摘 要

曲轴传感器是汽车点火控制系统的重要组成部分，它可以提供发动机的曲轴转角信息，从而让汽车对点火正时达到精确地控制，所以传感器信号的好坏会直接关系到点火系统的控制精确度，因此，对曲轴传感器的测试研究也就十分重要了。

为研究曲轴位置传感器信号的品质，本文介绍了针对不同类型传感器的精度问题，选用精密度极佳的光电式曲轴位置传感器和普通曲轴位置传感器，分别测试两个传感器的输出信号并进行对比分析，以此来确定传感器的性能。该测试系统的设计是基于上位机为硬件系统和下位机为软件系统的架构而展开的，下位机采用单片机的AD转换功能对传感器信号进行采集，再通过串口通信功能将数据传输到上位机；上位机采用虚拟仪器技术做软件界面设计，由LabVIEW的NI-VISA驱动从串口读取数据并进行显示、保存和查询等。

设计结果表明：测试系统实现了软硬件结合，将传感器信号完成从采集到传输，再到显示、分析以及保存等过程的测控技术目标，为曲轴位置传感器提供一个良好的测试平台。不过也从中发现了系统存在采样频率较低和信号分析能力较弱等问题，这些方面还可以进一步优化，以达到设计运用到实际中传感器测试的目标。

关键词： 汽车点火系统；曲轴传感器；信号采集；串口通信

Abstract

Crankshaft sensor is an important part of automobile ignition control system. It can provide information of crankshaft rotation angle of engine, so that automobile can accurately control ignition timing. So the quality of sensor signal will directly affect the control accuracy of ignition system. Therefore, it is very important to test and study crankshaft sensor.

In order to study the signal quality of crankshaft position sensor, this paper introduces the selection of optoelectronic crankshaft position sensor with excellent precision and common crankshaft position sensor. The output signals of the two sensors are tested and compared, so as to determine the performance of the sensor. The design of the test system is based on the architecture of hardware system and software system of the upper computer. The lower computer collects the sensor signal by the AD conversion function of the single chip computer, and then transmits the data to the upper computer by serial communication function. The upper computer uses virtual instrument technology to design the software interface, and reads the data from the serial port in parallel driven by the NI-VISA of LabVIEW. Row display, save, query, etc.

The design results show that the test system achieves the combination of hardware and software, completes the measurement and control technology target of sensor signal from acquisition to transmission, then to display, analysis and preservation, and provides a good test platform for crankshaft position sensor. However, it is also found that the system has some problems, such as low sampling frequency and weak signal analysis ability. These aspects can be further optimized in order to achieve the goal of design and application in actual sensor testing.

Key Words：Automotive ignition system; Crankshaft sensor; Signal acquisition; Serial port communication

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容说明 3

第2章 方案论证和选择 4

2.1 传感器的特性及选择 4

2.2 上位机和下位机方案选择 6

2.3 系统总体架构 6

第3章 硬件电路和系统设计 8

3.1 信号调理电路设计 8

3.2 AD转换电路 9

3.3 单片机串口通信 10

3.4 硬件系统总体电路 10

第4章 软件系统设计 12

4.1 单片机程序设计 13

4.1.1 采集程序 13

4.1.2 单片机位机串口程序 13

4.2 上位机程序设计 14

4.2.1 NI-VISA驱动 14

4.2.2 上位机串口通信 16

4.3 数据库操作模块 17

第5章 系统调试与结果分析 18

5.1 下位机调试与分析 18

5.2 上位机调试与分析 19

5.2.1 数据采集模块 19

5.2.2 数据处理模块 20

5.2.3 数据查询模块 21

第6章 总结和展望 23

6.1 全文总结 23

6.2 展望 23

参考文献 24

致谢 25

绪论

1.1 研究背景及意义

汽车是当今社会不可或缺的交通工具之一，随着汽车领域电子技术的飞速发展，完整的汽车控制系统也越来越精确和复杂。汽车的控制系统由汽车传感器、中央控制器和机械执行器构成，通过传感器测量各种系统不能直接识别的物理信息后转化成数字或模拟信号发送到控制器进行处理、运算以及决策等，再将结果传到执行器进行相关操作以完成整个控制系统。

