發動機轉速信號模擬器的製作方法
2023-04-29 00:00:01
專利名稱：發動機轉速信號模擬器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種車輛發動機轉速信號的模擬發生電路。
背景技術：
實際車輛的發動機轉速信號是由速度傳感器測量得到的，常見的速度傳感器有霍爾式和磁電式兩種。霍爾式速度傳感器輸出的發動機轉速信號包括一路曲軸信號和一路凸輪軸信號， 這兩路信號均為幅值固定在5V(或12V)左右的方波信號。磁電式速度傳感器輸出的發動機轉速信號包括曲軸正信號、曲軸負信號、凸輪軸信號共三路，其中曲軸正信號、曲軸負信號為一對差分形式的正弦波信號，這一對差分信號的幅值隨著頻率的變化而變化，幅值峰-峰值最大將達到40V左右。凸輪軸信號為幅值固定在5V(或12V)左右的方波信號。發動機轉速信號模擬器可以模擬速度傳感器輸出發動機轉速信號，目前市場上應用較多的是模擬霍爾式速度傳感器，輸出的是幅值固定在5V左右的方波形式的曲軸信號和凸輪軸信號。其缺點是幅值不可調，峰-峰值固定在5V左右，且輸出的兩路信號無隔離措施。霍爾式發動機轉速信號模擬器無法實現磁電式速度傳感器的模擬輸出。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種發動機轉速信號模擬器，既可以模擬霍爾式速度傳感器輸出發動機轉速信號，也可以模擬磁電式速度傳感器輸出發動機轉速信號。為解決上述技術問題，本發明發動機轉速信號模擬器包括直流電源、微控制器、顯示屏、按鍵、隔離模塊、差分轉換模塊和驅動模塊；所述直流電源為微控制器、顯示屏、按鍵、隔離模塊、差分轉換模塊和驅動模塊供電；所述微控制器輸出曲軸信號和凸輪軸信號；所述顯示屏實時顯示發動機轉速信號模擬器的模擬方式、當前曲軸信號的輸出頻率，凸輪軸信號的輸出模式；所述按鍵供用戶選擇是模擬霍爾式速度傳感器，還是模擬磁電式速度傳感器；當用戶通過按鍵選擇模擬霍爾式速度傳感器，則所述微控制器輸出正弦波形式的曲軸信號和方波形式的凸輪軸信號；此時，——所述隔離模塊對所述正弦波形式的曲軸信號進行線性光耦隔離，對所述方波形式的凸輪軸信號進行磁耦隔離；——所述差分轉換模塊將所述正弦波形式的曲軸信號轉換為正弦波形式的一對差分曲軸信號；——所述驅動模塊將所述正弦波形式的一對差分曲軸信號的峰-峰幅值調整後輸出，還將所述方波形式的凸輪軸信號的幅值電壓調整後輸出；
當用戶通過按鍵選擇模擬磁電式速度傳感器，則所述微控制器輸出方波形式的曲軸信號和方波形式的凸輪軸信號；此時，——所述隔離模塊對所述方波形式的曲軸信號和凸輪軸信號進行磁耦隔離；——所述驅動模塊將所述方波形式的曲軸信號和凸輪軸信號的幅值電壓調整後輸出。本發明發動機轉速信號模擬器通過按鍵切換，既能模擬磁電式速度傳感器輸出的發動機轉速信號，又能模擬霍爾式速度傳感器輸出的發動機轉速信號，擴大了應用範圍，方便了對車輛發動機ECU(電子控制單元)的調試與檢測。並且本發明所述裝置輸出的發動機轉速信號均經過了隔離處理，提高了信號的抗幹擾能力，能夠在惡劣的電磁環境中穩定工作。
圖1是本發明發動機轉速信號模擬器的電路結構示意圖；圖2是本發明發動機轉速信號模擬器在模擬磁電式速度傳感器時輸出信號波形圖；圖3是本發明發動機轉速信號模擬器中的差分轉換模塊的電路圖；圖4是本發明發動機轉速信號模擬器的外觀示意圖。圖中附圖標記為Al A4分別為第一運放至第四運放；Cl C3分別為第一電容至第三電容；Rl R9分別是第一電阻至第九電阻；D1、D2分別是第一二極體、第二二極體。
