專利名稱：發(fā)動機轉角信息獲取ip核的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機的電子燃油噴射(electronic fuelinjection,EFI)系統(tǒng)， 例如用于船用或車用發(fā)動機，特別是涉及一種發(fā)動機的電子燃油噴射系統(tǒng)中的電子信息獲 取裝置。
背景技術：
發(fā)動機的電子燃油噴射EFI系統(tǒng)可以劃分為三個子系統(tǒng)，分別是燃油傳送子 系統(tǒng)(fuel delivery system)、進氣子系統(tǒng)(air inductionsystem)和電子控制子系統(tǒng) (electronic control system)。其中，電子控制子系統(tǒng)包括ECU、各種傳感器、燃油噴射器 總成(fuel injectorassembly)等。目前，發(fā)動機電子燃油噴射EFI系統(tǒng)中的ECU —般選用單片機(microcontroller， 微控制器)。隨著發(fā)動機控制精度要求日益提高以及控制功能日益復雜，單片機的運算處理 能力已難以勝任處理大量信息的要求。例如對缸內(nèi)燃燒過程控制時，必須在發(fā)動機燃燒過 程極短時間內(nèi)(微秒級)采集并處理相關信息并進行逐缸控制。同時，作為特殊應用集成電路(application specific integratedcircuit, ASIC)的單片機也有一些“先天”不足。例如單片機的生命周期和發(fā)動機的生命周期不一 致，可能導致單片機停產(chǎn)后給發(fā)動機維修帶來不便；在電子控制子系統(tǒng)小批量生產(chǎn)時，這一 矛盾尤為突出。FPGA (Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、GAL、 EPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的 一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù) 有限的缺點。FPGA的使用非常靈活，同一片F(xiàn)PGA通過不同的編程數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生不同的電路 功能。柴油機轉角信息是柴油機燃油控制系統(tǒng)最為重要的信息，是發(fā)送一些重要信號 (如噴射電磁閥控制信號)的基準。發(fā)動機轉角信息與轉速信息是控制器獲取發(fā)動機當前 狀態(tài)的前提。因此，保證發(fā)動機轉角信息獲取功能的穩(wěn)定和正確運行，是實現(xiàn)發(fā)動機控制的
重要基礎。目前發(fā)動機控制器都是通過單片機實現(xiàn)的。由于單片機“串行”計算的先天約束 條件，轉角信息獲取功能與其他控制算法等軟件一同在單片機內(nèi)實現(xiàn)。在一路轉角信息傳 感器出錯后，控制算法必須等待冗余的轉角信息傳感器檢測為正確，并重新進行轉角信息 同步后，才可以應用冗余傳感器得到的轉角信息，在響應速度上存在一定的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種發(fā)動機轉角信息獲取IP核，其可以提高 計算速度；降低軟件實現(xiàn)的復雜程度，有利提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，有利于加快開發(fā)調(diào)試和 維修維護速度。
