一种基于FPGA的曲轴与凸轮轴模拟信号发生装置及产生方法

摘要

本发明公开了一种基于FPGA的曲轴与凸轮轴模拟信号发生装置，通过TCP/IP协议连接通信的宿主机及目标机，通过PCI总线与所述目标机相连的FPGA板卡，和与FPGA板卡通过数据线相连的AO/DO信号板，通过这些部分的合理设置，使得产生信号精确、有效测试发动机硬件的信号调理能力、通用性好。

说明书

技术领域

本发明涉及信号模拟产生领域，尤其是涉及发动机曲轴与凸轮轴模拟信号产 生方法及装置。

背景技术

在现代汽车发动机管理系统研究中，日益复杂的功能需求和严格的法规要 求使得发动机ECU(Electronic Control Unit)电子控制单元软硬件的开发过程越 来越复杂，因此需要一套严格高效的开发方法来保证产品级ECU的质量。为了 提高产品开发的效率和精确性，汽车电子系统开发提出了基于模型的现代开发 流程V模式开发流程，该流程保证开发人员在开发过程中的每一步都可以得 到及时验证。在产品上市之前，需要对ECU进行全面综合的测试，尤其是故障 和极限条件下的测试，使用实际的控制对象进行测试，很难实现现实复杂情况， 并且实现成本高，开发周期长。为解决这一难题，如图1所示，V模式中提出采 用硬件在环仿真(Hardware In-the-Loop Simulation，HILS)的开发方法：即为了 测试ECU性能，在进行整体系统的仿真测试时，控制器采用真实的ECU，被控 对象和系统运行环境可以全部或部分采用实时数学模型来模拟。

在发动机管理系统HILS中需要对传感器的信号进行模拟。在所有需模拟的 信号中，曲轴转速信号和凸轮轴相位信号精确度及其两者之间的同步关系是至 关重要的，它是整个发动机喷油和点火信号的基准，模拟精度要求高，难度大。

市场上现有的模拟发动机曲轴凸轮信号的信号发生器都是具体针对某款发 动机的，针对不同的发动机必须更换不同的信号发生器或者对信号发生器进行 重新编程。

发明内容

为了克服已有的发动机管理系统曲轴和凸轮轴模拟信号产生方法的精确度 较低，通用性不足，本发明提供一种产生信号精确、有效测试发动机硬件的信 号调理能力、通用性好的曲轴与凸轮轴模拟信号产生方法及其装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于FPGA的曲轴与凸轮轴模拟信号发生装置，通过TCP/IP协议连接 通信的宿主机及目标机，通过PCI总线与所述目标机相连的FPGA板卡，和与 所述FPGA板卡通过数据线相连的AO/DO信号板，

所述宿主机用于建立产生曲轴凸轮信号查找表，配置RTW环境生成目标代码， 编写FPGA板卡在xPC Target实时环境下的驱动，以便将目标代码传输给FPGA 板卡；

所述目标机用于实时运行所述目标代码，并通过PCI总线完成与FPGA板卡的 数据交互；

所述FPGA板卡将目标机通过PCI总线传输过来的参数及曲轴凸轮查找表存储 到FPGA内部的RAM中，然后在运行的时候根据接受的发动机转速参数，调整 输出查找表的查找频率；

所述AO/DO信号板根据实际发动机曲轴凸轮信号类型，分别使用DO及AO 产生磁电式及霍尔式发动机曲轴凸轮模拟信号。

一种基于FPGA的曲轴与凸轮轴模拟信号发生方法，包括如下步骤：

21)在宿主机的MATALB/Simulink环境下根据实际曲轴凸轮输出需求建立曲轴信 号和凸轮轴信号的输出关系查找表；

22)在宿主机中编写FPGA板卡在xPC Target实时环境下的驱动程序，在 MATALB/Simulink下产生FPGA板卡的转速参数接口，同时将曲轴及凸轮轴相 位查找表通过目标机PCI总线导入FPGA板卡中；

