CN102477914B - 发动机转速信号模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机转速信号模拟器，包括直流电源、微控制器、显示屏、按键、隔离模块、差分转换模块和驱动模块。该发动机转速信号模拟器通过按键切换，既能模拟磁电式速度传感器输出的发动机转速信号，又能模拟霍尔式速度传感器输出的发动机转速信号，扩大了应用范围，方便了发动机ECU的调试与检测。并且本发明所述装置输出的发动机转速信号均经过了隔离处理，提高了信号的抗干扰能力，能够在恶劣的电磁环境中稳定工作。

Description

发动机转速信号模拟器

技术领域

本发明涉及一种车辆发动机转速信号的模拟发生电路。

背景技术

实际车辆的发动机转速信号是由速度传感器测量得到的，常见的速度传感器有霍尔式和磁电式两种。

霍尔式速度传感器输出的发动机转速信号包括一路曲轴信号和一路凸轮轴信号，这两路信号均为幅值固定在5V（或12V）左右的方波信号。

磁电式速度传感器输出的发动机转速信号包括曲轴正信号、曲轴负信号、凸轮轴信号共三路，其中曲轴正信号、曲轴负信号为一对差分形式的正弦波信号，这一对差分信号的幅值随着频率的变化而变化，幅值峰-峰值最大将达到40V左右。凸轮轴信号为幅值固定在5V（或12V）左右的方波信号。

发动机转速信号模拟器可以模拟速度传感器输出发动机转速信号，目前市场上应用较多的是模拟霍尔式速度传感器，输出的是幅值固定在5V左右的方波形式的曲轴信号和凸轮轴信号。其缺点是幅值不可调，峰-峰值固定在5V左右，且输出的两路信号无隔离措施。霍尔式发动机转速信号模拟器无法实现磁电式速度传感器的模拟输出。

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速信号模拟器，既可以模拟霍尔式速度传感器输出发动机转速信号，也可以模拟磁电式速度传感器输出发动机转速信号。

为解决上述技术问题，本发明发动机转速信号模拟器包括直流电源、微控制器、显示屏、按键、隔离模块、差分转换模块和驱动模块；

所述直流电源为微控制器、显示屏、按键、隔离模块、差分转换模块和驱动模块供电；

所述微控制器输出曲轴信号和凸轮轴信号；

所述显示屏实时显示发动机转速信号模拟器的模拟方式、当前曲轴信号的输出频率，凸轮轴信号的输出模式；

所述按键供用户选择是模拟霍尔式速度传感器，或是模拟磁电式速度传感器；

当用户通过按键选择模拟霍尔式速度传感器，则所述微控制器输出正弦波形式的曲轴信号和方波形式的凸轮轴信号；此时，

——所述隔离模块对所述正弦波形式的曲轴信号进行线性光耦隔离，对所述方波形式的凸轮轴信号进行磁耦隔离；

——所述差分转换模块将所述正弦波形式的曲轴信号转换为正弦波形式的一对差分曲轴信号；

——所述驱动模块将所述正弦波形式的一对差分曲轴信号的峰-峰幅值调整后输出，还将所述方波形式的凸轮轴信号的幅值电压调整后输出；

当用户通过按键选择模拟磁电式速度传感器，则所述微控制器输出方波形式的曲轴信号和方波形式的凸轮轴信号；此时，

——所述隔离模块对所述方波形式的曲轴信号和凸轮轴信号进行磁耦隔离；

——所述驱动模块将所述方波形式的曲轴信号和凸轮轴信号的幅值电压调整后输出。

本发明发动机转速信号模拟器通过按键切换，既能模拟磁电式速度传感器输出的发动机转速信号，又能模拟霍尔式速度传感器输出的发动机转速信号，扩大了应用范围，方便了对车辆发动机ECU（电子控制单元）的调试与检测。并且本发明所述装置输出的发动机转速信号均经过了隔离处理，提高了信号的抗干扰能力，能够在恶劣的电磁环境中稳定工作。

