CN101871843A - 一种曲轴与凸轮轴模拟信号产生方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种曲轴与凸轮轴模拟信号产生方法，包括以下步骤：1)、将发送机的转速值通过转速转换得到循环量p和正弦波振幅A；2)、在MATLAB环境下建立曲轴信号和凸轮轴信号的模型，建立离散正弦波信号模拟产生曲轴模拟信号，并编写PCI1727板卡的驱动程序，在MATALB/Simulink下产生相应的PCI1727板卡的AO和DO接口；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，实时运算，并在PCI1727板卡的AO和DO接口中输出相应的曲轴和凸轮轴模拟信号。以及提供了曲轴与凸轮轴模拟信号发生装置。本发明产生信号精确、有效测试发动机硬件的信号调理能力、通用性好。

Description

一种曲轴与凸轮轴模拟信号产生方法及其装置

技术领域

本发明涉及信号模拟产生领域，尤其是涉及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)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，V模式中提出采用硬件在环仿真(Hardware In-the-LoopSimulation，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及其两者之间的同步关系是至关重要的，它关系到整个发动机运转，是发动机喷油和点火信号的基准，模拟精度要求高，难度大。目前相关技术包括：通过复杂的硬件来模拟曲轴信号和凸轮轴信号，此类设计复杂，通用性差；采用模拟仿真的方法产生传感器信号，但所产生信号质量较差，很难测试ECU硬件的信号调理能力。以上两种方法均不太适合对发动机管理系统的设计进行比较好地验证。

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质量较差、无法测试发动机硬件的信号调理能力、通用性差的不足，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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种曲轴与凸轮轴模拟信号产生方法，所述产生方法包括以下步骤：

1)、将发送机的转速值通过转速转换得到循环量p和正弦波振幅A；

2)、在MATLAB环境下建立曲轴信号和凸轮轴信号的模型，建立离散正弦波信号模拟产生曲轴信号，所述离散正弦波的表达式如下(1)：

$y=A\×\sin (2\×\mathrm{\π}\×\frac{k+o}{p})+m---\left(1\right)$

式(1)中，y表示曲轴信号，A为正弦波振幅，p为循环量，p同时表示每一个正弦波周期内的采样数，k为从0到p-1之间的整数值，o为正弦波信号的幅值偏移量，m为正弦波信号的偏移；

凸轮轴信号的表达式如下(2)：

$\mathrm{Cam}\_\mathrm{sig}=\left\{\begin{array}{cc}1& (a<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<b)\\ 0& (b<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<c)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，Cam_sig为凸轮轴信号，Crank_sig_count为曲轴信号的齿数，a、b、c为曲轴信号齿数对应的凸轮轴信号的跳变齿；

并编写PCI1727板卡的驱动程序，在MATALB/Simulink下产生相应的PCI1727板卡的AO和DO接口；

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，实时运算，并在PCI1727板卡的AO和DO接口中输出相应的曲轴和凸轮轴模拟信号。

作为优选的一种方案：所述步骤1)中，转速转换的过程为：循环量p是相对于基准信号而言的，p的表达式为：

p＝f/n

式中，f为基准信号的频率，n为输入的发动机转速；

模拟曲轴信号输出的振幅A和曲轴传感器的特性相关，振幅A的表达式为：

A＝K×n

式中，K是比例系数，针对某一特定的曲轴传感器的输出振幅A和发动机转速n的比值，可通过实验标定或者查传感器特性，n为发动机的转速。

一种的曲轴与凸轮轴模拟信号发生装置，所述发生装置包括：

转速转换模块，用于将发送机的转速值通过转速转换得到循环量p和正弦波振幅A，循环量p是相对于基准信号而言的，p的表达式为：

p＝f/n

式中，f为基准信号的频率，n为输入的发动机转速。

模拟曲轴信号输出的振幅值A和曲轴传感器的特性相关，振幅值A的表达式为：

A＝K×n

式中，K是比例系数，针对某一特定的曲轴传感器的输出振幅A和发动机转速n的比值，可通过实验标定或者查传感器特性，n为发动机的转速；

模型建立模块，用于在MATLAB环境下建立曲轴信号和凸轮轴信号的模型，建立离散正弦波信号模拟产生曲轴信号，所述离散正弦波的表达式如下(1)：

$y=A\&times;\sin (2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;\frac{k+o}{p})+m---\left(1\right)$