汽车控制系统中的点火系统需要知道发动机气缸的位置以及活塞上止点，才能对燃油喷射和火花点火的正确时间进行精确的控制，而能完成这项工作的传感器是安装在发动机曲轴信号轮处的曲轴位置传感器，通过它来测量曲轴的转角，另外由与之原理类似的凸轮轴传感器测量曲轴的相位，将两者信息合在一起就可以确定曲轴的位置信息了。因此，曲轴和凸轮轴传感器信号的优劣直接影响到发动机控制系统的整体性能，同时也间接影响到发动机的运行状况和汽车的安全驾驶以及节能环保等问题。

而随着汽车控制系统技术的提高，在汽车电子控制单元（ECU）的研发过程中，其控制系统的精确度是汽车安全行驶和环保出行的重要衡量条件之一，而衡量系统精确的条件就是传感器的质量以及使用的数量。所以现在对传感器的性能要求也更加严格，包括传感器的种类选择、测量范围和测量精度等。一个优良的传感器可为整个控制系统提供必备的信息基础，而检测传感器性能最好的办法就是测量其输出信号的品质，可以通过采用更加精密的传感器信号进行对比分析，从中得出被检测传感器的性能，以此想法为传感器生产中的品质检测提供良好的方案设计思路。

本课题研究的意义在于：曲轴位置传感器是汽车控制系统中最重要的传感器之一，其测量信号可以让汽车电子控制系统知道发动机活塞上止点、曲轴的转角和发动机转动速度等相关信息，并通过这些信息来确定发动机的喷油正时和点火正时。所以，一旦传感器出现了问题，信号不能正确传输到电子控制单元中，就可能会导致发动机出现点火故障，汽车也将无法运行。因此，曲轴传感器的质量是保证安全驾驶的前提，对曲轴传感器测试研究的意义也就十分重大。本文通过介绍采集不同类型曲轴位置传感器的输出信号，并进行对比分析，以此来确定的传感器的品质，在传感器生产检测和汽车选择用传感器时起到一定的参考作用。

1.2 国内外研究现状

国外早在20世纪60年代，汽车传感器就被运用到汽车系统中，但那时候的传感器种类稀少，且功能也比较单一且存在较大的缺陷，其只包括油压传感器、温度传感器等一些汽车常用传感器，然后和一些简单的指示灯或者其他显示装置连接，实现最早的从测量到显示的简陋汽车测量系统。直到进入70年代，为了解决尾气排放和燃油经济性等问题，需要引进一些传感器助力于汽车发动机系统，曲轴位置传感器便是在这个时候被研发出来应用于点火装置和喷油装置。

当今，随着汽车电子技术的快速发展，为适应汽车控制系统的高精度性、多功能性和高智能性等要求，传统的机械式传感器已不再适用，因此各式各样的传感器相继被发明出来并被用于汽车控制系统中。而曲轴传位置感器作为其中最重要的一类传感器之一，其种类也变得复杂，功能也大大增强了不少，同时也在朝着集成化、微型化等方面发展。不过随着汽车传感器产业的发展，逐渐形成了一系列的传感器配套生产技术水平，这些传感器零部件生产技术也就被一些发达国家的汽车公司所掌握，甚至垄断，其中就包括德国的西门子、美国的德尔福、日本的电装等。

伴随传感器的诞生与发展，对其相关测控技术的研究也逐步成为了趋势。很早之前奥地利的AVL公司就开发了发动机传感器测试台系统，该系统将传感器测试台和测控技术揉合在一起，完成机械调节、数据分析和参数管理等功能。后来，西门子威迪欧汽车电子有限公司（SVCC）选择另外一种测量方法，基于虚拟仪器技术研发出汽车传感器测试系统，该测试系统能同时实现两种不同型号传感器的静态和动态性能参数的测试^[1][1]。此外，还有不少公司也研究出比较完整的测试台系统，不仅能很好地测量出曲轴传感器的信号精度，同时还能够通过实验测量出影响传感器的信号精度的因素，基本完善了曲轴位置传感器的测试系统。

相比于国外的研究发展，国内的技术水平则要落后很多，在国外开始使用汽车传感器之后近20年，国内才开始步入这一领域，而且发展速度还很慢。由于汽车传感器核心技术都掌握在发达国家汽车公司中，很多国内汽车公司为满足一些车辆要求，不得不从国外进口很多传感器零部件。在这样的情况下，国内汽车传感器产业发展十分缓慢，对于曲轴位置传感器的研究与测试的步伐更是难以取得太好的进展。