附图说明

图1是本发明发动机转速信号模拟器的电路结构示意图；

图2是本发明发动机转速信号模拟器在模拟磁电式速度传感器时输出信号波形图；

图3是本发明发动机转速信号模拟器中的差分转换模块的电路图；

图4是本发明发动机转速信号模拟器的外观示意图。

图中附图标记为：

A1～A4分别为第一运放至第四运放；C1～C3分别为第一电容至第三电容；R1～R9分别是第一电阻至第九电阻；D1、D2分别是第一二极管、第二二极管。

具体实施方式

请参阅图1，本发明发动机转速信号模拟器包括直流电源、微控制器（MCU，单片机）、显示屏、按键、隔离模块、差分转换模块和驱动模块。其中直流电源为微控制器、显示屏、按键、隔离模块、差分转换模块和驱动模块供电。微控制器输出曲轴信号和凸轮轴信号。按键供用户选择发动机转速信号模拟器的模拟方式，即是模拟霍尔式速度传感器，还是模拟磁电式速度传感器。显示屏实时显示发动机转速信号模拟器的模拟方式（霍尔式或磁电式）、当前曲轴信号的输出频率、凸轮轴信号的输出模式（单齿、4+1或6+1）。

当用户通过按键选择模拟霍尔式速度传感器，则所述微控制器输出正弦波形式的曲轴信号和方波形式的凸轮轴信号。此时，隔离模块对所述正弦波形式的曲轴信号进行线性光耦隔离，对所述方波形式的凸轮轴信号进行磁耦隔离。差分转换模块将所述正弦波形式的曲轴信号转换为正弦波形式的一对差分曲轴信号。驱动模块将所述正弦波形式的一对差分曲轴信号的峰-峰幅值调整后输出，还将所述方波形式的凸轮轴信号的幅值电压调整后输出。

下面以用户通过按键选择模拟霍尔式速度传感器时，微控制器输出的曲轴信号进行详细说明：

首先，微控制器中包括数模转换芯片。该数模转换芯片将微控制器产生的正弦波数字量转换成模拟正弦波。模拟正弦波的幅度由正弦波数字量的幅值通过数模转换芯片转换成模拟电压，通过此模拟电压来控制正弦波产生的参考电压，从而可获得幅度可调的模拟正弦波。

其次，隔离模块中包括线性光耦。微控制器输出的模拟正弦波信号经三极管放大后驱动线性光耦，线性光耦一路输出端再负反馈给三极管放大电路，使线性光耦工作在线性区，防止信号过大、过小失真，线性光耦的另一路输出端将输出被隔离的模拟正弦波信号。在隔离模块中还包括磁耦，对微控制器输出的方波形式的凸轮轴信号进行隔离。

再次，模拟正弦波信号经由两个交叉耦合运算放大器组成的差分转换放大器后，单端模拟正弦波转换成差分模拟正弦波。为了实现对称电路，各输出还作为单位增益反相器的互相驱动，输出的模拟正弦波经过整流后由积分运算放大器放大，取出的模拟正弦波幅偏电压再反馈给交叉耦合运算放大器的正端，此电压设定了输出的差分模拟正弦波的共模电压。

最后，驱动模块包括放大推动电路和推挽输出电路。差分模拟正弦波信号再经过微积分运算放大器进一步放大，使输出幅度的峰峰值能满足最大40V的要求，此信号再由末级推挽晶体管放大电流，以保证输出信号的驱动力，最后由端口输出，完成差分曲轴信号的输出。

当用户通过按键选择模拟磁电式速度传感器，则所述微控制器输出方波形式的曲轴信号和方波形式的凸轮轴信号。此时，隔离模块对所述方波形式的曲轴信号和凸轮轴信号进行磁耦隔离。驱动模块将所述方波形式的曲轴信号和凸轮轴信号的幅值电压调整后输出。

例如，霍尔曲轴和凸轮轴的频率信号由单片机直接产生，经过高速磁耦隔离芯片隔离后，再由末级推挽晶体管放大电流驱动输出，输出电压幅值可通过模式电阻选择5V或12V，以满足各种MCU对输入电压的要求。