式(1)中，y表示曲轴信号，A为正弦波振幅，p为循环量，p同时表示每一个正弦波周期内的采样数，k为从0到p-1之间的整数值，o为正弦波信号的幅值偏移量，m为正弦波信号的偏移；

凸轮轴信号的表达式如下(2)：

$\mathrm{Cam}\_\mathrm{sig}=\left\{\begin{array}{cc}1& (a<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<b)\\ 0& (b<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<c)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，Cam_sig为凸轮轴信号，Crank_sig_count为曲轴信号的齿数，a、b、c为曲轴信号齿数对应的凸轮轴信号的跳变齿；

并编写PCI1727板卡的驱动程序，在MATALB/Simulink下产生相应的PCI1727板卡的AO和DO接口；

信号产生模块，用于配置RTW环境生成目标代码，将生成的目标代码下载到目标机上，实时运算，并在PCI1727板卡的AO和DO接口中输出相应的曲轴和凸轮轴模拟信号。

本发明的技术构思为：一种产生曲轴信号和凸轮轴模拟信号产生方法，该方法包括：在MATLAB环境下建立简单且精确的产生曲轴信号和凸轮轴信号的模型，配置RTW环境生成目标代码，编写I/O板卡在xPC Target实时环境下的驱动以便将目标代码实时运算并在I/O板卡上输出相应的信号。

本发明提供了一种产生曲轴与凸轮轴模拟信号的发生装置，该装置包括依次连接的宿主机和目标机，宿主机用于建立产生曲轴信号和凸轮轴信号的模型以及在RTW(Real-Time Workshop)环境下生成目标代码；目标机用于将宿主机产生的目标代码实时运行并通过I/O板卡转换成模拟信号和数字信号输出。

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是本发明的装置框图。

图3是本发明的产生曲轴信号和凸轮轴信号模型的MTALAB框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1～图3，一种曲轴与凸轮轴模拟信号产生方法，包括以下步骤：

1)、将发送机的转速值通过转速转换得到循环量p和正弦波振幅A；

2)、在MATLAB环境下建立曲轴信号和凸轮轴信号的模型，建立离散正弦波信号模拟产生曲轴信号，所述离散正弦波的表达式如下(1)：

$y=A\&times;\sin (2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;\frac{k+o}{p})+m---\left(1\right)$

式(1)中，y表示曲轴信号，A为正弦波振幅，p为循环量，p同时表示每一个正弦波周期内的采样数，k为从0到p-1之间的整数值，o为正弦波信号的幅值偏移量，m为正弦波信号的偏移；

凸轮轴模拟信号的表达式如下(2)：

$\mathrm{Cam}\_\mathrm{sig}=\left\{\begin{array}{cc}1& (a<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<b)\\ 0& (b<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<c)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，Cam_sig为凸轮轴信号，Crank_sig_count为曲轴信号的齿数，a、b、c为曲轴信号齿数对应的凸轮轴信号的跳变齿，不同的曲轴传感器和凸轮轴传感器的配置，a、b、c的值是不同的。

并编写PCI1727板卡的驱动程序，在MATALB/Simulink下产生相应的PCI1727板卡的AO和DO接口；

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，实时运算，并在PCI1727板卡的AO和DO接口中输出相应的曲轴和凸轮轴模拟信号。