為了解決以上技術問題，本發(fā)明提供了一種發(fā)動機轉角信息獲取IP核，包括噪 聲抑制模塊，所述噪聲抑制模塊連接曲軸信號和凸輪軸信號，并輸出抑制后的曲軸信號和 凸輪軸信號；信號檢測模塊，所述信號檢測模塊連接抑制后的曲軸信號和凸輪軸信號，并將 檢測后的曲軸信號和凸輪軸信號輸出至同步模塊；同步模塊連接至狀態(tài)選擇模塊；所述發(fā) 動機轉角信息獲取IP核各個模塊應用現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)。本發(fā)明的有益效果在于可以利用FPGA的硬件計算能力，從而大大提高計算速 度；并將各個功能模塊固化為FPGA硬件(IP核)，以芯片級提供應用，從而使得整個系統(tǒng)呈 現(xiàn)模塊化和層次化，降低了軟件實現(xiàn)的復雜程度，有利于提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，有利于加 快開發(fā)調(diào)試和維修維護速度。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是本發(fā)明實施例所述發(fā)動機轉角信息獲取IP核接口示意圖；圖2是本發(fā)明實施例所述曲軸齒輪和傳感器安裝分布示意圖；圖3是本發(fā)明實施例所述凸輪軸齒輪和傳感器安裝分布示意圖；圖4是本發(fā)明實施例所述發(fā)動機轉角信息獲取IP核示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明應用FPGA (可編程邏輯陣列)并行處理能力，將發(fā)動機轉角信息獲取功能， 通過硬件實現(xiàn)。具有如下特點多轉速傳感器與相位傳感器并行處理。利用FPGA的并行處理能力，對多路轉速傳 感器與相位傳感器并行進行信號檢測和同步等處理，實現(xiàn)轉速傳感器與相位傳感器物理冗 余和無縫切換，有效提高系統(tǒng)冗余能力；簡化軟件代碼設計，系統(tǒng)功能結構更清晰。將復雜的軟件代碼，下移到硬件層，使 得系統(tǒng)整體功能架構清晰，并且提高了軟件的可靠性。以FPGA為平臺，開發(fā)實現(xiàn)發(fā)動機轉角信息獲取功能的IP核，實現(xiàn)發(fā)動機轉角信息 信號的計算和其他相關輔助信息計算。其功能包括通過兩路曲軸齒盤信號(以下簡稱曲軸信號)和兩路凸輪軸齒盤信號(以下簡稱 凸輪軸信號)，計算發(fā)動機轉角信息信號，保證冗余可靠。通過對曲軸傳感器信號的倍頻處理，IP核產(chǎn)生一路微齒信號，提高信號輸出的精 度，如可以達到0.1° CA(CA標識曲軸轉角)；對各路曲軸和凸輪軸傳感器信號進行濾波，合理性檢測，自校驗和相互校驗功能， 保證輸出正確信號；對臨時發(fā)生故障的信號，IP核通過產(chǎn)生模擬信號，以替代故障信號，保證轉角信息 信號的正確；各路傳感器信號并行處理，可同時輸出8路互相備份的正確發(fā)動機轉角信息信 號，在某路傳感器出現(xiàn)故障，進行信號切換時，可以實現(xiàn)真正的無縫切換，無需時間延時。本發(fā)明提供了一種創(chuàng)新的發(fā)動機轉角信息獲取功能實現(xiàn)方式，實現(xiàn)了多轉速傳感 器與相位傳感器信號并行計算處理，提高了系統(tǒng)冗余能力和處理精度，填補發(fā)動機轉角信息獲取功能硬件實現(xiàn)方法的空白。本方案以4沖程柴油機為對象，進行發(fā)動機轉角信息獲取IP核設計。發(fā)動機轉角信息獲取IP核通過輸入的兩路曲軸傳感器信號和兩路凸輪軸傳感器 信號實現(xiàn)發(fā)動機轉角信息計算和其他相關輔助信息計算，還包括輸入信號軟件濾波、信號 合理性檢測、信號故障記錄、故障報警、發(fā)動機平均轉速和瞬時轉速計算等處理功能。發(fā)動 機轉角信息獲取IP核接口圖見圖1。1)輸入信號，輸入信號包括2路凸輪軸傳感器信號和2路曲軸傳感器信號。凸輪 軸傳感器信號凸輪軸轉一圈，凸輪軸傳感器產(chǎn)生N+1個凸輪軸齒信號，其中N代表發(fā)動機 缸數(shù)。曲軸傳感器信號曲軸轉一圈，產(chǎn)生60-2齒脈沖信號。曲軸齒數(shù)比較密集，通過該信 號可以計算發(fā)動機較為精確的位置信息。圖2、圖3為曲軸和凸輪軸齒輪和傳感器安裝分布 示意圖。2)輸出信號，經(jīng)過相關處理后，從發(fā)動機轉角信息獲取IP核輸出的信號有標識 第一缸壓縮上止點信號，標識各缸壓縮上止點信號，處理后的曲軸信號，微齒信號等。