不过随着目前汽车产量的日益增多，加上环保问题的重视程度也越发加深，汽车传感器产业的发展也得到了重视，国内一些汽车公司通过与外国汽车公司合资的方式，逐渐掌握一些技术，实现一些汽车传感器部件的生产与研究。2006年之后，博世系统的相关位置传感器开始实现国产化^[2][2]。传感器生产技术水平的提高，也带动了对发动机传感器的测控技术进行研究与开发。如今发动机内的曲轴位置传感器普遍存在的问题就是信号精度较差、影响因素较多以及适应测量环境能力较差等。因此针对这些问题，中国科学院光电技术研究所的范永坤依据汽车发动机传感器输出信号的特性，设计出了传感器测试电路，中北大学的车辆与动力工程院也开发出了汽车发动机传感器综合分析仪器[1]。这些研究成果极大的推动了国内汽车领域的传感器技术、控制技术和制造技术等方面的发展，虽然国内的技术水平还比较落后，但一些厂商也引进了一些国外的先进技术，配合自己原有的基础，加以改进和创造，自主研发了一些传感器自动检测技术，为今后更深入的探索奠定了很好的基础。

1.3 研究内容说明

本文主要研究的是对曲轴位置传感器信号的采集与实时显示以及分析的系统，采用的上位机设计显示界面和下位机采集信号两种不同的系统构造组成。由于传感器信号的影响因素比较多，而且不同传感器产生的信号波形和品质也有差异，需要设计合理的信号处理电路，才能保证采集到正确的信号。整个系统分为硬件部分和软件部分，包括下位机的信号处理电路模块、AD转换模块、串口通信模块与上位机的数据显示、保存和查询模块。接下来对各个章节进行简要概述：

第一章，先是说明了研究背景及意义，然后分析了一些国内外对汽车发动机传感器的研究以及涉及到的一些技术问题，再叙述一下研究内容。

第二章，首先对曲轴传感器类型进行对比分析，选择合适的传感器，再对上位机和下位机的选择进行讨论，最后概述整个系统的架构。

第三章，针对于磁电式曲轴传感器，讨论其信号幅值会随电机的转速加快而线性增大，所以会设计相应的传感器信号处理电路；然后介绍了数模转换电路的硬件实现以及串口通信的硬件部分。

第四章，对各个模块进行软件设计，分析其实现过程，画出相应的流程图。

第五章，分析整个系统进行调试结果，以及阐述软硬件分别实现的功能，对系统的细节之处进行阐述以及发现系统的缺陷。

第六章，对全部设计的内容进行总结，分析系统已经实现的功能和可能存在的问题以及需要改善的地方，最后展望未来学习方向。

方案论证和选择

曲轴位置传感器种类比较多，但汽车发动机常用的只有磁感应式、霍尔效应式和光电式三种。接下来将讨论这三种传感器的性能以及成本等问题，以便选择相应的传感器作为输出模拟信号源，能更好地进行信号分析，实现对曲轴传感器的测试目标。

2.1 传感器的特性及选择

磁感应式的曲轴位置传感器是由一个永久磁体连接着的铁芯和铁芯外部的磁感应线圈组成，信号由磁感应线圈感应磁通变化产生感应电压，并通过输出电缆进行输出磁感应式曲轴传感器原理如图2.1所示^[3][3]。磁感应式曲轴传感器有很多种结构和安装方式，其感应电压触发方式可大致分为导磁转子触发和齿圈触发两种。第一种触发方式的曲轴位置传感器是安装在分电器内的，同时分为上下两层布置，分电器里面也安装有上下两个导磁转子，导磁转子会触发上、下两个磁感应线圈使之产生交变的感应电压信号，汽车电子控制单元就会根据该电信号确定发动机曲轴位置。第二种触发方式的曲轴位置传感器被安装在飞轮壳体上，当发动机运行时，会带动飞轮轮齿和正时标记（齿圈上的缺齿部分）经过磁感应线圈包裹的铁芯，穿过磁感应线圈的磁通量也就随着周期性变化，继而产生相应的交变电压信号，汽车电子控制单元会根据信号确定曲轴位置。

图2.1 磁感应式曲轴传感原理

磁感应式曲轴位置传感器因其结构简单耐用、能工作在较大温度范围、对装配要求较低等优点被广泛使用，不过这种传感器也存在着比较明显的缺点，其输出信号容易受干扰，信号幅值会因发动机的转速变快而升高，所以ECU需设计相应的信号调理电路，而且磁感应式曲轴位置传感器因为精度较低而不适应于要求较高的发动机。

