何 凱,王紀(jì)嬋,劉 剛

(長沙師范學(xué)院電子與信息工程系,湖南長沙,410100)

0 引言

汽車轉(zhuǎn)速表的主要功能是能夠比較直觀地顯示發(fā)動機(jī)在不同工作情況下的轉(zhuǎn)速,駕駛員通過轉(zhuǎn)速表的顯示信息可以隨時知道發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,同時,配合變速器的檔位和油門位置,使之保持在一個最佳的工作狀態(tài),從而起到減少油耗,延長發(fā)動機(jī)壽命的作用?；谄囖D(zhuǎn)速表在行駛中的重要作用，在汽車出廠和日常維修中對轉(zhuǎn)速表的校驗(yàn)是十分必要和有意義的。汽車轉(zhuǎn)速表主要有離心式轉(zhuǎn)速表、電動式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、磁電式轉(zhuǎn)速表、電子式轉(zhuǎn)速表和閃光式轉(zhuǎn)速表這6種轉(zhuǎn)速表，而目前市面上廣泛使用的轉(zhuǎn)速表是電子式轉(zhuǎn)速表，其工作原理是汽車轉(zhuǎn)速傳感器通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生與發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率相同的電流脈沖信號，由于脈沖信號的頻率與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，所以可通過測量脈沖信號的頻率來獲得汽車相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計是對電子式汽車轉(zhuǎn)速表進(jìn)行校驗(yàn)，電子轉(zhuǎn)速表的傳感器大部分是霍爾式和電磁式這兩種,其中霍爾式傳感器產(chǎn)生的是矩形波,而電磁式傳感器產(chǎn)生的則是正弦波,因此,為了滿足大部分汽車轉(zhuǎn)速表的檢測,本設(shè)計關(guān)鍵是模擬轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生頻率可變的方波和正弦波。傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)速表校驗(yàn)儀是基于單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的。由于單片機(jī)性能限制，很難產(chǎn)生快速精度高的脈沖信號，且工作起來需要很多外圍芯片配合工作，因此很難勝任未來對汽車轉(zhuǎn)速表校驗(yàn)儀的性能需求。為了克服傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)速校驗(yàn)儀上述缺點(diǎn)，本設(shè)計采用FPGA進(jìn)行設(shè)計，利用FPGA內(nèi)部強(qiáng)大的邏輯資源，采用現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)校驗(yàn)速度和精度高，穩(wěn)定度和系統(tǒng)集成度高，便于擴(kuò)展和升級。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計方案

根據(jù)電子式汽車轉(zhuǎn)速表的測量和校驗(yàn)原理，采用FPGA芯片進(jìn)行設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示:

本設(shè)計首先通過按鍵模塊產(chǎn)生不同鍵值來修改脈沖信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的脈沖信號頻率，進(jìn)而在汽車轉(zhuǎn)速表中獲得相應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值。按照脈沖頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系在頻率轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速值模塊完成頻率值到對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值的轉(zhuǎn)換，然后把轉(zhuǎn)速值送到LCD顯示控制模塊，在顯示控制模塊作用下完成在LCD顯示轉(zhuǎn)速理想值。最后把汽車轉(zhuǎn)速表顯示的實(shí)際值和LCD顯示的理想值進(jìn)行比較，以此來校驗(yàn)轉(zhuǎn)速表測量是否符合要求。

由于頻率轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速模塊、按鍵模塊、LCD顯示控制模塊是常規(guī)設(shè)計，本文就不再對其設(shè)計敘述了，下面主要來介紹一下脈沖信號產(chǎn)生模塊這個本設(shè)計核心模塊的設(shè)計。

1.2 脈沖信號產(chǎn)生模塊的設(shè)計

本設(shè)計主要是模擬轉(zhuǎn)速傳感器，提供方波和正弦波兩種信號以供儀表校驗(yàn)。相對來說，方波輸出信號只有一位,即只有0和1之分，其信號的提取比較簡單，而正弦波的信號是一個連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，提取相對較為困難，所以，正弦波的數(shù)據(jù)提取是本模塊的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。對于正弦波信號數(shù)據(jù)的提供，本設(shè)計采用基于查表法的直接數(shù)字頻率合成器（DDS）來完成。

1.2.1 DDS的工作原理

DDS 的工作原理框圖如圖2所示。它由存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、相位累加器及低通濾波器組成。它的核心是一個相位累加器，它由一個N位的相位寄存器和一個加法器組成。相位累加器依據(jù)輸入不同頻率控制字，用輸出的相位序列作為地址去尋址 ROM 波形存儲器，ROM 里存放的主要是要輸出波形的一個周期的幅值，這樣就從中得到一系列的離散的幅度碼。該幅度編碼經(jīng)過 DA 轉(zhuǎn)換器變化后得到模擬的階梯電壓，再經(jīng)過低通濾波平滑后，得到所需的信號。

圖2中，K 為頻率控制字，F(xiàn)CLK 為輸入信號的采樣頻率，F(xiàn)out為 DDS 的輸出頻率，則輸出信號頻率與頻率控制字 K 的關(guān)系為：

當(dāng)K為1時，上式代表DDS 的輸出頻率分辨率，即：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

圖2 DDS原理框圖

1.2.2 DDS的設(shè)計

根據(jù)DDS的工作原理，本設(shè)計DDS內(nèi)部各功能模塊全部采用Altera公司Quartus II軟件自帶的宏功能來完成。由于宏功能都經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，性能優(yōu)越可靠，且不須編寫相應(yīng)的Verilog HDL代碼。所以本文設(shè)計的DDS模塊非常容易實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計在FPGA內(nèi)部形成的DDS原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示

為了能夠產(chǎn)生矩形和正弦兩種波形，本設(shè)計把方波和正弦波提取的數(shù)據(jù)分別儲存在FPGA芯片內(nèi)部兩個1端口的ROM中，前端用一個加法器和寄存器來完成相位的自累加，通過改變頻率控制字的數(shù)據(jù)來改變最后輸出的正弦和矩形信號的頻率。

1.2.3 DDS仿真驗(yàn)證

DDS模塊設(shè)計完畢后，再建立波形測試數(shù)據(jù)對設(shè)計電路進(jìn)行仿真測試，仿真測試結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，該模塊已成功產(chǎn)生正弦和矩形兩種波形，并能夠通過改變頻率控制字來獲得不同頻率的兩張波形，最終輸出信號的頻率與頻率控制字的關(guān)系完全符合公式（1）。從仿真測試圖分析可知，DDS模塊設(shè)計是符合本設(shè)計需求。

圖3 DDS實(shí)現(xiàn)的原理框圖

圖4

2 結(jié)語

本設(shè)計是在詳細(xì)分析汽車轉(zhuǎn)速表測量轉(zhuǎn)速的工作原理基礎(chǔ)上，在FPGA內(nèi)部運(yùn)用現(xiàn)代的EDA技術(shù)，設(shè)計模擬轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖信號，從而完成轉(zhuǎn)速表的校驗(yàn)。本設(shè)計采用Altera公司的Cyclone II系列 EP2C5Q208C8芯片，進(jìn)行分模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過仿真測試和板級調(diào)試驗(yàn)證該設(shè)計出符合電子式轉(zhuǎn)速表校驗(yàn)儀的性能需求。

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