所述步骤1)中，转速转换的过程为：

循环量p是相对于基准信号而言的，基准信号也是模拟信号的产生的一个时间基准信号。p的表达式为：

p＝f/n

式中，f为基准信号的频率，n为输入的发动机转速。

模拟曲轴信号输出的振幅A和曲轴传感器的特性相关，针对同一款曲轴信号传感器，不同的发动机转速下有不同的振幅A，并且一股振幅A与转速n为一次函数关系：

A＝K×n

式中，K是比例系数，针对某一特定的曲轴传感器的输出振幅A和发动机转速n的比值，可通过实验标定或者查传感器特性，n为发动机的转速。

如图3所示的模型的框图，输入端为发动机的转速值，首先经过转速转换模块，对转速值进行处理，以便转速模拟信号生成模块使用。信号产生模块利用了MATLAB/Simulink下的一个工具箱——Stateflow。Stateflow可以和Simulink无缝连接，且编程灵活。在Stateflow中产生的信号输出给利用C-MEX S-Function编写的PCI-1727板卡驱动接口，磁电式曲轴传感器产生的信号为类似正弦波信号，是模拟信号输出，与PCI-1727的AO口连接；霍尔式和光电式曲轴传感器信号为高低电平脉冲信号，与PCI-1727的DO口连接；凸轮轴信号是高低电平的脉冲信号，与PCI-1727的DO口连接。

依次进行如下步骤：

1)如图3所示为曲轴和凸轮轴模拟产生的MATLAB模型，模型主体部分包括了转速输入转换模块、信号产生模块、PCI-1727板卡的AO和DO接口模块。

2)磁电式曲轴传感器的信号输出类似正弦波，在信号产生模块中选用了离散正弦波信号函数来模拟产生曲轴信号。离散正弦函数如下：

$y=A\&times;\sin (2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;\frac{k+o}{p})+m---\left(1\right)$

式(1)中，y表示曲轴信号，A为正弦波振幅，p为循环量，p同时表示每一个正弦波周期内的采样数，k为从0到p-1之间的整数值，o为正弦波信号的幅值偏移量，m为正弦波信号的偏移；

凸轮轴信号表达式为：

$\mathrm{Cam}\_\mathrm{sig}=\left\{\begin{array}{cc}1& (a<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<b)\\ 0& (b<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<c)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，Cam_sig为凸轮轴信号，Crank_sig_count为曲轴信号的齿数，a、b、c为曲轴信号齿数对应的凸轮轴信号的跳变齿，不同的曲轴传感器和凸轮轴传感器的配置，a、b、c的值是不同的。

3)在信号产生模块中，曲轴信号是由步骤(2)中的函数得到，而k＝basesignal/engine speed。在该模块中，利用一个for循环执行(*)操作实现正弦波的离散计算模拟。而振幅A值是可以有实验标定得到的一个与发动机转速相关的值。

4)转速转换模块的两个输出量是步骤(3)中提到的循环量p和与转速相关的正弦波振幅A。循环量p是相对于基准信号而言的，基准信号也是模拟信号的产生的一个时间基准信号。p的表达式为：

p＝f/n

式中，f为基准信号的频率，n为输入的发动机转速。

模拟曲轴信号输出的振幅A和曲轴传感器的特性相关，针对同一款曲轴信号传感器，不同的发动机转速下有不同的振幅A，并且一股振幅A与转速n为一次函数关系：

A＝K×n

式中，K是比例系数，针对某一特定的曲轴传感器的输出振幅A和发动机转速n的比值，可通过实验标定或者查传感器特性，n为发动机的转速。

5)一股的电控汽油机曲轴转速在8000r/min之内，而离散正弦信号当k＞8时，产生的离散的正弦信号波已经能够满足HIL系统的试验要求了。因而在信号产生模块中的基准信号选用1/40000s周期的方波信号已经能够满足要求了。

6)由实验标定真实发动机的凸轮轴信号和曲轴信号的同步关系。由于凸轮轴传感器一股是霍尔式的，产生的凸轮轴信号是高低电平的数字信号，只需要在合适的时刻(即在曲轴信号的第n个齿凸轮轴信号发生跳变)赋值凸轮轴模拟信号Cam_sig为1或者0即可。