標識各缸壓縮上止點信號標識發(fā)動機各個缸的壓縮上止點位置。在發(fā)動機運行 到某一缸壓縮上止點前某時刻，產(chǎn)生一個脈沖信號。標識第一缸壓縮上止點信號在第一缸壓縮上止點前某時刻產(chǎn)生的脈沖信號。處理后的曲軸信號經(jīng)過對原始信號濾波、合理性檢測等處理后，最終得到的一路 曲軸f曰號ο微齒信號達到更高精度要求表示曲軸轉角的齒信號。該模塊中，凸輪軸傳感器信號和曲軸傳感器信號都有兩路，互相熱備份。衍生出8 種計算發(fā)動機轉角信息信號的途徑曲1凸1、曲1凸2、曲2凸1、曲2凸2、曲1、曲2、凸1、 和凸2 (曲1表示曲軸傳感器信號1 ；曲2表示曲軸傳感器信號2 ；凸1表示凸輪軸傳感器信 號1 ；凸2表示凸輪軸傳感器信號2)。ECU啟動后，通過并行計算，先進行信號濾波和檢測模塊。依據(jù)正確信號，將8種計算轉角信息的方法同時計算，得出各自對應的計算結果。處理器通過內(nèi)部調(diào)度程序，根據(jù)各種計算結果的優(yōu)先級和當前發(fā)動機狀態(tài)，選擇 一路計算結果，作為輸出。在出現(xiàn)某一傳感器故障后，可以立刻切換不同的轉角信息，而不 需要重新同步。EPA核總體功能框架圖如圖4所示。整個模塊由噪聲抑制子模塊、信號檢測子模塊、同步子模塊、狀態(tài)選擇子模塊和一 些全局寄存器組成。各模塊的主要功能描述如下噪聲抑制模塊該模塊對輸入的曲軸傳感器信號1、2和凸輪軸傳感器信號1、2分 別進行RTL級的噪聲濾波和抑制。主要用于把由于工作環(huán)境和電源等引入的高頻噪聲濾 除。信號檢測模塊該模塊用以對具體信號的檢測和判斷。模塊對輸入的經(jīng)多層濾波 的曲軸傳感器信號1、2和凸輪軸傳感器信號1、2分別進行存在性和齒數(shù)判斷，如果信號不 符合要求，則以故障信號的形式在故障信號寄存器中記錄下來。在每個故障信號產(chǎn)生和恢 復時此模塊都會發(fā)出一個中斷信號。信號檢測模塊的結果將直接影響到同步模塊和狀態(tài)選擇模塊的結果，是整個EPA模塊的主要控制模塊。同步模塊該模塊主要以輸入的曲軸傳感器信號1、2和凸輪軸傳感器信號1、2以 及軸狀態(tài)寄存器1的值為條件并行計算標識第一缸壓縮上止點信號、各缸壓縮上止點信 號、處理后的曲軸信號、微齒信號等。同步模塊共有8個并行的不同條件下的計算模塊，只 要曲軸信號和凸輪軸信號及軸狀態(tài)寄存器1的值的組合符合一個計算模塊的條件要求，該 計算模塊就會進行計算，并且在計算完成時給出一個同步信號表征計算是否完成，該信號 主要用以最后的狀態(tài)選擇模塊的結果輸出的判斷。狀態(tài)選擇模塊該模塊主要用以最后結果的選擇輸出和計算。模塊本身主要由一 個有限狀態(tài)機構成。根據(jù)不同的條件組合在不同的輸出結果間進行選擇和跳轉。條件組合 由軸狀態(tài)寄存器2、同步模塊中給出的各并行子模塊的同步信號和當前狀態(tài)構成。模塊根據(jù) 一定的優(yōu)先級在輸入的各同步子模塊的各輸出信號之間進行選擇性輸出。本發(fā)明所述裝置相關算法包括1)轉角信息同步算法，包括凸輪軸傳感器和曲軸傳感器雙信號轉角信息同步，單 一凸輪軸傳感器信號轉角信息同步，單一曲軸傳感器信號轉角信息同步三種同步算法。2)微齒生成算法，通過對處理后曲軸齒信號進行倍頻得到微齒信號。3)信號濾波算法，以凸輪軸和曲軸信號固有頻率為基礎，慮除高頻干擾信號。4)信號合理性檢測算法，在信號經(jīng)過硬件和軟件濾波處理后，進行信號的合理性 檢測。根據(jù)發(fā)動機的轉速變化率，和已經(jīng)完成處理的信號，來確定該信號是否合理。本發(fā)明并不限于上文討論的實施方式。以上對具體實施方式
的描述旨在于為了描 述和說明本發(fā)明涉及的技術方案。基于本發(fā)明啟示的顯而易見的變換或替代也應當被認為 落入本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
