專利名稱：機(jī)動車點(diǎn)火控制的數(shù)字化方法及其電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬機(jī)動車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火控制的數(shù)字化方法及電路當(dāng)前，較先進(jìn)的摩托車或汽車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)，都采用CDI方式。而CDI方式需要一套輔助電子線路來進(jìn)行點(diǎn)火進(jìn)角的控制，摩托車點(diǎn)火控制原理可簡釋為

圖1。
發(fā)動機(jī)每周通過電磁感應(yīng)的方式反饋一正一負(fù)兩個脈沖PP和PN，這兩個脈沖間相差的圓周角是固定的，記為β。發(fā)出點(diǎn)火脈沖的位置在θ處。θ即進(jìn)角，也稱提前角。車輛正常行使時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約每分鐘幾百轉(zhuǎn)到一萬轉(zhuǎn)，點(diǎn)火位置并非象早期非CDI系統(tǒng)那樣一成不變，而是通過大量測試數(shù)據(jù)總結(jié)出一組對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速的最佳點(diǎn)火點(diǎn)。這也就是“可變進(jìn)角”一名的由來。汽車點(diǎn)火幾乎是類似的，只不過僅有一PI輸入脈沖，PI的上升沿對應(yīng)于摩托車的PP，而PI的下降沿則對應(yīng)于摩托車點(diǎn)火的PN。典型的提前角與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線見圖2。
它的規(guī)律是，在轉(zhuǎn)速高于Vhigh時，提前角θ就是正脈沖PP的角度，即提前量不小于PP；在Vhigh到Vlow的中間轉(zhuǎn)速段，θ隨轉(zhuǎn)速提高而提高，一般取線性關(guān)系；轉(zhuǎn)速低于Vlow時，θ總是等于PN的度數(shù)，即提前量不超過PN。最早的電路是由純分立元件構(gòu)成的，體積大，可靠性也差。稍后推出的模擬集成電路，需十幾個外圍阻容元件方可構(gòu)成CDI系統(tǒng)，該電路存在著明顯的不足之處。首先，其中間轉(zhuǎn)速段的曲線由阻容定時得到，要取得較高的精度，就得使用高精度的元器件，這無疑抬高了成本；而且，這樣的電路需要大量的人工來完成測試工作，據(jù)報道，測一塊電路板需1個工人超過1分鐘的時間。所以，以數(shù)字電路可以是專用集成電路或者微處理器來完成這項工作，有著明顯的優(yōu)勢。
本發(fā)明的目的是設(shè)計機(jī)動車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火控制數(shù)字化的方法及其電路，從而提供體積小、精度高、效率高、成本低的機(jī)動車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)。
本發(fā)明將這一問題數(shù)學(xué)化，把提前角θ與轉(zhuǎn)速的關(guān)系映射成提前時間與轉(zhuǎn)動周期T的關(guān)系，這樣需考慮的只有電路能處理和實(shí)現(xiàn)的時間量了。又因?yàn)樘崆敖遣豢赡苄∮赑P，亦即提前點(diǎn)火點(diǎn)總是在PP到來后才出現(xiàn)，故把提前時間轉(zhuǎn)化為點(diǎn)火點(diǎn)相對PP的延遲時間td更加方便。容易發(fā)現(xiàn)圖3所示的td-T關(guān)系。