霍尔效应式的曲轴位置传感器是由霍尔器件和触发叶轮组成。其原理是利用霍尔效应的原理，通过触发叶轮交替地穿过霍尔器件与永久磁铁之间的磁场，从而使霍尔元件产生对应的电压脉冲信号，再由叶轮上的缺口数以及缺口处的信号确定曲轴位置。霍尔效应式曲轴位置传感器与磁感应式传感器类似，也根据安装形式的不同分为导磁转子触发式和齿槽触发式两种。第一种触发方式的传感器被安装在分电器内，触发叶轮上存在与气缸数相同的缺口数，当霍尔元件和永久磁铁的安装间隙中存在触发叶轮的叶片时，传感器的霍尔器件因感应不到磁场而不产生电压信号。反之，当两者之间的安装间隙没有叶片存在时，传感器输出电压信号。第二种触发方式的霍尔式传感器安装在飞轮壳处，飞轮齿圈处的槽数也与发动机气缸数对应，同理，当传感器感应到凹槽时输出高电平，感应到凸槽时就会输出低电平，所以，霍尔式曲轴位置传感器输出信号为方波脉冲信号。

霍尔式曲轴位置传感器解决了磁感应式曲轴位置传感器存在的缺点，其结构空间较小，输出信号也不容易受到干扰，所以无需附加信号调理电路，且可以输出方波脉冲信号，所以霍尔式传感器的精度较高^[4][4]。不过该传感器对组装的配置要求比较高，而且内部含有集成的电器元件。

光电式的曲轴位置传感器主要由发光器件、光敏器件和遮光盘等组成，绝大多数都安装在分电器内。传感器的遮光盘上有两组缺口，外圈会有360条分布均匀的透光缝隙，每个缝隙会产生转角1°的信号。内圈也会含有透光缺口，其数目同样和发动机缸数相同，每个缺口会产生对应的曲轴转角信号。遮光盘位于发光器件和光敏器件之间，通过遮光盘上的缝隙和缺口，光敏器件可产生交替的脉冲电压信号。发动机工作时，遮光盘每转一圈，外圈的一组发光器件和光敏器件就会产生360个脉冲信号；内圈的一组则产生与气缸数相同的脉冲信号，ECU便可通过传输过来的信号缺点曲轴位置。

光电式曲轴位置传感器最大的优点就是它的精度是最高的，而且对安装要求没有霍尔式传感器那么高，允许遮光盘穿过的间隙较大，另外其耐温性能也很好；但是它的优点也带来了成本高、功耗大、对器件配置要求高等缺点。

综上所述，光电式曲轴传感器的精度最高，虽然其缺点也很明显，但可以拿来当作标准信号产生的信号源，这样需求量也不会很高，成本方面也能接受。通过光电式传感器的输出信号，分别对比磁电式传感器、霍尔式传感器以及其他类型曲轴传感器的输出信号，分析每种类型传感器的信号差异以及其中的缘由，从中可以获得相应传感器信号的测试数据。

不过在本次设计中，因为受不能提供电机以及信号轮等机械器件的条件限制，传感器也就因不能测量信息而无法提供输出。所以在设计过程中将以信号发生器模拟曲轴位置传感器，根据不同的传感器类型选择相应的信号波形，再对其信号进行采集和显示对比，同时优化各个部分，争取做到实时状况模拟，能将设计成果应用于实际之中。

2.2 上位机和下位机方案选择

当前，基于上位机和下位机的数据采集系统架构中，上位机PC软件选择多种多样，不过大致可分为两种。一种是以JAVA、VB、VC 等面向对象的程序设计语言进行设计，另一种则是以美国NI公司发明的LabVIEW图形化编程语言实现；前者虽然对下位机要求较低，但其软件编程环境比较复杂，开发周期也比较长，对开发者水平要求很高；后者的编程则相对简单许多，容易上手，其界面在仪器方面也更加形象直观，还能大大缩短开发周期，但同样存在着成本高昂等局限性^[5][5]。因此，结合自己的技术水平，在本次系统设计中选择LabVIEW软件进行上位机界面设计。

而针对于上位机为LabVIEW软件的系统中，又分为DAQ助手配合数据采集卡使用和NI-VISA驱动配合单片机使用两种方案。第一种方案使用的DAQ助手能大大方便软件的编程实现，但其硬件使用的数据采集卡的成本极高；第二种方案则是在硬件方面要求比较低，只需单片机完成模数转换和一些数据处理等功能，但在软件编程工作方面就会有些难度，其中就包括多路数据进行串口通信传输时存在的一些问题。

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