具體實施例方式請參閱圖1，本發明發動機轉速信號模擬器包括直流電源、微控制器(MCU，單片機)、顯示屏、按鍵、隔離模塊、差分轉換模塊和驅動模塊。其中直流電源為微控制器、顯示屏、按鍵、隔離模塊、差分轉換模塊和驅動模塊供電。微控制器輸出曲軸信號和凸輪軸信號。 按鍵供用戶選擇發動機轉速信號模擬器的模擬方式，即是模擬霍爾式速度傳感器，還是模擬磁電式速度傳感器。顯示屏實時顯示發動機轉速信號模擬器的模擬方式(霍爾式或磁電式)、當前曲軸信號的輸出頻率、凸輪軸信號的輸出模式(單齒、4+1或6+1)。當用戶通過按鍵選擇模擬霍爾式速度傳感器，則所述微控制器輸出正弦波形式的曲軸信號和方波形式的凸輪軸信號。此時，隔離模塊對所述正弦波形式的曲軸信號進行線性光耦隔離，對所述方波形式的凸輪軸信號進行磁耦隔離。差分轉換模塊將所述正弦波形式的曲軸信號轉換為正弦波形式的一對差分曲軸信號。驅動模塊將所述正弦波形式的一對差分曲軸信號的峰-峰幅值調整後輸出，還將所述方波形式的凸輪軸信號的幅值電壓調整後輸出。下面以用戶通過按鍵選擇模擬霍爾式速度傳感器時，微控制器輸出的曲軸信號進行詳細說明首先，微控制器中包括數模轉換晶片。該數模轉換晶片將微控制器產生的正弦波數字量轉換成模擬正弦波。模擬正弦波的幅度由正弦波數字量的幅值通過數模轉換晶片轉換成模擬電壓，通過此模擬電壓來控制正弦波產生的參考電壓，從而可獲得幅度可調的模擬正弦波。其次，隔離模塊中包括線性光耦。微控制器輸出的模擬正弦波信號經三極體放大後驅動線性光耦，線性光耦一路輸出端再負反饋給三極體放大電路，使線性光耦工作在線性區，防止信號過大、過小失真，線性光耦的另一路輸出端將輸出被隔離的模擬正弦波信號。在隔離模塊中還包括磁耦，對微控制器輸出的方波形式的凸輪軸信號進行隔離。再次，模擬正弦波信號經由兩個交叉耦合運算放大器組成的差分轉換放大器後， 單端模擬正弦波轉換成差分模擬正弦波。為了實現對稱電路，各輸出還作為單位增益反相器的互相驅動，輸出的模擬正弦波經過整流後由積分運算放大器放大，取出的模擬正弦波幅偏電壓再反饋給交叉耦合運算放大器的正端，此電壓設定了輸出的差分模擬正弦波的共模電壓。最後，驅動模塊包括放大推動電路和推輓輸出電路。差分模擬正弦波信號再經過微積分運算放大器進一步放大，使輸出幅度的峰峰值能滿足最大40V的要求，此信號再由末級推挽電晶體放大電流，以保證輸出信號的驅動力，最後由埠輸出，完成差分曲軸信號的輸出。當用戶通過按鍵選擇模擬磁電式速度傳感器，則所述微控制器輸出方波形式的曲軸信號和方波形式的凸輪軸信號。此時，隔離模塊對所述方波形式的曲軸信號和凸輪軸信號進行磁耦隔離。驅動模塊將所述方波形式的曲軸信號和凸輪軸信號的幅值電壓調整後輸
出ο例如，霍爾曲軸和凸輪軸的頻率信號由單片機直接產生，經過高速磁耦隔離晶片隔離後，再由末級推挽電晶體放大電流驅動輸出，輸出電壓幅值可通過模式電阻選擇5V或 12V，以滿足各種MCU對輸入電壓的要求。請參閱圖3，這是本發明發動機轉速信號模擬器中的差分轉換模塊的電路示意圖。 其中包括四個運算放大器Al A4，三個電容Cl C3，九個電阻Rl R9，兩個二極體D1、 D2。