在中間周期段，td是線性上升的。到此為止，數(shù)字電路需實(shí)現(xiàn)的功能已經(jīng)清楚了，可概述為由輸入脈沖PP或PN測量出轉(zhuǎn)動周期T，若T小于Tmin，則延遲時間td為0；T大于Tmin后，按一固定的斜率K來累積td，直至T超過Tmax。這里，K定義為K=Tmax-Tmintdmax---(1)]]>算得的td便可投入使用，當(dāng)td倒計數(shù)至0時，就到了輸出點(diǎn)火脈沖的時間了。實(shí)際上，對于每一周，都同時存在測周期和td倒計數(shù)兩個過程，本周所用的td在上一周算出。圖4分別描繪了摩托車和汽車的三種情況。摩托車輸出的是單脈沖；而汽車輸出的是類似于輸入的寬脈沖。
0到Tmin這段，因td不計數(shù)，故只需一簡單的倒計數(shù)計數(shù)器來檢查Tmin是否已到達(dá)。初始時，該預(yù)計數(shù)計數(shù)器PreCounter置入代表Tmin的預(yù)置值。在隨后的倒計數(shù)過程中，不斷考察PreCounter的計數(shù)值QPreCounter是否有QPreCounter=0(2)若滿足，則進(jìn)入Tmin～Tmax段。在這一段中，如圖3所示，需隨著時間的推進(jìn)，不斷累積td。這實(shí)際上是一個除法過程，要求用電路擬合出圖3中Tmin至Tmax間的斜線，亦即解決T每增加多少個單位、td累積1個單位這樣一個問題，如(3)式K=ΔTΔtd---(3)]]>而多數(shù)情況下，k并非整數(shù)。故本發(fā)明將使用小數(shù)除法。設(shè)x是正比于ΔT的量，y是正比于Δtd的量，則問題歸結(jié)為式(4)、(5)y=xΙ+FB---(4)]]>K=Ι+FB---(5)]]>
其中，x＞y，即k＞1?？梢赃M(jìn)一步設(shè)定x、y是整數(shù)，而k可以含小數(shù)。I、F、B都是整數(shù)，I表示除數(shù)K的整數(shù)部分；F/B則組成小數(shù)部分，F(xiàn)＜B。不妨令B取2的冪以便數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。初始時整數(shù)計數(shù)器ICounter(減計數(shù))置入I，小數(shù)計數(shù)器FCounter(減計數(shù))置入F。整數(shù)計數(shù)器ICounter每次溢出都將使自己重置，重置若不作延遲，ICounter計數(shù)周期是I，延遲一拍則是I+1。當(dāng)基數(shù)計數(shù)器BCounter(正向計數(shù))溢出時，總共做了B次以I或I+1為周期的計數(shù)。這B次中，前F次因FCounter未計到零而選擇ICounter的計數(shù)周期為I+1；FCounter計至零后，ICounter余下的B-F次計數(shù)都將以I為周期進(jìn)行。因此，共計(I+1)F+I(B-F)個x單位；這段時間內(nèi)y正好對應(yīng)增加了B個單位。即，xy=(Ι+1)F+Ι(B-F)B=IB+FB---(6)]]>y=xIB+FB=xΙ+FB---(7)]]>如果將基數(shù)計數(shù)器的進(jìn)位端再反饋回初始端，那本電路就能重復(fù)工作，從而實(shí)現(xiàn)y=xK]]>的計算。每當(dāng)y產(chǎn)生增量時，假若此時x在累積上存在偏差，就會導(dǎo)致這個y有一誤差Δy。由(6)式可知，只需考察y從0增加到B這一個區(qū)間內(nèi)y每一步的誤差
顯然，y=0時的Δy是0，而|Δy|將先隨y增大而增大，直到達(dá)到最大誤差|Δy|max=|F-F(Ι+1)K|---(9)]]>后，才開始逐漸減小。最大誤差出現(xiàn)在y=F處。若ICounter先以I+1為周期進(jìn)行計數(shù)，則Δy為負(fù)；反之若先以I為周期進(jìn)行計數(shù)，則Δy為正。圖5是先以I+1作周期來計數(shù)的。參照圖5，并進(jìn)一步考察式(8)，易得
這表明y由0增長時，誤差的絕對值先是線性增加，到達(dá)(9)式的極值后，再線性減小。從中還能歸納出，Δy的絕對值及其極值是隨I的增大而減小的。
