PIC單片機(jī)在摩托車用點(diǎn)火系統(tǒng)中的運(yùn)用

摘要 數(shù)字點(diǎn)火方式具有適時(shí)性好、響應(yīng)快、控制點(diǎn)火時(shí)刻更精確等優(yōu)點(diǎn)。用PIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)火提前角的控制，可靈活調(diào)整提前角度，從而使發(fā)動機(jī)在各種工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能達(dá)到在最佳時(shí)刻點(diǎn)火，展現(xiàn)發(fā)動機(jī)最佳性能，實(shí)現(xiàn)提前角的數(shù)字化控制。

目前控制點(diǎn)火角使用最多的是非接觸式電容放電點(diǎn)火系統(tǒng)和非接觸式晶體管點(diǎn)火系統(tǒng)。然而常規(guī)的模擬式電子點(diǎn)火系統(tǒng)，即使在已經(jīng)獲得最佳點(diǎn)火角變化規(guī)律時(shí)，由于反應(yīng)不靈敏及其他固有缺陷，仍難以按此規(guī)律作出準(zhǔn)確的點(diǎn)火角控制。文中提出了由智能芯片(MCU)控制的數(shù)字化點(diǎn)火系統(tǒng)。數(shù)字式點(diǎn)火器可充分發(fā)揮軟件的強(qiáng)大功能，精確地控制點(diǎn)火提前角，使發(fā)動機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下精確地達(dá)到最佳點(diǎn)火。

單片機(jī)選用PIC16F877芯片，它屬于閃存式(Flash)單芯片，可以重復(fù)擦寫，其ROM的容量總共是8 kB。PIC單片機(jī)指令集的一大特點(diǎn)是均為單字節(jié)指令，這個(gè)特點(diǎn)有利于抗干擾，且具有工業(yè)級的芯片特性和較低廉的價(jià)格，故選它作為摩托車發(fā)動機(jī)機(jī)點(diǎn)火提前角的控制單片機(jī)。

1 點(diǎn)火系統(tǒng)工作原理

首先，由速度傳感器在磁電機(jī)上采集速度信號，送入處理、整形電路，最終送給PIC單片機(jī)。PIC單片機(jī)經(jīng)過軟件運(yùn)算處理，啟動點(diǎn)火電路，由磁電機(jī)充電線圈提供點(diǎn)火所需的電壓，最終使發(fā)動機(jī)在最佳時(shí)刻完成點(diǎn)火動作。

傳感電路是整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，包括傳感器信號采集電路和信號處理電路。目前，普通的摩托車點(diǎn)火系統(tǒng)，一般只有發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器主要使用的是磁電機(jī)點(diǎn)火觸發(fā)線圈。磁電機(jī)點(diǎn)火觸發(fā)線圈通過磁電機(jī)磁缸上的凸臺切割點(diǎn)時(shí)會觸發(fā)線圈磁場，從而在線圈上感應(yīng)出脈沖電流。當(dāng)磁電機(jī)點(diǎn)火觸發(fā)線圈通過凸臺前沿感應(yīng)線圈時(shí)，線圈產(chǎn)生一個(gè)正脈沖;當(dāng)磁電機(jī)點(diǎn)火觸發(fā)線圈通過凸臺后沿感應(yīng)線圈時(shí)，線圈產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖。

這種采用磁電機(jī)點(diǎn)火觸發(fā)線圈方式存在的問題是：點(diǎn)火響應(yīng)時(shí)間不準(zhǔn)，提前、遲緩引起的誤差較大，而且存在易被干擾等缺陷。

磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號中能分離出較好的正脈沖信號，正脈沖信號經(jīng)過光耦隔離后，信號還會夾雜有干擾，需要再經(jīng)過RC濾波電路處理。從而可得到滿足單片機(jī)端口要求的方波信號，將方波信號送入單片機(jī)的CCP模塊進(jìn)行信號捕捉，計(jì)算兩個(gè)正脈沖上升沿之間的時(shí)間差，從而可以作為區(qū)分轉(zhuǎn)速信號的依據(jù)。CCP是PIC單片機(jī)“輸入捕捉輸出比較脈寬調(diào)制”功能的簡稱。文中只使用捕捉功能，用于測量引腳輸入的周期方波信號的周期、頻率和占空比等，也可用于測量引腳輸入的非周期性方波脈沖信號的到達(dá)或消失時(shí)刻等參數(shù)。

2 對發(fā)動機(jī)負(fù)荷的測量

發(fā)動機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，最佳點(diǎn)火角也會發(fā)生相應(yīng)變化。負(fù)荷會通過節(jié)氣門開度表現(xiàn)出來，所以通過采用節(jié)氣門位置傳感器就可以測量發(fā)動機(jī)負(fù)荷的變化。

