摘要：介紹一種簡單、便攜、多功能的發動機轉速信號模擬器，采用PWM信號逼近的方法生成幅值隨發動機轉速變化的磁電信號，采用輸出比較的方式輸出霍爾信號。該模擬器可以方便地設定發動機參數和實時在線修改發動機轉速，并能夠實時顯示。實驗結果表明，該模擬器具有信號精度高、發動機轉速范圍大的特點。
關鍵詞：發動機；轉速模擬；單片機；逼近

引言
隨著發動機電控系統的結構和控制策略日趨復雜，電控系統的研發工作難度以及實驗工作量大大增加，成本也大幅度提高。V型開發模式已經成為發動機ECU(Electronic Control Unit，電子控制單元)開發流程的主流，其中的硬件在環仿真中，為了配合ECU軟件的開發，需要模擬發動機的轉速信號來驗證軟件算法的正確性。
目前已經有很多研發人員已經做了這方面的研究。例如，清華大學的章健勇開發的發動機轉速模擬器系統利用數字端口實現了大轉速范圍內發動機轉速霍爾信號的模擬；北京理工大學的王宇明設計的便攜式發動機工況信號模擬器，能夠比較真實地模擬發動機傳感器信號的類型、形態，基于模型的信號產生方法能夠較好地反映發動機工況變化中傳感器的內在關系，并且提出了把霍爾信號通過硬件逐步轉化成為磁電信號的方法；北京城建設計研究總院的趙華偉設計的轉速模擬器采用硬件方式產生頻率方波信號和電流信號的方法，不僅能夠提供發動機所需的方波信號，而且頻率調節精度高，能夠實現電流的輸出。
這些模擬器尚不能模擬得到理想的磁電信號，并且對發動機參數變化的適應性很差。本文提出一種生成標準磁電正弦信號的方法，并在此基礎上設計了一款便攜、靈活的發動機轉速信號模擬系統。磁電正弦信號可以通過硬件轉化和軟件逼近兩種方法得到，實驗證明前者得到的磁電信號精度不高，與真實磁電信號差異較大，所以本文采用軟件逼近的方法。軟件分段逼近分為DA分段逼近和PWM分段逼近。DA分段逼近的方法需要外擴一塊D／A芯片，且轉化過程需要占用大量單片機資源，不能滿足高頻的需求，所以本文選用PWM分段逼近的方法。本系統以MC9S08為處理器，通過面板鍵盤或RS232通信方式來設定發動機參數和實時在線修改發動機轉速，并通過LCD實時顯示信息。

1 系統總體方案設計
發動機轉速模擬器系統原理框圖如圖1所示。整個系統包括電源模塊、中央處理器、面板按鍵輸入模塊、碼盤信號和霍爾信號輸入模塊、液晶顯示模塊、發動機信號輸出模塊、調理電路、分壓電路、繼電器驅動電路、通信模塊。


電源模塊采用12 V供電，為整個系統提供5 V電源和士15 V電源。發動機型號、傳感器參數等信息可以選擇面板按鍵輸入方式或者上位機輸入方式。發動機實時轉速可以選用手動模式或者自動模式。若采用手動模式，由面板鍵盤輸入特定值；若采用自動模式，由上位機輸入隨時間變化的速度曲線，或者采集碼盤信息得到實時速度值。液晶模塊來顯示發動機、傳感器參數和當前發動機轉速。輸出模塊包括凸輪軸信號輸出和曲軸信號輸出，繼電器1為凸輪軸信號選擇模式，繼電器2為曲軸信號選擇模式。輸入模塊中有外部凸輪軸霍爾信號和外部曲軸霍爾信號，兩信號由單片機采集后，經輸出模塊轉換輸出磁電信號。

2 硬件設計
2．1 處理器選擇
該模擬器是汽車電子系統開發中的一個重要工具，所以要選擇滿足寬溫度限、強抗電磁干擾等最基本要求的汽車級別單片機。同時，為了縮減成本，價格低廉也是非常必要的。模擬器選擇Freescale公司的8位處理器MC9S08DZ60。它具有4 KB的RAM、2 KB的EEPROM、60 KB的可編程Flash；包含2路定時脈沖寬度調節器，其中TPM1具有6個PWM通道，TPM2具有2個PWM通道。
2．2 磁電信號調理電路
實際發動機轉速的磁電信號是一組近似于正弦波信號的模擬信號，低速下其幅值為-1～+1，高速時幅值變化可達到-15～+15。本模擬器采用PWM信號逼近正弦的方式來生成磁電信號。
磁電信號調理電路如圖2所示。