摩托車點(diǎn)火電路結(jié)構(gòu)見系統(tǒng)框6。正脈沖PP(1)整形后用于周期計量。先是一段預(yù)計數(shù)(2)，對應(yīng)于周期低端，在圖3中就是td等于0的水平段；隨后按一斜率k對延遲時間進(jìn)行計數(shù)(3)，即T平均每增加k,td增加1。與此同時，PP又是每一次td倒計數(shù)的觸發(fā)信號。PP一來，便開始對上一周期內(nèi)算得的td倒計數(shù)(4)，一旦計到0，便輸出點(diǎn)火脈沖PO。顯然，若td等于0，即上一周的周期小于Tmin，則立即輸出PO(6)，如圖4(a)的上圖。假如td尚未倒計至0,PN脈沖(5)卻先到了，這說明T大于了Tmax，于是PN觸發(fā)輸出點(diǎn)火脈沖，這與圖4(a)中的下圖相吻合。
系統(tǒng)的主要功能模塊有(一)脈沖整形電路。
起去除輸入干擾的作用。它以系統(tǒng)時鐘頻率連續(xù)采樣輸入PP和PN，只有當(dāng)PP連續(xù)m個輸入采樣值都為“1”時，輸出PPm才為“1”；否則輸出總是“0”。也只有當(dāng)PN連續(xù)m個輸入采樣值都為“0”時，輸出PNm才為“1”；否則輸出總是“0”。(二)預(yù)計數(shù)電路。
作用是扣除0到Tmin這段，由一個帶預(yù)置的減計數(shù)器PreCounter來實(shí)現(xiàn)。PP輸入脈沖使PreCounter置入初值。PreCounter計數(shù)至零，表明Tmin已到，對td累積計數(shù)器Delayorg(加計數(shù))清零后便開始進(jìn)行td的計算；否則td計算電路處于停止?fàn)顟B(tài)。(三)td計算電路。算法分析中的小數(shù)除法由圖7所示的電路結(jié)構(gòu)來完成。初始態(tài)時，整數(shù)計數(shù)器(15)ICounter(減計數(shù))置入I，小數(shù)計數(shù)器(16)FCounter(減計數(shù))置入F。ICounter的計數(shù)周期可以是I或I+1，這將由2選1開關(guān)(17)Mux來選擇。(18)BCounter是基數(shù)計數(shù)器(加計數(shù))。FCounter還未計至零之前，通過Mux選擇經(jīng)(19)Delay延遲的ICounter進(jìn)位Carry返回ICounter置數(shù)端Load；一旦FCounter計至零，則通過Mux使ICounter的Carry直接返回其Load。基數(shù)計數(shù)器的Carry使該電路回到初始態(tài)，使本電路能周而復(fù)始地工作下去，從而實(shí)現(xiàn)y=xK]]>的計算。每個輸出的y脈沖使Delayorg加1。
如前所述，td的計算和倒計數(shù)是同時進(jìn)行的。每當(dāng)PP來臨，立即把剛算好的td、即Delayorg中的值置入延遲時間倒計數(shù)計數(shù)器Delaynow(減計數(shù))，以便讓Delayorg迎接新的一次td計算。(四)點(diǎn)火脈沖輸出控制電路。
見圖8，這是一個簡單的MOORE型狀態(tài)機(jī)，在陰影狀態(tài)時輸出點(diǎn)火脈沖。輸入的正負(fù)脈沖PP和PN已被預(yù)先整形為正向單脈沖PPm和PNm。上電后，總是先進(jìn)入“點(diǎn)火脈沖清零”(20)狀態(tài)。以后每次有PPm，馬上轉(zhuǎn)入“倒計數(shù)允許”(21)狀態(tài)，開始由Delaynow對上一輪由td計算電路算出的td值倒計數(shù)。此時，系統(tǒng)對兩個條件作判斷，一是td倒計數(shù)是否到零，一是是否有PNm。只要兩個條件有一個發(fā)生，就輸出“點(diǎn)火脈沖計數(shù)允許”(22)狀態(tài)。在“點(diǎn)火脈沖計數(shù)允許”狀態(tài)中，輸出符合一定脈寬要求的脈沖，結(jié)束后回復(fù)到“點(diǎn)火脈沖清零”的初始狀態(tài)。(四)常數(shù)ROM。
