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马建辉

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一种通用的汽车仪表信号转换器设计  2013-04-07 14:36
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 发表在电子产品世界上的文章,与大家分享:)

引言:

在汽车仪表盘中,发动机转速表和车速表是两个非常重要的量表1,转速表采集发动机转速传感器脉冲,指示当前发动机转速,反映发动机的工作状况,车速表采集车速传感器脉冲,指示当前车速及其变化。目前车辆改装日渐普遍,发动机、变速箱及轮胎改装都会造成发动机转速表和车速表的指示错误,发动机改装前后的转速脉冲数不一致会造成转速表显示错误,导致发动机出现故障时无法及时发现。变速箱或轮胎改装前后的车速传感器脉冲数或轮胎直径不一致会造成车速表显示错误,由于无法正确反映当前车速,便很难达到经济时速,同时当存在超速现象时也无法及时发现2。本文通过对汽车仪表转速表及车速表原理的分析,设计实现了一款通用的仪表信号转换器,实现改装前后的发动机转速和车速脉冲的频率转换,使得原车仪表继续准确实时地显示发动机转速和车速信息。

1 总体方案设计

为了实现信号转换器的通用性,首先需要根据原车配置和改装配置进行参数下载以实现适配,适配后信号转换器根据配置参数的变化实现发动机转速和车速信号的频率转换。

信号转换器实现脉冲采集、脉冲输出、参数下载、参数存储、参数故障提示等功能,下载参数时,通过自定义的协议和PC软件,以串口通信的方式下载改装前后的发动机转速传感器脉冲数、车速传感器脉冲数及轮胎直径,转换器将参数配置存储在非易失性存储器中。在具体应用时,转换器根据改装发动机转速传感器脉冲数调整转速脉冲采集电路的滤波频率,根据改装车速脉冲传感器脉冲数和轮胎直径调整车速脉冲采集电路的滤波频率,然后采集并计算发动机转速值和车速值,根据转速值和原车发动机转速传感器脉冲数计算并输出与原车仪表匹配的转速脉冲,根据车速值、原车车速传感器脉冲数和轮胎直径计算并输出与原车仪表匹配的车速脉冲3

2 硬件设计

2.1 系统结构

信号转换器包括脉冲输入接口、脉冲输出接口和参数配置接口,其硬件电路主要包括四个部分:可调整滤波频率的脉冲采集电路、脉冲输出电路、RS232串口通信电路、LED指示电路,RS232串口通信实现参数配置,LED指示转换器是否已经下载参数,转换器硬件结构如图1所示。

1 仪表信号转换器硬件结构图

2.2 脉冲采集

在脉冲采集电路的设计中,首先通过整形电路将转速/车速传感器信号转换为TTL电平,然后经过RC低通滤波电路去除脉冲上的毛刺,引入MCU的输入捕捉引脚。在低通滤波电路中采用固定电容和阻值可调的数字电位计,当传感器脉冲数变化时,通过数字电位计调整低通截止频率实现低通滤波阈值可编程的自适应的脉冲采集4,保证转换器的通用性。其电路如图2所示。

2 脉冲采集电路

3 软件设计

软件设计包括参数配置管理和转速/车速频率转换两大部分。

3.1 参数配置管理

转换器实现RS232接口与PC机进行串口通信,PC机通过串口下载传感器脉冲数和轮胎直径配置参数,下载成功后转换器将配置参数存储在MCU内部的数据FLASH中,下载不成功,转换器返回通讯故障,提示PC机重新下载。PC机与转换器采用固定格式报文的方式进行通信,报文格式统一采用如下:

报文头(0x55+0xaa)+报文ID+报文内容+16位校验和;

ID、报文传送方向及报文内容关系对应如下:

ID=1data为单字节,由PC机发送到转换器,表示改装发动机转速脉冲数;

ID=2data为单字节,由PC机发送到转换器,表示原车发动机转速脉冲数;

ID=3data为单字节,由PC机发送到转换器,表示改装变速箱车速脉冲数;

ID=4data为单字节,由PC机发送到转换器,表示原车车速脉冲数;

ID=5data为双字节,由PC机发送到转换器,表示改装轮胎直径;

ID=6data为双字节,由PC机发送到转换器,表示原车轮胎直径;

ID=7data为单字节,由转换器发送到PC机,data=0x01表示配置参数成功,data=0x02表示存在通讯故障;

信号转换器采用内部带有数据FLASHMCUPC机下载参数到转换器后,转换器将参数存储在MCU内部的数据FLASH[5],每次转换器上电后,便会从固定位置处依次读取上述参数,如果读取到的参数为0xff,表示不曾进行过参数下载,点亮故障LED指示,提示用户进行参数的下载。

3.2 频率转换

    实现参数适配后,仪表信号转换器采集发动机转速和车速信号,计算发动机转速和车速,并进行频率转换,输出与原车仪表匹配的发动机转速和车速信号,其软件流程如图3所示。

3 软件流程图

发动机转速与转速传感器脉冲频率Fengine、转速传感器脉冲数Nengine的对应关系如下:

Fengine = (发动机转速 / 60) * Nengine                                      (1-1)

发动机转速 = (Fengine / Nenging) * 60                                      (1-2)

车速与车速传感器脉冲频率Fcar、轮胎直径D、车速传感器脉冲数Ncar的对应关系如下:

Fcar = (车速 / (3.6 * PI * D)) * Ncar                                         (1-3)

车速 = (Fcar / Ncar) * PI * D *3.6                                          (1-4)

PI为圆周率常数。

通过脉冲采集电路捕捉脉冲信号的上升沿和下降沿,统计单位时间内的上升沿和下降沿次数得到发动机转速/车速脉冲频率。根据公式(1-2)(1-4)得到实际发动机转速和实际车速,将原车发动机转速传感器脉冲数代入公式(1-1),求得与原车转速表适配的发动机转速脉冲频率,将原车车速传感器脉冲数和轮胎直径代入公式(1-3),求得与原车车速表适配的车速脉冲频率。

脉冲采集电路中RC低通滤波电路采用固定电容和阻值可调的数字电位计,低通截止频率F计算公式如下

F = 1 / (2 * PI * R * C)                                                   (1-5)

当配置参数发生变化时,设置发动机转速脉冲采集电路中的RC低通滤波电路的电阻值,使得低通截止频率F > Fengine最大值 * 150%,设置车速脉冲采集中的RC低通滤波电路的电阻值,使得低通截止频率F > Fcar最大值 * 150%,通过数字电位计调整低通截止频率实现自适应脉冲采集,保证了转换器的通用性。

结语

信号转换器实现改装前后的发动机转速脉冲和车速脉冲的频率转换,使得原车仪表继续准确实时地显示发动机转速和车速信息。以串口通信的方式下载改装前后的参数配置,根据参数配置通过数字电位计调整转速和车速脉冲采集电路的低通截止频率,并进行相应的频率转换,通过下载不同的配置和低通截止频率可调的采集电路保证了转换器的通用性,具有广泛的适用性和极强的实用价值。

类别:拙作 |
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