基于STM32的发动机曲轴位置传感器的电路设计

司爱国，李 辉，路 斌，曹永娣

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

基于STM32的发动机曲轴位置传感器的电路设计

司爱国，李 辉，路 斌，曹永娣

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

为满足人们对汽车的舒适性、稳定性的要求，从发动机电子控制系统的精确性出发，以发动机曲轴位置传感器信号作为研究对象，选用了电磁式曲轴位置传感器NCV1124作为信号处理芯片，选用STM32作为ECU主控芯片，对其信号传输的精确性、实时性进行了实验研究.实验结果表明，NCV1124能够稳定精确地完成对信号的处理，与主芯片STM32结合可以很好地完成其下续控制信号的运算工作.

发动机;电子控制;NCV1124

STM32的内核是ARM公司的Cortex－M3内核.Cortex－M3是首款基于ARMv－7体系结构的32位标准处理器，具有低功耗、少门数、短中断延迟、低成本等优点［1］，专门用于微控制、汽车车身、工业控制和无线网络等对功耗和成本敏感的应用领域.其大大简化了编程的复杂性，集高性能、低功耗、低成本于一体.STM32的标准外设包括10个定时器、2个12位1－Msample/s模数转换器(交错模式下2－Msample/s)、2个12位数模转换器、2个I2C接口、5个USART接口和3个SPI端口.新产品外设共有12条DMA通道，还有1个CRC计算单元，像其他STM32微控制器一样，支持96位唯一标识码.笔者基于STM32的曲轴位置传感器电路的开发主要涉及STM32的定时器功能.

1 曲轴位置传感器的信号控制原理

发动机的曲轴位置传感器是用来产生发动机转速信号和曲轴位置的信号，常配合凸轮轴位置传感器一起来确定发动机喷油和点火正时.系统拟选用磁电式曲轴位置传感器，其外形如图1所示.曲轴位置传感器安装在飞轮壳体上，它的磁头与飞轮的触发齿轮的轮齿保持一定距离，如图2所示.发动机工作时，触发轮的轮齿不断地通过磁头，这样传感器的磁头和触发轮之间的间隙不断变化，从而不断改变绕组的磁通量［2－3］.磁通量的变化使绕组线圈产生连续变化的电压值.最后通过处理电路处理后将信号传给ECU，和其他信号一同控制发动机的运转.

2 传感器信号处理电路的设计

2.1 处理电路的芯片选择

曲轴位置传感器的信号是连续的正弦信号.因为发动机转速的变化，曲轴位置传感器绕组产生的电压值最低在5 V以下，最高可达到150 V，差值过大，超出STM32单片机的承受能力.基于发动机转速信号的特点，在曲轴位置传感器的信号处理电路中应该包括限幅、滤波、放大、整形.对信号处理的效果将直接影响后期对发动机喷油点火等一系列动作的控制，关系到发动机运转的各种性能指标的稳定.结合电路的特点，实验选择的芯片是 NCV1124.NCV1124是一个单片集成的元件，被广泛应用到旋转部件传感器的处理电路中，可以将传感器输出的正弦波转化为频率相同且占空比适当的方波.该芯片有很好的电磁兼容性，能够有效地抑制噪声干扰.芯片内部集成了动态钳位电路，能将传感器输出电压信号幅值成功控制在3～5 V之间.最后，当发动机在怠速空转时，即曲轴位置传感器输入信号周期较长时，NCV1124能输出与曲轴位置传感器频率相同的方波信号.

2.2 接口电路设计

NCV1124是一个双通道芯片.如图3所示，曲轴位置传感器一端直接接地，另一端接NCV1124的IN1脚.由NCV1124内部集成的动态钳位电路，将信号电压成功钳位到－0.2 ～4.8 V，经试验验证，经过NCV1124处理过的信号能够严格符合STM32管脚对电平的要求.NCV1124将不断变化的曲轴传感器信号送入STM32的计数器管脚PA8.考虑到曲轴位置传感器信号在发动机工作时会受到较大的电磁干扰，以及信号发生器上毛刺的影响，需要在传感器信号进入处理芯片前进行滤波.