其電路結構為正弦波形式的曲軸信號從第一運放Al的正輸入端輸入，第一運放Al的負輸入端連接第一運放Al的輸出端，第一運放Al的輸出端還通過串聯的第一電容Cl和第一電阻Rl 連接到第二運放A2的正輸入端；第二運放A2的正輸入端還通過第二電阻R2連接到第四運放A4的輸出端以及第二二極體D2的輸入端，第二運放A2的正輸入端還通過串聯的第二電阻R2和第五電阻R5 連接到第二運放A2的負輸入端，第二運放A2的正輸入端還通過串聯的第二電阻R2和第六電阻R6連接第四運放A4的負輸入端，第二運放A2的負輸入端通過第三電阻R3連接到第二運放A2的輸出端，第二運放A2的輸出端連接第一二極體Dl的輸入端，第二運放A2的輸出端還通過第四電阻R4連接到第四運放A4的負輸入端，第二運放A2的輸出端輸出正弦波形式的曲軸信號的差分負信號；第一二極體Dl和第二二極體D2的輸出端均通過串聯的第七電阻R7和第八電阻 R8連接到第三運放A3的負輸入端，第一二極體Dl和第二二極體D2的輸出端還均通過串聯的第七電阻R7和第二電容C2接地；第三運放A3的正輸入端接地，第三運放A3的負輸入端通過第三電容C3連接到第三運放A3的輸出端，第三運放A3的負輸入端還通過並聯的第九電阻R9和第三電容C3連
5接到第三運放A3的輸出端，第三運放A3的輸出端連接到第四運放A4的正輸入端；第四運放A4的輸出端輸出正弦波形式的曲軸信號的差分正信號。圖3所示的差分轉換模塊的實現原理如下第一運放Al為電壓跟隨器，模擬正弦波信號輸入到第一運放Al的正輸入端，輸出端經第一電容Cl隔離直流，第二運放A2和第四運放A4共同組成交叉耦合運算放大器，單端模擬正弦波信號進入第二運放A2的正輸入端，第三電阻R3為第二運放A2的負反饋電阻，第六電阻R6為第四運放A4的負反饋電阻， 第一電阻R1、第二電阻R2共同組成了閉環增益控制，為了實現對稱電路，第二運放A2的輸出信號由第四電阻R4輸入到第四運放A4的負輸入端，第四運放A4的輸出信號由第五電阻 R5輸入到第二運放A2的負輸入端，使各輸出還作為單位增益反相器的互相驅動，從而使兩路輸出波形、幅度相等，相位相差180°的模擬正弦波信號。輸出的模擬正弦波信號經過第一二極體Dl和第二二極體D2整流，再通過由第七電阻R7和第二電容C2構成的積分電路， 將輸出的模擬正弦波的幅寬轉換成相應的電壓，再通過第三運放A3構成的積分運算放大器放大，其中第八電阻R8、第九電阻R9為放大器的閉環增益控制，第三電容C3為交流負反饋，輸出的模擬正弦波幅偏電壓再反饋給第四運放A4的正輸入端，此電壓設定了輸出模擬正弦波的共模電壓。請參閱圖2，這是本發明發動機轉速信號模擬器在模擬磁電式速度傳感器的輸出信號，其中三個信號自上而下分別是曲軸正信號、曲軸負信號、凸輪軸信號。其中的一對曲軸差分信號為正弦波，輸出的頻率可以通過驅動模塊中的放大推動電路調節，調節範圍為 20Hz 3KHz、幅度隨著頻率的變化而變化，幅值的變化範圍為2 40V (峰-峰值)。凸輪軸信號為方波信號，輸出幅值為5V或12V(可以通過驅動模塊中的推輓輸出電路的跳線選擇)，並且可以實現輸出模式切換，共有三種模式單齒、6+1齒、4+1齒。請參閱圖4，這是本發明發動機轉速信號模擬器的外觀示意圖。左側是顯示屏， 右側是按鍵。顯示屏中具體顯示有凸輪軸信號的輸出模式(Cam Mode)；曲軸信號的輸出頻率(Crank Speed)。顯示屏上同時顯示輪速信號(Wheel Speed)；車速信號(Vehicle Speed)；進氣流量(Air Flow)；進氣溫度(Air Temp (19Hz))。按鍵包括模式選擇(Mode)、 頻率增加(Up)和頻率減少(Down)。長按模式選擇(Mode)按鍵3秒，將切換模擬方式，同時顯示屏顯示相應的輸出方式。本發明發動機轉速信號模擬器設計為具有一定的抗幹擾能力，輸出的模擬曲軸信號(正弦波信號)採用線性光耦隔離，其他的數字頻率信號(方波信號)採用高速磁耦隔離措施，所以其電源電路採用了 DC-DC (直流-直流)電源，使控制和輸出完全隔離，保證本發明所述模擬器裝置在惡劣的電磁環境中能長期正常穩定工作。
