基于FPGA的汽車轉速表校驗儀的設計

何 凱,王紀嬋,劉 剛

(長沙師范學院電子與信息工程系,湖南長沙,410100)

0 引言

汽車轉速表的主要功能是能夠比較直觀地顯示發動機在不同工作情況下的轉速,駕駛員通過轉速表的顯示信息可以隨時知道發動機的運轉情況,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,從而起到減少油耗,延長發動機壽命的作用。基于汽車轉速表在行駛中的重要作用，在汽車出廠和日常維修中對轉速表的校驗是十分必要和有意義的。汽車轉速表主要有離心式轉速表、電動式轉速表、磁性轉速表、磁電式轉速表、電子式轉速表和閃光式轉速表這6種轉速表，而目前市面上廣泛使用的轉速表是電子式轉速表，其工作原理是汽車轉速傳感器通過電磁感應產生與發動機點火頻率相同的電流脈沖信號，由于脈沖信號的頻率與轉速成正比關系，所以可通過測量脈沖信號的頻率來獲得汽車相應的轉速。本設計是對電子式汽車轉速表進行校驗，電子轉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生的是矩形波,而電磁式傳感器產生的則是正弦波,因此,為了滿足大部分汽車轉速表的檢測,本設計關鍵是模擬轉速傳感器產生頻率可變的方波和正弦波。傳統汽車轉速表校驗儀是基于單片機系統構成的。由于單片機性能限制，很難產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速表校驗儀的性能需求。為了克服傳統汽車轉速校驗儀上述缺點，本設計采用FPGA進行設計，利用FPGA內部強大的邏輯資源，采用現代數字系統設計方法能夠實現校驗速度和精度高，穩定度和系統集成度高，便于擴展和升級。

1 系統設計

1.1 總體設計方案

根據電子式汽車轉速表的測量和校驗原理，采用FPGA芯片進行設計與實現。系統總體設計結構如圖1所示:

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

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

1.2 脈沖信號產生模塊的設計

本設計主要是模擬轉速傳感器，提供方波和正弦波兩種信號以供儀表校驗。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變化的數據，提取相對較為困難，所以，正弦波的數據提取是本模塊的重點也是難點。對于正弦波信號數據的提供，本設計采用基于查表法的直接數字頻率合成器（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、數模轉換器、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。該幅度編碼經過 DA 轉換器變化后得到模擬的階梯電壓，再經過低通濾波平滑后，得到所需的信號。

圖2中，K 為頻率控制字，FCLK 為輸入信號的采樣頻率，Fout為 DDS 的輸出頻率，則輸出信號頻率與頻率控制字 K 的關系為：

當K為1時，上式代表DDS 的輸出頻率分辨率，即：

圖1 系統設計結構框圖

圖2 DDS原理框圖

1.2.2 DDS的設計

根據DDS的工作原理，本設計DDS內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。由于宏功能都經過系統優化，性能優越可靠，且不須編寫相應的Verilog HDL代碼。所以本文設計的DDS模塊非常容易實現。本設計在FPGA內部形成的DDS原理結構框圖如圖3所示

為了能夠產生矩形和正弦兩種波形，本設計把方波和正弦波提取的數據分別儲存在FPGA芯片內部兩個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據來改變最后輸出的正弦和矩形信號的頻率。

1.2.3 DDS仿真驗證

DDS模塊設計完畢后，再建立波形測試數據對設計電路進行仿真測試，仿真測試結果如圖4所示，從圖中可以看出，該模塊已成功產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系完全符合公式（1）。從仿真測試圖分析可知，DDS模塊設計是符合本設計需求。

圖3 DDS實現的原理框圖

圖4

2 結語

本設計是在詳細分析汽車轉速表測量轉速的工作原理基礎上，在FPGA內部運用現代的EDA技術，設計模擬轉速傳感器輸出的脈沖信號，從而完成轉速表的校驗。本設計采用Altera公司的Cyclone II系列 EP2C5Q208C8芯片，進行分模塊設計與實現。經過仿真測試和板級調試驗證該設計出符合電子式轉速表校驗儀的性能需求。

參考文獻

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