图3 NCV1124接口电路

2.3 滤波电路设计

该系统发动机转速最高达到6 000 r/min，信号发生器齿数z=34，系统的最高频率为20.4 kHz，即截止频率.系统使用RC滤波，其中电阻R8和电容C16构成 RC 滤波电路［4］.

由于NCV1124可以接受的电流值在－12～+12 mA之间，而传感器的感应电动势最高是150 V.所以电阻值要大于 150/12=12.5 kΩ，故确定为15 kΩ.由RC低通滤波公式f=1/2πCR，可知当fmax=20.4 kHz时，C=0.520 4 nF，选择 C=472 PF.

3 实验结果及分析

当发动机转速处于较高值时，传感器的输出幅值和频率都比较大;当发动机转速较低时，则反之.当节气门全开时，测得的曲轴位置传感器的信号如图4所示，该正弦波的幅值在10 V左右，周期大约保持在0.06×10－3s.硬件工作稳定没有异常现象，所以在发动机最大负荷情况下，硬件系统可以正常工作.经过NCV1124滤波后的波形如图5所示.整形后的波形为方波，其频率同整形前一样，而幅值被钳位到4 V左右，该电压是STM32可以接受的电平.对比整形前后的波形图可知:整形后的波形比整形前的迟滞了0.2个周期左右，这个是由NCV1124内嵌的迟滞电压比较器电路产生的.实验证明，该系统能够很好地完成对磁电式曲轴位置传感信号的整形限幅及频率跟踪，能够准确地将需要的信号传输给STM32芯片.

图4 整形前、后及叠加对比波形

4 对曲轴位置传感器信号的处理

STM32内部集成了高级控制定时器TIM1和通用定时器TIMX，2种定时器是完全独立的.高级定时器包含一个可编程的预分频器驱动的自动载入的16位计数器［5］，可以轻松地完成信号的采集计数及输出波形PWM.

NCV1124处理后的波形传入STM32的PA8管脚后，使用高级控制定时器TIM1启动计数器模式，可在该环节确定出曲轴位置传感器的脉冲个数，以此计算出发动机的转速［6］.因为发动机转速是一个实时性较强的数据，所以应该在较短的时间内测得.本系统是以信号发生器每转过z个齿的速度作为一个速度元素来计算发动机转速的，把n个速度元素的速度平均值作为发动机转速.设zt为信号发生器总齿数，速度元素vi=60z/zt，发动机转速v=(v1+v2+…+vn)/n，计算得发动机转速v被用来控制发动机的下一步动作，即喷油点火.

5 结语

实验表明，NCV1124能够突破传统曲轴位置传感器处理电路滞后时间相对较长的缺点，适合运用到发动机的标定测试系统;能更好地将传感器输出信号的幅值电压限制在3～5 V之间，以便与处理芯片兼容.STM32是一款运算速度非常快的32位ARM芯片，优秀的运算速度能更好地满足实时性要求很高的发动机电子控制系统.芯片还集成大数量的优秀外设，可以由它设计出整个发动机电子控制系统.

［1］上海科技信息公司.UM0306参考手册STM32F101XX和 STM32F103XX——基于 ARM 处理器［Z］.2007.

［2］蹇小平，麻友良.汽车电子与电子技术［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］李富荣.基于MC9S12微控制器的汽车发动机电子控制系统的研究［D］.济南:山东大学，2010.

［4］秦曾煌.电工学［M］.6版.北京:高等教育出版社，2004.

［5］牛冲.基于STM32的脉冲变极性弧焊控制系统设计［J］.电子技术应用，2010(3):2 －3.

［6］王道静，张红光，刘凯，等.车用CNG发动机电控系统的开发［J］.小型内燃机与摩托车，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年郑州市科技创新人才专项项目;郑州市技术研究与开发项目(096SYJH25086).

司爱国(1968—)，男，河南浚县人，副教授，硕士，主要从事车辆工程方面的研究.

汽车技术得以迅猛发展是以电子技术的发展为依托.用16位单片机作为汽车发动机的核心芯片已得到普遍应用，用32位单片机作为汽车发动机核心芯片成为当前的研究方向.

(责任编辑:杜明侠)