模擬式節(jié)氣門位置傳感器(TPS)是一個(gè)變電阻式傳感器。節(jié)氣門位置傳感器在節(jié)氣門關(guān)閉時(shí)會產(chǎn)生約1 V的電壓，在全開時(shí)產(chǎn)生約5 V的電壓。對此電壓信號經(jīng)過限流、濾波、整形后，送入PIC單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊。以此獲得用不同電壓來測量當(dāng)時(shí)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷。

通過大量的試驗(yàn)取得轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)負(fù)荷以及最佳點(diǎn)火提前角關(guān)系的數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)制表進(jìn)行軟件編程寫入PIC單片機(jī)，在發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)PIC單片機(jī)可以在最佳的時(shí)刻點(diǎn)火，發(fā)動機(jī)有最佳的性能表現(xiàn)。

3 單片機(jī)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)為高集成度智能處理芯片，外圍電路較為簡單，主要有：晶振電路、按鍵電路、指示燈電路、節(jié)氣門傳感電路等。

軟件主程序及中斷程序的設(shè)計(jì)思路以及程序流程基本是按前述信號處理流程來處理的。輸入RA1口按鍵電路是讓單片機(jī)識別不同按鍵按下時(shí)產(chǎn)生的不同電壓來進(jìn)行狀態(tài)選擇。在測量中主要是單片機(jī)按照預(yù)先制定的程序自行調(diào)整點(diǎn)火角的提前量。但影響點(diǎn)火提前的因素較多，希望找到最符合發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性的提前角曲線。因此不考慮其它因素，僅通過調(diào)整提前角尋找最佳點(diǎn)火點(diǎn)是很方便的。

中斷服務(wù)子程序用來判斷是否捕捉到了連續(xù)兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間差。因?yàn)閮?nèi)部時(shí)鐘與PIC單片機(jī)的時(shí)鐘周期及對定時(shí)器的分頻比設(shè)定等均有關(guān)系，因此得到的值不完全等于實(shí)際時(shí)間。表1是單片機(jī)測量到的時(shí)間與實(shí)際轉(zhuǎn)速。

從表1可知，時(shí)差隨轉(zhuǎn)速的上升而下降，且下降的速度不同，低速和高速時(shí)變化較快，中速階段變化較慢。而這些值也成為單片機(jī)識別磁電機(jī)轉(zhuǎn)速的依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速下自動選擇不同點(diǎn)火提前角。

4 對抗干擾的研究

在車輛上，電磁干擾的主要來源是電機(jī)干擾源、點(diǎn)火線圈干擾源、高壓導(dǎo)線干擾源、繼電器和其他開關(guān)設(shè)備等干擾源。影響車載設(shè)備的主要干擾來自車用電源耦合的電磁干擾和汽車電子系統(tǒng)輻射的空間電磁干擾。對于空間電磁干擾，用一個(gè)屏蔽罩將整個(gè)電路系統(tǒng)封閉，減小了輻射干擾。屏蔽結(jié)構(gòu)要盡量減少不必要的開孔、縫隙及尖端突出物，以避免泄露。屏蔽體與設(shè)備之間要保持一定距離，否則會損耗大量有功能量，減低設(shè)備的功率，而達(dá)不到屏蔽應(yīng)有的效果。

干擾對單片機(jī)系統(tǒng)最常見的影響是程序運(yùn)行異常。干擾使單片機(jī)的PC值到了未使用的地址空間而進(jìn)行毫無意義的運(yùn)行，即“跑飛”或者程序雖然在正常的地址空間運(yùn)行，但干擾使程序跳轉(zhuǎn)到本不應(yīng)去的地方運(yùn)行或進(jìn)入“死循環(huán)”。為此，在程序中加入“軟件監(jiān)控”，對程序進(jìn)行攔截，使“跑飛”的程序在程序區(qū)迅速重回正軌，應(yīng)多用單字節(jié)指令，并在若干關(guān)鍵處有意插入多個(gè)單字節(jié)指令NOP或?qū)Τ绦蛄飨蚱鹬匾饔玫闹噶?JC、JNC、LJMP、RET等)重復(fù)編寫以保證這些指令的執(zhí)行，這被稱為指令冗余技術(shù)，也可使用單片機(jī)自帶的看門狗。

5 結(jié)束語

該點(diǎn)火器滿足了摩托車從低速到高速全工況點(diǎn)火提前角要求，增加了控制的靈活性。同時(shí)可控制點(diǎn)火提前角精度在1℃以下，并可通過按鍵手動調(diào)整。PIC單片機(jī)價(jià)格低、功能強(qiáng)，非常適用于工業(yè)控制。通過編程利用其內(nèi)部功能可簡化外圍電路，使測試設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。同時(shí)它的可編程特性，更增加了靈活性，為今后的功能擴(kuò)展提供了可能。