某型发动机转速采集方案设计

赵振宇　 冯浩

摘要：介绍一种基于FPGA的某型发动机转速信号采集方案。设计以FPGA为系统的运算及控制核心，配备相应的调理电路，完成将不规则的转速传感器信号调制成同频率、且满足检测要求的信号，然后通过对FPGA进行编码，实现转速信号的精准测量。系统测试结果表明本文所设计的系统具有设计简单、功耗低、稳定性好，可重复开发等特点。

关键词：发动机控制；FPGA；转速采集

中图分类号：V233.7 文献标识码：A

发动机的控制系统中，转速信号作为控制系统的重要参数，决定了发动机点火的时机以及喷油量调节，其精度直接影响到整个发动机的运行性能[1]。因此对发动机转速信号的采集方案设计工作十分关键，在本文中针对这一关键信号提出了一种基于FPGA的转速信号采集方案。

（1）方案设计。

在本文中使用等精度测频法，分别对输入信号及时基信号进行捕获计数，以达到精确计数的目的。

本文中设计的发动机转速采集方案，以FPGA和相应的调理电路相配合，通过调理电路将不规则的转速传感器信号调制成同频率、且满足FPGA检测要求的信号，然后通过对FPGA进行编码，实现转速信号的精准测量。

FPGA代码设计的原理框圖

（2）采集电路设计。

采集电路包括：EMI防护、带通滤波、钳位、差分放大、滞回比较电路和开路检测等几个部分，详见下述：

EMI防护；转速传感器调理电路需设计无源EMI滤波器。为简化设计，本电路使用的EMI滤波器为由电感和电容组成的L型EMI滤波器。

带通滤波；本电路需设计一个带隔直电容的带通滤波器，即利用电阻和隔直电容设计一个截止频率为高通滤波器，再由电阻和电容设计一个截止频率为低通滤波器。将高通滤波器和低通滤波器串联可得到一个带通滤波器，其作用是只允许频带在内的信号通过。

钳位；为了稳定信号的电压，需要对电压进行钳制，具体的做法是加入2 个反向并联的二极管，可以保证电压放大的一致性。

电压调节；由运算放大器组成的差分比例放大电路，将电压调节至合理的范围，提升电路的抗干扰能力。

施密特触发电路；差分放大器出来的信号送入施密特触发电路，以滤除扰动。

调理电路调理完成后的输出波形最终应为高电平幅值为3.3V的矩形波信号，且硬件电路本身能够滤出掉明显的一些扰动毛刺，避免后级FPGA电路计数过程中进行错误计数。

（3）FPGA代码设计。

在本文中，对采集电路输出的调理结果，首先进行滤波处理，滤除掉频率周期小于10ns的信号（可依据实际的转速确定滤波截止范围），然后分别采用两个计数器去对输入的上升沿个数以及转过的齿数进行判断，当齿数计数器计数值为0时，从而得到旋转一圈的计数值[2]。

（4）测试结果。

针对文中的转速采集方案，使用信号发生器产生定频的正弦波进行测试，得到如下表所示数据。

使用示波器观察采集电路的输出值，针对正弦波、三角波等类型输入波形，该采集电路均能得到适合FPGA接口电压的方波信号，以便于FPGA计数单元进行计数。

从上述数据也可以看到，FPGA计数单元的计数精度为1%，满足设计需求。

（5）结论。

在本中详细描述了某型发动机转速传感器采集方案的设计思路，并进行了实际的测试，证明该方案满足设计需求。

参考文献：

[1]潘红杰，李建玺，张幽彤.汽车发动机转速信号模拟器设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2010，11：78-81.

[2]白勇，李玉忍，李瑞琴.基于FPGA的飞机轮速测量系统设计[J].微处理机，2011，6（3）：16-19.