權利要求
1.一種發動機轉速信號模擬器，其特徵是，所述發動機轉速信號模擬器包括直流電源、 微控制器、顯示屏、按鍵、隔離模塊、差分轉換模塊和驅動模塊；所述直流電源為微控制器、顯示屏、按鍵、隔離模塊、差分轉換模塊和驅動模塊供電； 所述微控制器輸出曲軸信號和凸輪軸信號；所述顯示屏實時顯示發動機轉速信號模擬器的模擬方式、當前曲軸信號的輸出頻率， 凸輪軸信號的輸出模式；所述按鍵供用戶選擇是模擬霍爾式速度傳感器，還是模擬磁電式速度傳感器； 當用戶通過按鍵選擇模擬霍爾式速度傳感器，則所述微控制器輸出正弦波形式的曲軸信號和方波形式的凸輪軸信號；此時，——所述隔離模塊對所述正弦波形式的曲軸信號進行線性光耦隔離，對所述方波形式的凸輪軸信號進行磁耦隔離；——所述差分轉換模塊將所述正弦波形式的曲軸信號轉換為正弦波形式的一對差分曲軸信號；——所述驅動模塊將所述正弦波形式的一對差分曲軸信號的峰-峰幅值調整後輸出， 還將所述方波形式的凸輪軸信號的幅值電壓調整後輸出；當用戶通過按鍵選擇模擬磁電式速度傳感器，則所述微控制器輸出方波形式的曲軸信號和方波形式的凸輪軸信號；此時，——所述隔離模塊對所述方波形式的曲軸信號和凸輪軸信號進行磁耦隔離； ——所述驅動模塊將所述方波形式的曲軸信號和凸輪軸信號的幅值電壓調整後輸出。
2.根據權利要求1所述的發動機轉速信號模擬器，其特徵是，所述差分轉換模塊包括四個運算放大器，三個電容，九個電阻，兩個二極體正弦波形式的曲軸信號從第一運放的正輸入端輸入，第一運放的負輸入端連接第一運放的輸出端，第一運放的輸出端還通過串聯的第一電容和第一電阻連接到第二運放的正輸入端；第二運放的正輸入端還通過第二電阻連接到第四運放的輸出端以及第二二極體的輸入端，第二運放的正輸入端還通過串聯的第二電阻和第五電阻連接到第二運放的負輸入端，第二運放的正輸入端還通過串聯的第二電阻和第六電阻連接第四運放的負輸入端，第二運放的負輸入端通過第三電阻連接到第二運放的輸出端，第二運放的輸出端連接第一二極體的輸入端，第二運放的輸出端還通過第四電阻連接到第四運放的負輸入端，第二運放的輸出端輸出正弦波形式的曲軸信號的差分負信號；第一二極體和第二二極體的輸出端均通過串聯的第七電阻R7和第八電阻連接到第三運放的負輸入端，第一二極體和第二二極體的輸出端還均通過串聯的第七電阻和第二電容接地；第三運放的正輸入端接地，第三運放的負輸入端通過第三電容連接到第三運放的輸出端，第三運放的負輸入端還通過並聯的第九電阻和第三電容連接到第三運放的輸出端，第三運放的輸出端連接到第四運放的正輸入端；第四運放的輸出端輸出正弦波形式的曲軸信號的差分正信號。
全文摘要
本發明公開了一種發動機轉速信號模擬器，包括直流電源、微控制器、顯示屏、按鍵、隔離模塊、差分轉換模塊和驅動模塊。該發動機轉速信號模擬器通過按鍵切換，既能模擬磁電式速度傳感器輸出的發動機轉速信號，又能模擬霍爾式速度傳感器輸出的發動機轉速信號，擴大了應用範圍，方便了發動機ECU的調試與檢測。並且本發明所述裝置輸出的發動機轉速信號均經過了隔離處理，提高了信號的抗幹擾能力，能夠在惡劣的電磁環境中穩定工作。
文檔編號F02D45/00GK102477914SQ20101056539
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月30日 優先權日2010年11月30日
發明者孫耀軍, 童毅, 韓本忠 申請人:聯創汽車電子有限公司