请参阅图3，这是本发明发动机转速信号模拟器中的差分转换模块的电路示意图。其中包括四个运算放大器A1～A4，三个电容C1～C3，九个电阻R1～R9，两个二极管D1、D2。其电路结构为：

正弦波形式的曲轴信号从第一运放A1的正输入端输入，第一运放A1的负输入端连接第一运放A1的输出端，第一运放A1的输出端还通过串联的第一电容C1和第一电阻R1连接到第二运放A2的正输入端；

第二运放A2的正输入端还通过第二电阻R2连接到第四运放A4的输出端以及第二二极管D2的输入端，第二运放A2的正输入端还通过串联的第二电阻R2和第五电阻R5连接到第二运放A2的负输入端，第二运放A2的正输入端还通过串联的第二电阻R2和第六电阻R6连接第四运放A4的负输入端，第二运放A2的负输入端通过第三电阻R3连接到第二运放A2的输出端，第二运放A2的输出端连接第一二极管D1的输入端，第二运放A2的输出端还通过第四电阻R4连接到第四运放A4的负输入端，第二运放A2的输出端输出正弦波形式的曲轴信号的差分负信号；

第一二极管D1和第二二极管D2的输出端均通过串联的第七电阻R7和第八电阻R8连接到第三运放A3的负输入端，第一二极管D1和第二二极管D2的输出端还均通过串联的第七电阻R7和第二电容C2接地；

第三运放A3的正输入端接地，第三运放A3的负输入端通过第三电容C3连接到第三运放A3的输出端，第三运放A3的负输入端还通过并联的第九电阻R9和第三电容C3连接到第三运放A3的输出端，第三运放A3的输出端连接到第四运放A4的正输入端；

第四运放A4的输出端输出正弦波形式的曲轴信号的差分正信号。

图3所示的差分转换模块的实现原理如下：第一运放A1为电压跟随器，模拟正弦波信号输入到第一运放A1的正输入端，输出端经第一电容C1隔离直流，第二运放A2和第四运放A4共同组成交叉耦合运算放大器，单端模拟正弦波信号进入第二运放A2的正输入端，第三电阻R3为第二运放A2的负反馈电阻，第六电阻R6为第四运放A4的负反馈电阻，第一电阻R1、第二电阻R2共同组成了闭环增益控制，为了实现对称电路，第二运放A2的输出信号由第四电阻R4输入到第四运放A4的负输入端，第四运放A4的输出信号由第五电阻R5输入到第二运放A2的负输入端，使各输出还作为单位增益反相器的互相驱动，从而使两路输出波形、幅度相等，相位相差180°的模拟正弦波信号。输出的模拟正弦波信号经过第一二极管D1和第二二极管D2整流，再通过由第七电阻R7和第二电容C2构成的积分电路，将输出的模拟正弦波的幅宽转换成相应的电压，再通过第三运放A3构成的积分运算放大器放大，其中第八电阻R8、第九电阻R9为放大器的闭环增益控制，第三电容C3为交流负反馈，输出的模拟正弦波幅偏电压再反馈给第四运放A4的正输入端，此电压设定了输出模拟正弦波的共模电压。

请参阅图2，这是本发明发动机转速信号模拟器在模拟磁电式速度传感器的输出信号，其中三个信号自上而下分别是曲轴正信号、曲轴负信号、凸轮轴信号。其中的一对曲轴差分信号为正弦波，输出的频率可以通过驱动模块中的放大推动电路调节，调节范围为20Hz～3KHz、幅度随着频率的变化而变化，幅值的变化范围为2～40V（峰-峰值）。凸轮轴信号为方波信号，输出幅值为5V或12V（可以通过驱动模块中的推挽输出电路的跳线选择），并且可以实现输出模式切换，共有三种模式：单齿、6+1齿、4+1齿。