一種發(fā)動機轉角信息獲取IP核，其特征在于，包括噪聲抑制模塊，所述噪聲抑制模塊連接曲軸信號和凸輪軸信號，對輸入的信號進行噪聲抑制，濾除干擾信號，并輸出抑制后的曲軸信號和凸輪軸信號；信號檢測模塊，所述信號檢測模塊連接抑制后的曲軸信號和凸輪軸信號，對信號進行故障、合理性檢測，并將檢測后的曲軸信號和凸輪軸信號輸出至同步模塊；同步模塊連接至狀態(tài)選擇模塊；所述發(fā)動機轉角信息獲取IP核各個模塊應用現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)。
2.如權利要求1所述的發(fā)動機轉角信息獲取IP核，其特征在于，所述噪聲抑制模塊塊 對輸入的曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號分別進行RTL級的噪聲濾波和抑制。
3.如權利要求1所述的發(fā)動機轉角信息獲取IP核，其特征在于，所述信號檢測模塊對 輸入的經(jīng)多層濾波的曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號分別進行存在性、齒數(shù)和合理性 判斷，如果信號不符合要求，則以故障信號的形式在故障信號寄存器中記錄下來；在每個故 障信號產(chǎn)生和恢復時此模塊都會發(fā)出一個中斷信號；信號檢測模塊控制同步模塊和狀態(tài)選 擇模塊。
4.如權利要求1所述的發(fā)動機轉角信息獲取IP核，其特征在于，所述同步模塊以輸入 的各路曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號并行進行同步計算，得出標識第一缸壓縮上止 點信號、各缸壓縮上止點信號、處理后的曲軸信號、微齒信號；同步模塊共有8個并行的不同條件下的計算模塊，只要曲軸信號和凸輪軸信號及軸狀 態(tài)寄存器的值的組合符合一個計算模塊的條件要求，該計算模塊就會進行計算，并且在計 算完成時給出一個同步信號表征計算是否完成，該信號用以最后的狀態(tài)選擇模塊的結果輸 出的判斷。
5.如權利要求1所述的發(fā)動機轉角信息獲取IP核，其特征在于，所述狀態(tài)選擇模塊用 以最后結果的選擇輸出和計算；模塊本身由一個有限狀態(tài)機構成，根據(jù)不同的條件組合在 不同的輸出結果間進行選擇和跳轉；條件組合由軸狀態(tài)寄存器、同步模塊中給出的各并行子模塊的同步信號和當前狀態(tài)構 成，模塊根據(jù)一定的優(yōu)先級在輸入的各同步子模塊的各輸出信號之間進行選擇性輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)動機轉角信息獲取IP核，包括噪聲抑制模塊，所述噪聲抑制模塊連接曲軸信號和凸輪軸信號，并輸出抑制后的曲軸信號和凸輪軸信號；信號檢測模塊，所述信號檢測模塊連接抑制后的曲軸信號和凸輪軸信號，并將檢測后的曲軸信號和凸輪軸信號輸出至同步模塊；同步模塊連接至狀態(tài)選擇模塊；所述發(fā)動機轉角信息獲取IP核各個模塊應用現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)。本發(fā)明發(fā)動機轉角信息獲取IP核可以利用FPGA的硬件計算能力，從而大大提高計算速度；并將各個功能模塊固化為FPGA硬件(IP核)，以芯片級提供應用，從而使得整個系統(tǒng)呈現(xiàn)模塊化和層次化，降低了軟件實現(xiàn)的復雜程度，有利于提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
文檔編號F02D41/26GK101915173SQ20101023359
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權日2010年7月22日
發(fā)明者凌勵遜, 周海濤, 姜春宇, 張岳, 李金華, 金江善 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所