基于FPGA的汽车转速表校验仪的设计

何 凯,王纪婵,刘 刚

(长沙师范学院电子与信息工程系,湖南长沙,410100)

0 引言

汽车转速表的主要功能是能够比较直观地显示发动机在不同工作情况下的转速,驾驶员通过转速表的显示信息可以随时知道发动机的运转情况,同时,配合变速器的档位和油门位置,使之保持在一个最佳的工作状态,从而起到减少油耗,延长发动机寿命的作用。基于汽车转速表在行驶中的重要作用，在汽车出厂和日常维修中对转速表的校验是十分必要和有意义的。汽车转速表主要有离心式转速表、电动式转速表、磁性转速表、磁电式转速表、电子式转速表和闪光式转速表这6种转速表，而目前市面上广泛使用的转速表是电子式转速表，其工作原理是汽车转速传感器通过电磁感应产生与发动机点火频率相同的电流脉冲信号，由于脉冲信号的频率与转速成正比关系，所以可通过测量脉冲信号的频率来获得汽车相应的转速。本设计是对电子式汽车转速表进行校验，电子转速表的传感器大部分是霍尔式和电磁式这两种,其中霍尔式传感器产生的是矩形波,而电磁式传感器产生的则是正弦波,因此,为了满足大部分汽车转速表的检测,本设计关键是模拟转速传感器产生频率可变的方波和正弦波。传统汽车转速表校验仪是基于单片机系统构成的。由于单片机性能限制，很难产生快速精度高的脉冲信号，且工作起来需要很多外围芯片配合工作，因此很难胜任未来对汽车转速表校验仪的性能需求。为了克服传统汽车转速校验仪上述缺点，本设计采用FPGA进行设计，利用FPGA内部强大的逻辑资源，采用现代数字系统设计方法能够实现校验速度和精度高，稳定度和系统集成度高，便于扩展和升级。

1 系统设计

1.1 总体设计方案

根据电子式汽车转速表的测量和校验原理，采用FPGA芯片进行设计与实现。系统总体设计结构如图1所示:

本设计首先通过按键模块产生不同键值来修改脉冲信号产生模块产生的脉冲信号频率，进而在汽车转速表中获得相应的实际转速值。按照脉冲频率与转速的关系在频率转换转速值模块完成频率值到对应的转速值的转换，然后把转速值送到LCD显示控制模块，在显示控制模块作用下完成在LCD显示转速理想值。最后把汽车转速表显示的实际值和LCD显示的理想值进行比较，以此来校验转速表测量是否符合要求。

由于频率转换转速模块、按键模块、LCD显示控制模块是常规设计，本文就不再对其设计叙述了，下面主要来介绍一下脉冲信号产生模块这个本设计核心模块的设计。

1.2 脉冲信号产生模块的设计

本设计主要是模拟转速传感器，提供方波和正弦波两种信号以供仪表校验。相对来说，方波输出信号只有一位,即只有0和1之分，其信号的提取比较简单，而正弦波的信号是一个连续变化的数据，提取相对较为困难，所以，正弦波的数据提取是本模块的重点也是难点。对于正弦波信号数据的提供，本设计采用基于查表法的直接数字频率合成器（DDS）来完成。

1.2.1 DDS的工作原理

DDS 的工作原理框图如图2所示。它由存储器、数模转换器、相位累加器及低通滤波器组成。它的核心是一个相位累加器，它由一个N位的相位寄存器和一个加法器组成。相位累加器依据输入不同频率控制字，用输出的相位序列作为地址去寻址 ROM 波形存储器，ROM 里存放的主要是要输出波形的一个周期的幅值，这样就从中得到一系列的离散的幅度码。该幅度编码经过 DA 转换器变化后得到模拟的阶梯电压，再经过低通滤波平滑后，得到所需的信号。

图2中，K 为频率控制字，FCLK 为输入信号的采样频率，Fout为 DDS 的输出频率，则输出信号频率与频率控制字 K 的关系为：

当K为1时，上式代表DDS 的输出频率分辨率，即：

图1 系统设计结构框图

图2 DDS原理框图

1.2.2 DDS的设计

根据DDS的工作原理，本设计DDS内部各功能模块全部采用Altera公司Quartus II软件自带的宏功能来完成。由于宏功能都经过系统优化，性能优越可靠，且不须编写相应的Verilog HDL代码。所以本文设计的DDS模块非常容易实现。本设计在FPGA内部形成的DDS原理结构框图如图3所示

为了能够产生矩形和正弦两种波形，本设计把方波和正弦波提取的数据分别储存在FPGA芯片内部两个1端口的ROM中，前端用一个加法器和寄存器来完成相位的自累加，通过改变频率控制字的数据来改变最后输出的正弦和矩形信号的频率。

1.2.3 DDS仿真验证

DDS模块设计完毕后，再建立波形测试数据对设计电路进行仿真测试，仿真测试结果如图4所示，从图中可以看出，该模块已成功产生正弦和矩形两种波形，并能够通过改变频率控制字来获得不同频率的两张波形，最终输出信号的频率与频率控制字的关系完全符合公式（1）。从仿真测试图分析可知，DDS模块设计是符合本设计需求。

图3 DDS实现的原理框图

图4

2 结语

本设计是在详细分析汽车转速表测量转速的工作原理基础上，在FPGA内部运用现代的EDA技术，设计模拟转速传感器输出的脉冲信号，从而完成转速表的校验。本设计采用Altera公司的Cyclone II系列 EP2C5Q208C8芯片，进行分模块设计与实现。经过仿真测试和板级调试验证该设计出符合电子式转速表校验仪的性能需求。

参考文献

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