请参阅图4，这是本发明发动机转速信号模拟器的外观示意图。左侧是显示屏，右侧是按键。显示屏中具体显示有：凸轮轴信号的输出模式（CamMode）；曲轴信号的输出频率（Crank Speed）。显示屏上同时显示轮速信号（Wheel Speed）；车速信号（Vehicle Speed）；进气流量（Air Flow）；进气温度（Air Temp（19Hz））。按键包括：模式选择（Mode）、频率增加（Up）和频率减少（Down）。长按模式选择（Mode）按键3秒，将切换模拟方式，同时显示屏显示相应的输出方式。

本发明发动机转速信号模拟器设计为具有一定的抗干扰能力，输出的模拟曲轴信号（正弦波信号）采用线性光耦隔离，其他的数字频率信号（方波信号）采用高速磁耦隔离措施，所以其电源电路采用了DC-DC（直流-直流）电源，使控制和输出完全隔离，保证本发明所述模拟器装置在恶劣的电磁环境中能长期正常稳定工作。

Claims (2)

1.一种发动机转速信号模拟器，其特征是，所述发动机转速信号模拟器包括直流电源、微控制器、显示屏、按键、隔离模块、差分转换模块和驱动模块；

所述直流电源为微控制器、显示屏、按键、隔离模块、差分转换模块和驱动模块供电；

所述微控制器输出曲轴信号和凸轮轴信号；

所述显示屏实时显示发动机转速信号模拟器的模拟方式、当前曲轴信号的输出频率，凸轮轴信号的输出模式；

所述按键供用户选择是模拟霍尔式速度传感器，或是模拟磁电式速度传感器；

当用户通过按键选择模拟霍尔式速度传感器，则所述微控制器输出正弦波形式的曲轴信号和方波形式的凸轮轴信号；此时，

——所述隔离模块对所述正弦波形式的曲轴信号进行线性光耦隔离，对所述方波形式的凸轮轴信号进行磁耦隔离；

——所述差分转换模块将所述正弦波形式的曲轴信号转换为正弦波形式的一对差分曲轴信号；

——所述驱动模块将所述正弦波形式的一对差分曲轴信号的峰-峰幅值调整后输出，还将所述方波形式的凸轮轴信号的幅值电压调整后输出；

当用户通过按键选择模拟磁电式速度传感器，则所述微控制器输出方波形式的曲轴信号和方波形式的凸轮轴信号；此时，

——所述隔离模块对所述方波形式的曲轴信号和凸轮轴信号进行磁耦隔离；

——所述驱动模块将所述方波形式的曲轴信号和凸轮轴信号的幅值电压调整后输出。

2.根据权利要求1所述的发动机转速信号模拟器，其特征是，所述差分转换模块包括四个运算放大器，三个电容，九个电阻，两个二极管：

正弦波形式的曲轴信号从第一运放的正输入端输入，第一运放的负输入端连接第一运放的输出端，第一运放的输出端还通过串联的第一电容和第一电阻连接到第二运放的正输入端；

第二运放的正输入端还通过第二电阻连接到第四运放的输出端以及第二二极管的输入端，第二运放的正输入端还通过串联的第二电阻和第五电阻连接到第二运放的负输入端，第二运放的正输入端还通过串联的第二电阻和第六电阻连接第四运放的负输入端，第二运放的负输入端通过第三电阻连接到第二运放的输出端，第二运放的输出端连接第一二极管的输入端，第二运放的输出端还通过第四电阻连接到第四运放的负输入端，第二运放的输出端输出正弦波形式的曲轴信号的差分负信号；

第一二极管和第二二极管的输出端均通过串联的第七电阻R7和第八电阻连接到第三运放的负输入端，第一二极管和第二二极管的输出端还均通过串联的第七电阻和第二电容接地；

第三运放的正输入端接地，第三运放的负输入端通过第三电容连接到第三运放的输出端，第三运放的负输入端还通过并联的第九电阻和第三电容连接到第三运放的输出端，第三运放的输出端连接到第四运放的正输入端；

第四运放的输出端输出正弦波形式的曲轴信号的差分正信号。

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