发动机转角信息获取 IP 核 技术领域 本发明涉及一种发动机的电子燃油喷射 (electronic fuelinjection， EFI) 系统， 例如用于船用或车用发动机， 特别是涉及一种发动机的电子燃油喷射系统中的电子信息获 取装置。
背景技术 发动机的电子燃油喷射 EFI 系统可以划分为三个子系统， 分别是 ： 燃油传送子 系统 (fuel delivery system)、 进气子系统 (air inductionsystem) 和电子控制子系统 (electronic control system)。其中， 电子控制子系统包括 ECU、 各种传感器、 燃油喷射器 总成 (fuel injectorassembly) 等。
目前， 发动机电子燃油喷射 EFI 系统中的 ECU 一般选用单片机 (microcontroller， 微控制器 )。 随着发动机控制精度要求日益提高以及控制功能日益复杂， 单片机的运算处理 能力已难以胜任处理大量信息的要求。例如对缸内燃烧过程控制时， 必须在发动机燃烧过 程极短时间内 ( 微秒级 ) 采集并处理相关信息并进行逐缸控制。
同 时， 作 为 特 殊 应 用 集 成 电 路 (application specific integratedcircuit， ASIC) 的单片机也有一些 “先天” 不足。例如单片机的生命周期和发动机的生命周期不一 致， 可能导致单片机停产后给发动机维修带来不便 ； 在电子控制子系统小批量生产时， 这一 矛盾尤为突出。
FPGA(Field Programmable Gate Array) 即现场可编程门阵列， 它是在 PAL、 GAL、 EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 (ASIC) 领域中的 一种半定制电路而出现的， 既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数 有限的缺点。 FPGA 的使用非常灵活， 同一片 FPGA 通过不同的编程数据可以产生不同的电路 功能。
柴油机转角信息是柴油机燃油控制系统最为重要的信息， 是发送一些重要信号 ( 如喷射电磁阀控制信号 ) 的基准。发动机转角信息与转速信息是控制器获取发动机当前 状态的前提。 因此， 保证发动机转角信息获取功能的稳定和正确运行， 是实现发动机控制的 重要基础。
目前发动机控制器都是通过单片机实现的。由于单片机 “串行” 计算的先天约束 条件， 转角信息获取功能与其他控制算法等软件一同在单片机内实现。在一路转角信息传 感器出错后， 控制算法必须等待冗余的转角信息传感器检测为正确， 并重新进行转角信息 同步后， 才可以应用冗余传感器得到的转角信息， 在响应速度上存在一定的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发动机转角信息获取 IP 核， 其可以提高 计算速度 ； 降低软件实现的复杂程度， 有利提升系统运行的稳定性， 有利于加快开发调试和 维修维护速度。为了解决以上技术问题， 本发明提供了一种发动机转角信息获取 IP 核， 包括 ： 噪 声抑制模块， 所述噪声抑制模块连接曲轴信号和凸轮轴信号， 并输出抑制后的曲轴信号和 凸轮轴信号 ； 信号检测模块， 所述信号检测模块连接抑制后的曲轴信号和凸轮轴信号， 并将 检测后的曲轴信号和凸轮轴信号输出至同步模块 ； 同步模块连接至状态选择模块 ； 所述发 动机转角信息获取 IP 核各个模块应用现场可编程门阵列实现。
本发明的有益效果在于 ： 可以利用 FPGA 的硬件计算能力， 从而大大提高计算速 度； 并将各个功能模块固化为 FPGA 硬件 (IP 核 )， 以芯片级提供应用， 从而使得整个系统呈 现模块化和层次化， 降低了软件实现的复杂程度， 有利于提升系统运行的稳定性， 有利于加 快开发调试和维修维护速度。 附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图 1 是本发明实施例所述发动机转角信息获取 IP 核接口示意图 ；
图 2 是本发明实施例所述曲轴齿轮和传感器安装分布示意图 ；
图 3 是本发明实施例所述凸轮轴齿轮和传感器安装分布示意图 ；
图 4 是本发明实施例所述发动机转角信息获取 IP 核示意图。具体实施方式
本发明应用 FPGA( 可编程逻辑阵列 ) 并行处理能力， 将发动机转角信息获取功能， 通过硬件实现。具有如下特点 ：
多转速传感器与相位传感器并行处理。利用 FPGA 的并行处理能力， 对多路转速传 感器与相位传感器并行进行信号检测和同步等处理， 实现转速传感器与相位传感器物理冗 余和无缝切换， 有效提高系统冗余能力 ；
简化软件代码设计， 系统功能结构更清晰。将复杂的软件代码， 下移到硬件层， 使 得系统整体功能架构清晰， 并且提高了软件的可靠性。
以 FPGA 为平台， 开发实现发动机转角信息获取功能的 IP 核， 实现发动机转角信息 信号的计算和其他相关辅助信息计算。其功能包括 ：
通过两路曲轴齿盘信号 ( 以下简称曲轴信号 ) 和两路凸轮轴齿盘信号 ( 以下简称 凸轮轴信号 )， 计算发动机转角信息信号， 保证冗余可靠。
通过对曲轴传感器信号的倍频处理， IP 核产生一路微齿信号， 提高信号输出的精 度， 如可以达到 0.1° CA(CA 标识曲轴转角 ) ；
对各路曲轴和凸轮轴传感器信号进行滤波， 合理性检测， 自校验和相互校验功能， 保证输出正确信号 ；