為適應(yīng)幾種型號發(fā)動機(jī)的曲線，預(yù)置常數(shù)存放在片內(nèi)ROM中，每組數(shù)據(jù)包括預(yù)計數(shù)常數(shù)、I和F，這3個常數(shù)各自占有一定的bit寬度，如PreCounter常數(shù) ICounter常數(shù)IFCounter常數(shù)F16bit 4bit4bit由管腳指定ROM地址以決定采用哪種發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)?？梢詮腘根管腳選擇2N種數(shù)據(jù)中的一種。例如有2根ROM地址管腳，則數(shù)據(jù)選擇可表示為
ROM地址 選擇的數(shù)據(jù)組號00 001 110 211 3汽車點(diǎn)火電路結(jié)構(gòu)見系統(tǒng)框9，除少數(shù)模塊外基本同摩托車點(diǎn)火電路一致，故只闡述不同部分。(一)脈沖分配(7)、整形電路(8)。
脈沖分配電路檢出輸入寬脈沖PI的邊沿，上升沿對應(yīng)產(chǎn)生PP，下降沿對應(yīng)產(chǎn)生PN(13)。(二)預(yù)計數(shù)電路(9)。(三)td計算電路(10)。每當(dāng)PP來臨，立即把剛算好的td、即Delayorg中的值置入延遲時間倒計數(shù)計數(shù)器(12)Delaynow(減計數(shù))和td暫存寄存器(11)Delaystore，后者即圖9中“延遲寄存”的含義。接下去，Delaynow先計針對PI上升沿的延遲，等PN(13)出現(xiàn)時，該脈沖經(jīng)過脈沖整形電路的整形，控制暫存在Delaystore中的td值再次置入Delaynow計數(shù)器，于是延遲時間倒計數(shù)計數(shù)器開始計針對PI下降沿的延遲。PP、PN經(jīng)整形后的脈沖同時送點(diǎn)火脈沖輸出電路(14)，控制其狀態(tài)的改變，點(diǎn)火脈沖輸出電路在PP后等待延遲時間倒計數(shù)計數(shù)器計至零時，輸出點(diǎn)火脈沖的高電平；在PN后等待延遲時間倒計數(shù)計數(shù)器計至零時，輸出點(diǎn)火脈沖的低電平。(四)點(diǎn)火脈沖輸出(14)控制電路。
見圖10。輸入的正負(fù)脈沖PP和PN已被預(yù)先整形為正向單脈沖PPm和PNm。上電后，總是先進(jìn)入“PO=0”(23)狀態(tài)，輸出PO取低電平。以后每次有PPm，馬上轉(zhuǎn)入“等待1”(24)狀態(tài)，監(jiān)視Delaynow的值。一旦Delaynow計至0，則轉(zhuǎn)入“PO=1”(25)狀態(tài)，輸出PO轉(zhuǎn)為高電平。隨后，若PNm為“1”，進(jìn)入“等待2”(26)狀態(tài)，再次監(jiān)視Delaynow的值。一旦Delaynow計至0，則轉(zhuǎn)回“PO=0”狀態(tài)，輸出PO回到低電平。(四)常數(shù)ROM。
整個電路中所用到的電路元件已列于圖11中。其中，各種門列在圖11(a)，電路圖中門元件頭2個字母表征了門的類型，中間2個數(shù)字表示輸入端數(shù)目，后跟1個字母D，最后1個數(shù)字表征驅(qū)動能力，從1開始，數(shù)字越大驅(qū)動能力越強(qiáng)。cc開頭的是計數(shù)器，列于圖11(b),cc后的數(shù)字及符號表征了該計數(shù)器的功能。f開頭的是觸發(fā)器，列于圖11(c)。
圖12給出了整個電路系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，其中所用到的各種器件上面已經(jīng)描述清楚。
圖1是點(diǎn)火進(jìn)角示意圖。
圖2是提前角與轉(zhuǎn)速關(guān)系。
圖3是延遲時間-周期關(guān)系。
圖4(a)是摩托車點(diǎn)火典型波形圖。
圖4(b)是汽車點(diǎn)火典型波形圖。
圖5是小數(shù)除法原理圖。
圖6是摩托車點(diǎn)火系統(tǒng)框圖。
圖7是摩托車td計算的小數(shù)除法電路。
圖8是摩托車點(diǎn)火脈沖輸出控制狀態(tài)圖。
圖9是汽車點(diǎn)火系統(tǒng)框圖。