7)在MATLAB环境下编写PCI1727板卡的驱动程序，在MATALB/Simulink下便会有相应的PCI1727板卡的AO和DO接口，连接信号产生模块中的Crank_sig与Cam_sig。

8)使用TCP/IP连接目标机和宿主机，在宿主机上的MATLAB中配置RTW环境，包括模型的求解器(solver)中仿真步长和仿真时间等，这些是本领域公知的方法，不再赘述。

9)完成步骤8中的配置，编译图3中的模型，生成目标代码自动下载到目标机上，实时运行，同时在PCI1727板卡的AO和DO中输出相应的曲轴和凸轮轴模拟信号。

备注：对于霍尔式和光电式的曲轴传感器信号的模拟，由于其信号均为高低电平的方波脉冲信号，在信号产生模块中使用基准信号进行分频，并进行计数触发即可产生对应转速的频率信号。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实例。显然，本发明不限于以上实例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

实施例2

参照图1～图3，一种曲轴与凸轮轴模拟信号发生装置，所述发生装置包括：

转速转换模块，用于将发送机的转速值通过转速转换得到循环量p和正弦波振幅A，循环量p是相对于基准信号而言的，基准信号也是模拟信号的产生的一个时间基准信号。p的表达式为：

p＝f/n

式中，f为基准信号的频率，n为输入的发动机转速。

模拟曲轴信号输出的振幅A和曲轴传感器的特性相关，针对同一款曲轴信号传感器，不同的发动机转速下有不同的振幅A，并且一股振幅A与转速n为一次函数关系：

A＝K×n

式中，K是比例系数，针对某一特定的曲轴传感器的输出振幅A和发动机转速n的比值，可通过实验标定或者查传感器特性，n为发动机的转速。

模型建立模块，用于在MATLAB环境下建立曲轴信号和凸轮轴信号的模型，建立离散正弦波信号模拟产生曲轴信号，所述离散正弦波的表达式如下(1)：

$y=A\&times;\sin (2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;\frac{k+o}{p})+m---\left(1\right)$

式中，y表示曲轴信号，A为正弦波振幅，p为循环量，p同时表示每一个正弦波周期内的采样数，k为从0到p-1之间的整数值，o为正弦波信号的幅值偏移量，m为正弦波信号的偏移；

凸轮轴信号的表达式如下(2)：

$\mathrm{Cam}\_\mathrm{sig}=\left\{\begin{array}{cc}1& (a<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<b)\\ 0& (b<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<c)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，Cam_sig为凸轮轴信号，Crank_sig_count为曲轴信号的齿数，a、b、c为曲轴信号齿数对应的凸轮轴信号的跳变齿，不同的曲轴传感器和凸轮轴传感器的配置，a、b、c的值是不同的。

并编写PCI1727板卡的驱动程序，在MATALB/Simulink下产生相应的PCI1727板卡的AO和DO接口；

信号产生模块，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，实时运算，并在PCI1727板卡的AO和DO接口中输出相应的曲轴和凸轮轴模拟信号。

如图1所示是发动机ECU HIL开发平台结构框图，宿主机进行建模、xPCTarget环境下的目标代码生成和监控；目标机装载I/O板卡并负责模型目标程序的实时运算，同时通过板卡与ECU相连。对于难以建模的执行器和传感器，可外接实物。

对于本发明，一种可产生曲轴与凸轮轴信号的信号模拟装置和方法及其应用，发明装置的框图如图2所示，包含了宿主机、目标机以及装在在目标机上的I/O板卡。宿主机用于建立产生曲轴和凸轮轴信号的模型，以及在xPC环境下生成模型的目标代码；针对曲轴与凸轮轴信号特性，目标机主要是运行实时环境，生成相应的曲轴和凸轮轴信号，利用Advantech PCI-1727板卡的DA和DO通道来实现信号的输出。