对临时发生故障的信号， IP 核通过产生模拟信号， 以替代故障信号， 保证转角信息 信号的正确 ；
各路传感器信号并行处理， 可同时输出 8 路互相备份的正确发动机转角信息信 号， 在某路传感器出现故障， 进行信号切换时， 可以实现真正的无缝切换， 无需时间延时。
本发明提供了一种创新的发动机转角信息获取功能实现方式， 实现了多转速传感 器与相位传感器信号并行计算处理， 提高了系统冗余能力和处理精度， 填补发动机转角信息获取功能硬件实现方法的空白。
本方案以 4 冲程柴油机为对象， 进行发动机转角信息获取 IP 核设计。
发动机转角信息获取 IP 核通过输入的两路曲轴传感器信号和两路凸轮轴传感器 信号实现发动机转角信息计算和其他相关辅助信息计算， 还包括输入信号软件滤波、 信号 合理性检测、 信号故障记录、 故障报警、 发动机平均转速和瞬时转速计算等处理功能。发动 机转角信息获取 IP 核接口图见图 1。
1) 输入信号， 输入信号包括 2 路凸轮轴传感器信号和 2 路曲轴传感器信号。凸轮 轴传感器信号 ： 凸轮轴转一圈， 凸轮轴传感器产生 N+1 个凸轮轴齿信号， 其中 N 代表发动机 缸数。曲轴传感器信号 ： 曲轴转一圈， 产生 60-2 齿脉冲信号。曲轴齿数比较密集， 通过该信 号可以计算发动机较为精确的位置信息。 图 2、 图 3 为曲轴和凸轮轴齿轮和传感器安装分布 示意图。
2) 输出信号， 经过相关处理后， 从发动机转角信息获取 IP 核输出的信号有 ： 标识 第一缸压缩上止点信号， 标识各缸压缩上止点信号， 处理后的曲轴信号， 微齿信号等。
标识各缸压缩上止点信号 ： 标识发动机各个缸的压缩上止点位置。在发动机运行 到某一缸压缩上止点前某时刻， 产生一个脉冲信号。
标识第一缸压缩上止点信号 ： 在第一缸压缩上止点前某时刻产生的脉冲信号。
处理后的曲轴信号 ： 经过对原始信号滤波、 合理性检测等处理后， 最终得到的一路 曲轴信号。
微齿信号 ： 达到更高精度要求表示曲轴转角的齿信号。
该模块中， 凸轮轴传感器信号和曲轴传感器信号都有两路， 互相热备份。衍生出 8 种计算发动机转角信息信号的途径 ： 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 表示曲轴传感器信号 1 ； 曲 2 表示曲轴传感器信号 2 ； 凸 1 表示凸轮轴传感器信 号1； 凸 2 表示凸轮轴传感器信号 2)。
ECU 启动后， 通过并行计算， 先进行信号滤波和检测模块。
依据正确信号， 将 8 种计算转角信息的方法同时计算， 得出各自对应的计算结果。
处理器通过内部调度程序， 根据各种计算结果的优先级和当前发动机状态， 选择 一路计算结果， 作为输出。在出现某一传感器故障后， 可以立刻切换不同的转角信息， 而不 需要重新同步。
EPA 核总体功能框架图如图 4 所示。
整个模块由噪声抑制子模块、 信号检测子模块、 同步子模块、 状态选择子模块和一 些全局寄存器组成。
各模块的主要功能描述如下 ：
噪声抑制模块 ： 该模块对输入的曲轴传感器信号 1、 2 和凸轮轴传感器信号 1、 2分 别进行 RTL 级的噪声滤波和抑制。主要用于把由于工作环境和电源等引入的高频噪声滤 除。
信号检测模块 ： 该模块用以对具体信号的检测和判断。模块对输入的经多层滤波 的曲轴传感器信号 1、 2 和凸轮轴传感器信号 1、 2 分别进行存在性和齿数判断， 如果信号不 符合要求， 则以故障信号的形式在故障信号寄存器中记录下来。在每个故障信号产生和恢 复时此模块都会发出一个中断信号。 信号检测模块的结果将直接影响到同步模块和状态选择模块的结果， 是整个 EPA 模块的主要控制模块。
同步模块 ： 该模块主要以输入的曲轴传感器信号 1、 2 和凸轮轴传感器信号 1、 2以 及轴状态寄存器 1 的值为条件并行计算标识第一缸压缩上止点信号、 各缸压缩上止点信 号、 处理后的曲轴信号、 微齿信号等。同步模块共有 8 个并行的不同条件下的计算模块， 只 要曲轴信号和凸轮轴信号及轴状态寄存器 1 的值的组合符合一个计算模块的条件要求， 该 计算模块就会进行计算， 并且在计算完成时给出一个同步信号表征计算是否完成， 该信号 主要用以最后的状态选择模块的结果输出的判断。
状态选择模块 ： 该模块主要用以最后结果的选择输出和计算。模块本身主要由一 个有限状态机构成。根据不同的条件组合在不同的输出结果间进行选择和跳转。条件组合 由轴状态寄存器 2、 同步模块中给出的各并行子模块的同步信号和当前状态构成。 模块根据 一定的优先级在输入的各同步子模块的各输出信号之间进行选择性输出。
本发明所述装置相关算法包括 ：
1) 转角信息同步算法， 包括凸轮轴传感器和曲轴传感器双信号转角信息同步， 单 一凸轮轴传感器信号转角信息同步， 单一曲轴传感器信号转角信息同步三种同步算法。
2) 微齿生成算法， 通过对处理后曲轴齿信号进行倍频得到微齿信号。 3) 信号滤波算法， 以凸轮轴和曲轴信号固有频率为基础， 虑除高频干扰信号。
4) 信号合理性检测算法， 在信号经过硬件和软件滤波处理后， 进行信号的合理性 检测。根据发动机的转速变化率， 和已经完成处理的信号， 来确定该信号是否合理。
本发明并不限于上文讨论的实施方式。 以上对具体实施方式的描述旨在于为了描 述和说明本发明涉及的技术方案。 基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为 落入本发明的保护范围。