圖10是汽車點(diǎn)火脈沖輸出控制狀態(tài)圖。
圖11(a)是本發(fā)明所用門元件。
圖11(b)是本發(fā)明所用計數(shù)器元件。
圖11(c)是本發(fā)明所用觸發(fā)器元件。
圖12(a)是摩托車電路系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。
圖12(b)是汽車電路系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。
圖13是摩托車點(diǎn)火控制系統(tǒng)頂層結(jié)構(gòu)。
圖14是摩托車點(diǎn)火控制系統(tǒng)次頂層結(jié)構(gòu)。
圖15是摩托車點(diǎn)火控制系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)。
圖16是輸入脈沖整形電路。
圖17是當(dāng)前延遲時間倒計數(shù)計數(shù)電路。
圖18是延遲時間累積電路。
圖19是摩托車點(diǎn)火控制系統(tǒng)脈沖輸出電路。
圖20是周期預(yù)計數(shù)電路。
圖21是ROM。
圖22是ROM單元結(jié)構(gòu)。
圖23是汽車點(diǎn)火控制系統(tǒng)頂層結(jié)構(gòu)。
圖24是汽車點(diǎn)火控制系統(tǒng)次頂層結(jié)構(gòu)。
圖25是汽車點(diǎn)火控制系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)。
圖26是汽車點(diǎn)火控制系統(tǒng)脈沖輸出電路。
圖27是汽車點(diǎn)火控制系統(tǒng)延遲時間暫存電路。
圖28是汽車點(diǎn)火控制系統(tǒng)延遲時間暫存電路16位寄存器電路。
圖29是汽車點(diǎn)火控制系統(tǒng)延遲時間暫存電路8位寄存器電路。
圖30是汽車點(diǎn)火控制系統(tǒng)16位2選1開關(guān)。
圖31是汽車點(diǎn)火控制系統(tǒng)16位2選1開關(guān)內(nèi)8位2選1開關(guān)。
本發(fā)明由圖13至圖31的電路圖實(shí)施。
本發(fā)明以數(shù)字電路完成機(jī)動車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)，使現(xiàn)有的模擬電路大為遜色。數(shù)字化電路可以在使用極少量外圍元件的前提下獲得很高的精度，從而大大削減了測試時間。由于本發(fā)明可用專用集成電路或微處理器實(shí)現(xiàn)，因此減小了系統(tǒng)體積，降低了生產(chǎn)成本。由于不需人工完成元器件的測試工作，使系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性得到提高，從而提高了生產(chǎn)效率。因此本發(fā)明是目前先進(jìn)的機(jī)動車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1．一種機(jī)動車點(diǎn)火控制的數(shù)字化方法，其特征在于把點(diǎn)火提前角θ映射成提前時間與轉(zhuǎn)動周期T的關(guān)系，由于點(diǎn)火提前點(diǎn)是在正脈沖PP到來后出現(xiàn)，所以提前時間轉(zhuǎn)化為點(diǎn)火點(diǎn)相對PP的延遲時間td，則延遲時間td與轉(zhuǎn)動周期T的關(guān)系是T小于Tmin,td為零；T大于Tmin，按斜率K累積td，直至T大于Tmax，則K=Tmax-Tmintdmax]]>在Tmin～Tmax段，累積td，是一除法過程，即用電路擬合Tmin～Tmax間的斜線，則K=ΔTΔtd]]>即T增加量，與td累積量的關(guān)系。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動車點(diǎn)火控制的數(shù)字化方法，其特征在于K是非整數(shù)時，用小數(shù)除法，設(shè)x是正比于ΔT的量，y是正比于Δtd的量，則y=xΙ+FB]]>K=Ι+FB]]>