如图3所示，在本发明中的软件模型建立和实现是保证从Advantech PCI-1727板卡的DA和DO通道输出信号准确而不是失真，并且能够灵活地生成各个转速下的曲轴和凸轮轴信号的一个很重要的原因。DA通道可以实现磁电式传感器信号的模拟，DO通道可以实现霍尔式或光电式传感器信号的模拟。在模型的建模过程中，可以根据实际需要建模的传感器进行通道的选择。

Claims (3)

1.一种曲轴与凸轮轴模拟信号产生方法，其特征在于：所述产生方法包括以下步骤：

1)、将发送机的转速值通过转速转换得到循环量p和正弦波振幅A；

2)、在MATLAB环境下建立曲轴信号和凸轮轴信号的模型，建立离散正弦波信号模拟产生曲轴信号，所述离散正弦波的表达式如下(1)：

$y=A\&times;\sin (2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;\frac{k+o}{p})+m---\left(1\right)$

式(1)中，y表示曲轴信号，A为正弦波振幅，p为循环量，p同时表示每一个正弦波周期内的采样数，k为从0到p-1之间的整数值，o为正弦波信号的幅值偏移量，m为正弦波信号的偏移；

凸轮轴信号的表达式如下(2)：

$\mathrm{Cam}\_\mathrm{sig}=\left\{\begin{array}{cc}1& a<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<b\\ 0& b<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<c\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，Cam_sig为凸轮轴信号，Crank_sig_count为曲轴信号的齿数，a、b、c为曲轴信号齿数对应的凸轮轴信号的跳变齿；

并编写PCI1727板卡的驱动程序，在MATALB/Simulink下产生相应的PCI1727板卡的AO和DO接口；

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，实时运算，并在PCI1727板卡的AO和DO接口中输出相应的曲轴和凸轮轴模拟信号。

2.如权利要求1所述的一种曲轴与凸轮轴模拟信号产生方法，其特征在于：所述步骤1)中，转速转换的过程为：循环量p是相对于基准信号而言的，p的表达式为：

P＝f/n

式中，f为基准信号的频率，n为输入的发动机转速；

模拟曲轴信号输出的振幅A和曲轴传感器的特性相关，振幅A的表达式为：

A＝K×n

式中，K是比例系数，n为发动机的转速。

3.一种用如权利要求1所述的曲轴与凸轮轴模拟信号产生方法实现的发生装置，其特征在于：所述发生装置包括：

转速转换模块，用于将发送机的转速值通过转速转换得到循环量p和正弦波振幅A，循环量p是相对于基准信号而言的，p的表达式为：

p＝f/n

式中，f为基准信号的频率，n为输入的发动机转速。

模拟曲轴信号输出的振幅值A和曲轴传感器的特性相关，振幅值A的表达式为：

A＝K×n

式中，K是比例系数，n为发动机的转速；

模型建立模块，用于在MATLAB环境下建立曲轴信号和凸轮轴信号的模型，建立离散正弦波信号模拟产生曲轴信号，所述离散正弦波的表达式如下(1)：

$y=A\&times;\sin (2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;\frac{k+o}{p})+m---\left(1\right)$

式(1)中，y表示曲轴信号，A为正弦波振幅，p为循环量，p同时表示每一个正弦波周期内的采样数，k为从0到p-1之间的整数值，o为正弦波信号的幅值偏移量，m为正弦波信号的偏移；

凸轮轴信号的表达式如下(2)：

$\mathrm{Cam}\_\mathrm{sig}=\left\{\begin{array}{cc}1& a<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<b\\ 0& b<\mathrm{Crank}\_\mathrm{sig}\_\mathrm{count}<c\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，Cam_sig为凸轮轴信号，Crank_sig_count为曲轴信号的齿数，a、b、c为曲轴信号齿数对应的凸轮轴信号的跳变齿；

并编写PCI1727板卡的驱动程序，在MATALB/Simulink下产生相应的PCI1727板卡的AO和DO接口；

信号产生模块，用于配置RTW环境生成目标代码，将生成的目标代码下载到目标机上，实时运算，并在PCI1727板卡的AO和DO接口中输出相应的曲轴和凸轮轴模拟信号。

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