器磁场被叶片旁路，则不会产生霍尔电压，传感器不输出信号；若触发叶轮上的缺口部分到达永久磁铁和霍尔元件之间时，则磁力线到达霍尔元件，霍尔电压升高，传感器输出电压信号。光电式曲轴位置传感器大多装在分电器里，包括信号发生器和带光孔的信号盘。它的信号盘与分电器轴一起转动，信号盘外圈有三百六条光刻间隙，每个曲轴转角为1 °的信号；稍靠里有间隔 60 °均布的六个光孔，形成曲轴转角 120 °的信号，有一个光孔较宽，用来输出相对于一缸上止点的信号。
keywords: AutomobileElectronic; SignalsAcquisition; Simulation; singlechip microcomputer 目 录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2汽车发动机电子控制系统概述 1
1.3曲轴与凸轮轴传感器介绍 2
1.4国内外研究现状 3
1.5研究内容 3
第二章 信号的采集及特征提取 4
2.1别克2.4L发动机 4
2.2日产1.6L发动机 5
2.3东风雪铁龙标志2.0L发动机 6
2.4海马1.6L发动机 7
2.5海马LF1.6L发动机 8
2.6红旗1.8L发动机 9
2.7吉利帝豪1.5L发动机 10
2.8江淮SUV2.4L发动机 12
2.9奇瑞东方之子使用的发动机 12
2.10长安福特1.6L发动机 13
第三章 信号模拟的硬件设计 14
3.1 微处理器的
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
选择 14
3.2复位电路 15
3.3时钟电路 16
3.4LED数码管连接电路 17
3.5按键连接电路 18
3.6输出端口电路 19
第四章 系统软件设计 20
4.1程序主流程设计 20
4.2 引脚赋值分配 21
4.3 信号逻辑表达与发送 21
4.4 LED显示及方波输出主程序 22
第五章 仿真 23
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录 28
第一章 绪论
1.1研究背景
人们生活品质的提高，对汽车的安全系数要求更加严格，汽车中传统的机械系统已经达到了技术的极限，从机械系统方面提高汽车性能几乎没有可能。这种情况下，电子技术的壮大成为汽车上不可或缺的一重要部分。一汽技术中心主任李俊在 2011 年发布会上表示：“汽车电子是汽车的核心竞争力”，也是“一汽的核心竞争力”，毫无疑问，未来汽车的竞争战将在汽车电子领域打响。汽车电子成为了汽车创新的主要部分，汽车电子从汽车的附属部分逐渐变成技术创新的主导部分。中国汽车工业协会发布的 2010 年汽车主要数据报告，继 2009 年以来，我国汽车的产销量连拿头筹，其中销量为 1806 万辆，同比增长32.37%。产量为 1826.47 万辆，同比增长 32.44%。一直以来，中国的汽车工业一直在走合资的道路。改革开放以后，我国的汽车产业始终没有掌握关键的核心技术。2003年，王大珩等 10 名两院院士向中央提出了观点中央给予了高度的重视，国家信息产业部立即发表了重要通知。推行汽车电子技术改革，努力提高汽车工业的民族自主创新能力，已经上升为国家战略问题。在汽车电控装置中，电控单元是整个控制系统的核心。ECU 内置处理器对各种传感器输入的数据信息进行处理，然后向喷油器、点火控制器等各种执行器提供指令。[9]
简而言之，当今我国汽车非常普及，作为生活工作中最重要的和必不可少的交通工具，汽车的性能和经济性以及环保性已经得到了我国政府和民间人士的巨大关注。作为汽车心脏的发动机在这个历史时刻扮演者举足轻重的角色，这就要求我们对发动机的工作状况需要有一个细致全面的了解。而发动机曲轴和凸轮轴的工作状况恰恰是发动机最重要的工作信号，反映着发动机是否正常甚至是整个汽车的健康状况。所以我们必须要针对此进行一些探讨和研究。
1.2汽车发动机电子控制系统概述
ECU（Electronic Control Unit）电子控制单元。和普通的单片机一个形式，各部分分别是微处理器（CPU）、模数转换器（A/D）存储器（ROM、、RAM）、输入/输出接口（I/O）、以及整形、驱动等大规模集成电路。电子控制单元是根据其内存的程序和数据对各种传感器输入的信息进行运作，接着输出指令。电子控制单元各部分：器、控制电路、输入、输出电路等。ECU的电压工作一般在6.516V、工作电流在0.0150.1A、工作温度在40℃~80℃。ECU不易损坏，而且CPU又是其核心主要负责对数据信号收集并处理，输出信号对其进行控制。存储器会把原始数据与实验收集来的传感器信号比较，从而达到对发动机的怠速、废气再循环、点火、空燃比等多项参数的控制。
中高端汽车中电子控制元件有着广泛的应用，例如安全气囊、四轮驱动、电控自动变速器、防抱死制动器、主动悬架结构、可控温座椅等都装有电控单元。为了迎合桥车电子智能增加，电线路会增加，电子控制单元会增多。为了简化电路和缩减成本，CAN数据总线得以发展。CAN总线技术就是将多个电子控制单元连成一个简洁的网络传输系统。
在ECU处理所有信号中发动机中的曲轴与凸轮轴信号是发动机运行过程中重要的部分。
1.3曲轴与凸轮轴传感器介绍
曲轴位置传感器是汽车发动机电子控制系统中最主要的组成之一，其所用结构随车型不同而不同，分为磁电感应式、光电式和霍尔效应式。曲轴位置传感器提供点火时刻、曲轴位置的信号，用来检测曲轴转角、活塞上止点和发动机转速。其一般安装在凸轮轴前端、曲轴前端、飞轮上及分电器内。[1] 曲轴位置传感器和磁电感转速传感器分上或下层安装在分电器内。它由永磁感应检测线圈和转子组成，转子和分电器轴一起转动。正时转子分为一、二或四个齿等多种样式，转速转子有 24个齿。霍尔式转速传感器与曲轴位置传感器都是利用霍尔效应的信号发生器。霍尔信号发生器固定在分电器内，与分火头同轴，与封装的霍尔芯片和永久磁铁成为整体安装在分电器盘上。触发发动机气缸数与叶轮上的缺口数相同时触发叶轮上的叶片进入霍尔元件与永久磁铁之间，那么霍尔触发器磁场被叶片旁路，则不会产生霍尔电压，传感器不输出信号；若触发叶轮上的缺口部分到达永久磁铁和霍尔元件之间时，则磁力线到达霍尔元件，霍尔电压升高，传感器输出电压信号。光电式曲轴位置传感器大多装在分电器里，包括信号发生器和带光孔的信号盘。它的信号盘与分电器轴一起转动，信号盘外圈有三百六条光刻间隙，每个曲轴转角为1 °的信号；稍靠里有间隔 60 °均布的六个光孔，形成曲轴转角 120 °的信号，有一个光孔较宽，用来输出相对于一缸上止点的信号。
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