運(yùn)用CPLD器件和AT89C52實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)點(diǎn)火參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

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)電流。通過(guò)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)速率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(wèn)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(wèn)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的慰。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(guò)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(guò)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(guò)CPLD取得，經(jīng)CPU處理后在LCD上顯示出來(lái)。

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，如果2所示。AD9051將經(jīng)過(guò)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(guò)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：（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(guò)地址發(fā)生器輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址，并產(chǎn)生寫(xiě)信號(hào)（WR），將鎖存數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM。

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。控制電路要完成的任務(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(xiě)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)間合成芯片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(kāi)始信號(hào)SMST到來(lái)后，采樣就開(kāi)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）。

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(méi)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(méi)超出范圍）、一位采樣狀態(tài)位（0—采樣完成，1—正在采樣或沒(méi)開(kāi)始采樣）。

表1 CPLD與AT89C52之間的通訊編碼

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(guò)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(kāi)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。

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)椋?/p>

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上做出警靠顯示并終止本次數(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。

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(kāi)發(fā)成本，增強(qiáng)了抗干擾的能力，并在很大程度上減少了開(kāi)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(guò)程中的質(zhì)量鑒定、汽油機(jī)的研究開(kāi)發(fā)和維修服務(wù)中的故障診等場(chǎng)合，因而具有十分廣泛的應(yīng)用前景。