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)動車點(diǎn)火控制的數(shù)字化方法，其特征在于初始時整數(shù)計數(shù)器置入I，小數(shù)計數(shù)器置入F，基數(shù)計數(shù)器置入B，整數(shù)計數(shù)器計數(shù)周期是I，則xy=(Ι+1)F+Ι(B-F)B=IB+FB]]>y=xIB+FB=xΙ+FB]]>其中I延遲一拍是I+1,B正向計數(shù)溢出時是B次以I或I+1為周期的計數(shù)，當(dāng)F未計到零時計數(shù)周期是I+1，計到零后，以I為周期。
4．一種摩托車點(diǎn)火控制數(shù)字化電路結(jié)構(gòu)，其特征在于正脈沖PP整形(1)后即進(jìn)入周期預(yù)計數(shù)(2)，然后按斜率K對延遲量計算(3)，正脈沖PP同時啟動每一次td倒計數(shù)(4),td等于零，則點(diǎn)火脈沖PO(6)輸出，td未倒計至零，負(fù)脈沖PN(5)先到，則點(diǎn)火脈沖PO輸出。
5．一種汽車點(diǎn)火控制數(shù)字化電路結(jié)構(gòu)，其特征在于脈沖PI先行脈沖分配(7)，正脈沖PP進(jìn)入脈沖整形(8)，負(fù)脈沖PN進(jìn)入脈沖整形(13)；經(jīng)整形的PP和PN控制點(diǎn)火脈沖輸出(14)的狀態(tài)；正脈沖后進(jìn)行周期預(yù)計數(shù)(9)，延遲量計算(10)，將計算好的td置入延遲時間倒計數(shù)計數(shù)器(12)和暫存寄存器(11)，延遲時間倒計數(shù)計數(shù)器先計PI上升沿的延遲，等PN出現(xiàn)，暫存寄存器的值再次置入延遲時間倒計數(shù)計數(shù)器，計PI下降沿的延遲，點(diǎn)火脈沖輸出電路在PP后等待延遲時間倒計數(shù)計數(shù)器計至零時，輸出點(diǎn)火脈沖的高電平；在PN后等待延遲時間倒計數(shù)計數(shù)器計至零時，輸出點(diǎn)火脈沖的低電平。
6．根據(jù)權(quán)利要求4所述的摩托車點(diǎn)火控制數(shù)字化電路，其特征在于系統(tǒng)的主要功能模塊是脈沖整形電路、預(yù)計數(shù)電路、td計算電路、點(diǎn)火脈沖輸出控制電路和常數(shù)ROM；其中預(yù)計數(shù)電路是一個帶預(yù)置的減計數(shù)器，常數(shù)ROM中存預(yù)置常數(shù)，每組數(shù)據(jù)包括預(yù)計數(shù)常數(shù)、I和F，并占有寬度，由管腳指定ROM地址決定所采用的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)。
7．根據(jù)權(quán)利要求5所述的汽車點(diǎn)火控制數(shù)字化電路，其特征在于系統(tǒng)的主要功能模塊是脈沖分配、整形電路、預(yù)計數(shù)電路、td計算電路、點(diǎn)火脈沖輸出控制電路和常數(shù)ROM。
全文摘要
本發(fā)明是機(jī)動車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火控制數(shù)字方法及其電路系統(tǒng)?，F(xiàn)有技術(shù)的模擬電路,外圍元器件多、成本高,且需人工測試。本發(fā)明將點(diǎn)火提前角與轉(zhuǎn)速映射成提前時間于轉(zhuǎn)動周期的關(guān)系,將兩者關(guān)系數(shù)字化,呈:
文檔編號F02P5/15GK1211684SQ9811086
公開日1999年3月24日 申請日期1998年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月18日
發(fā)明者莫凡, 俞軍, 汪根榮 申請人:復(fù)旦大學(xué)