23)在宿主机中配置RTW环境生成目标代码，将生成的目标代码下载到目标机 上进行实时运行，并在FPGA板卡相连的AO/DO信号板中的DO输出磁电式 传感器模拟信号，AO则输出霍尔式/光电式传感器模拟信号。

进一步的，所述曲轴信号和凸轮轴信号的输出关系为：(Degree，Crank)， (Degree，Cam)，其中Degree为查找表的X轴，表示输出曲轴的相位值，其取值 范围为：0～720，对应曲轴0°～720°的相位；Crank及Cam分别对应为查找表 的Y轴，Crank表示对应相位值下曲轴输出值，Cam代表对应相位值下的凸轮轴 输出值，其相应的对应关系按照实际需要进行设置。

本发明的有益效果主要表现在：产生信号精确、有效测试发动机硬件的信 号调理能力、通用性好。

附图说明

图1是发动机ECU HIL开发平台结构框图；

图2是本发明的装置连接框图；

图3是某款发动机的曲轴凸轮信号图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图2所示，一种基于FPGA的曲轴与凸轮轴模拟信号发生装置，通过 TCP/IP协议连接通信的宿主机及目标机，通过PCI总线与所述目标机相连的 FPGA板卡，和与所述FPGA板卡通过数据线相连的AO/DO信号板，

所述宿主机用于建立产生曲轴凸轮信号查找表，配置RTW环境生成目标代码， 编写FPGA板卡在xPC Target实时环境下的驱动，以便将目标代码传输给FPGA 板卡；

所述目标机用于实时运行所述目标代码，并通过PCI总线完成与FPGA板卡的 数据交互；

所述FPGA板卡将目标机通过PCI总线传输过来的参数及曲轴凸轮查找表存储 到FPGA内部的RAM中，然后在运行的时候根据接受的发动机转速参数，调整 输出查找表的查找频率；

所述AO/DO信号板根据实际发动机曲轴凸轮信号类型，分别使用DO及AO 产生磁电式及霍尔式发动机曲轴凸轮模拟信号。

一种基于FPGA的曲轴与凸轮轴模拟信号发生方法，产生方法包括以下步骤：

1)在宿主机中利用MATALB/Simulink的1-D Lookup Table模块根据所需要产生 的曲轴凸轮轴波形，建立曲轴信号和凸轮轴信号的输出查找表(Degree，Crank)， (Degree，Cam)，其中Degree为查找表的X轴，Crank及Cam分别为各自查找 表的Y轴。Degree表示输出曲轴的相位值，其取值范围为：0～720，对应曲 轴0°～720°的相位。Crank表示对应相位值下曲轴输出值，Cam代表对应相 位值下的凸轮轴输出值。图3表示的是某一款发动机的曲轴凸轮信号图，为 了模拟产生这样的曲轴凸轮信号，则查找表中的值如表1中所示。

  Degree   Crank   Cam   0   0   0   3   1   0   6   0   1   9   3   1   12   0   0   15   1   0   18   0   0   -   -   -   36   0   0   39   1   0   42   0   1   45   1   1   48   0   0   -   -   -   330   0   0   333   1   0   336   0   0   339   0   0   342   0   0   345   0   0   348   0   0   351   1   0   -   -   -   717   1   0

表1

2)编写FPGA板卡在xPC Target实时环境下的驱动，在MATALB/Simulink下产 生FPGA板卡的转速参数接口。驱动函数将发动机转速参数转换成FPGA板 卡所需的查找表输出查找频率参数，同时驱动会将步骤1)中建立的查找表 传输给FPGA板卡中。

3)配置RTW环境生成目标代码，将生成的目标代码下载到目标机上，实时运 行。目标机通过PCI总线完成与FPGA板卡的数据交互。FPGA板卡将目标 机通过PCI总线传输过来的参数及曲轴凸轮查找表存储到FPGA内部的RAM 中，供查找输出使用。

FPGA输出的曲轴凸轮信号配合I/O板卡的数字输出(Digital Output， DO)即可产生磁电式传感器模拟信号，模拟输出(Analog Output，AO)则输出 霍尔式/光电式传感器模拟信号。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明保护范围内。