CN109188106A - 一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，包括用于转换点火脉冲电压的波形标准化电路、用于测量计数的单脉冲测量电路和用于接收与处理脉冲数据的FPGA控制电路，本发明将输入的点火脉冲信号通过电压比较器形成标准脉冲信号，通过单脉冲测量电路将标准脉冲信号分解为上升沿与下降沿单脉冲信号，通过FPGA内部控制电路，对上升沿与下降沿信号之间进行脉冲计数，通过计数值与基准时钟周期相乘得到点火脉冲宽度。本发明方法简单实用，避免了外接示波器测量点火脉冲脉宽的局面，测量电路稳定可靠，测量准确度高，可广泛适用于高电平、长时间、较快速率的点火脉冲脉冲宽度测量。

Description

一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路

技术领域

本发明涉及点火脉冲测量领域，具体的说是一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路。

背景技术

随着传感技术的发展，对点火脉冲的测量需求日趋增长，例如，2001年12月出版的《西安工业学院学报》第21卷第4期第317-320页公开了一种通过模拟电路测量点火脉冲并最终计算汽油机转速的方法，该方法包括采用锁相环技术来实现倍频，且全部采用CMOS低功耗分立器件设计硬件电路，虽然具有功耗低、成本低廉等优点，但是缺点主要有器件集成度低、电路复杂、误差较高等。又如，2000年3月出版的《武汉科技大学学报(自然科学版)》第23卷第1期第64-65页公开了另一种测量点火脉冲计算汽车发动机转速的方法，该方法包括对汽车发动机高压点火脉冲信号进行衰减、整形、放大处理后用8051单片机进行脉冲计数，缺点是该单片机主频较低，测量的脉冲频率低，还要配合8253芯片计算脉冲个数，电路也比较复杂。以上两种方法电路集成度低、可靠性差、测量通道少，均无法满足某航空机载设备点火脉冲测量的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提出了一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，基于FPGA设计对变换后的多路脉冲宽度的时间测量，排除分辨率和人为视觉误差的影响，降低了测量成本、减少了测量误差、提高了测量频率，可适用于某航空机载设备点火脉冲的测量。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，包括用于转换点火脉冲电压的波形标准化电路、用于测量计数的单脉冲测量电路和用于接收与处理脉冲数据的FPGA控制电路，所述波形标准化电路输出标准化数字脉冲信号后连接于所述单脉冲测量电路，所述单脉冲测量电路连接于所述FPGA控制电路用于测量脉宽。

所述波形标准化电路包括多个跳变检测电路和标准化电路，所述跳变检测电路限定了点火脉冲的波形门限电压，被测波形输入所述跳变检测电路检测出电压跳变，所述标准化电路通过模数转换电路将所述跳变检测电路的输出信号转化为可进行数字处理的标准单脉冲波形。

所述单脉冲测量电路包括与门、计数器、锁存器、上升沿检测电路、下降沿检测电路，所述与门连接于所述计数器用于启动计数器累加计数值，所述上升沿检测电路连接于所述计数器用于在上升沿时刻清空计数，所述下降沿检测电路连接于所述锁存器控制所述锁存器锁存此刻的计数值并控制输出端输出，所述上升沿检测电路产生上升沿单脉冲信号SIGA，所述下降沿检测电路产生下降沿单脉冲信号SIGB。

所述FPGA控制电路使用核心芯片EPF10K10LC84，使用硬件编程搭建FPGA内部电路，包括异或门、脉宽测量电路、数据选择器、数据锁存器、分频电路，所述上升沿单脉冲信号SIGA、下降沿单脉冲信号SIGB输入所述异或门，所述分频电路输入外部晶振的频率信号后连接于所述脉宽测量电路用于测量脉宽计数，通过写0x230地址产生选通信号控制所述数据选择器将脉宽计数选择并输出到所述数据锁存器，通过读0x231与0x232地址产生输出使能信号使能所述数据锁存器后输出脉宽计数值到数据总线。

所述波形标准化电路与单脉冲测量电路处理N路点火脉冲信号并对每一路信号处理产生对应信号线路的跳变沿单脉冲信号，包括上升沿单脉冲信号SIGA与下降沿单脉冲信号SIGB，测量得到每路的脉宽计数值后与基准脉冲时钟周期相乘得到各路点火脉冲信号的脉宽，并在PC上以具体的数字显示。

所述FPGA控制电路使用的核心芯片型号为EPF10K10LC84。

本发明的有益效果是：

(1)方法简单实用，避免了外接示波器测量点火脉冲脉宽的局面；

(2)排除了人为视觉误差的影响，可有效提高测量的精度；

(3)测量电路稳定可靠，测量准确度高，可广泛适用于高电平、长时间、较快速率的点火脉冲脉冲宽度测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的点火脉冲波形标准化原理图；

图3为本发明的单脉冲宽度测量组成框图；

图4为本发明的单脉冲宽度测量仿真图；

图5为本发明的FPGA内部硬件原理框图；

图6为本发明的硬件设计总图；

图7为本发明的电压比较电路图；

图8为本发明的光耦隔离电路图；

图9为本发明的电源电路的电路图；

图10为本发明的主芯片电路的电路图；

图11为本发明的配置电路的电路图；

图12为本发明的接插件的电路图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

考虑到点火脉冲的高电平和长脉宽的特性，点火脉冲脉宽的测量需要对该类波形进行变换，本发明主要通过检测点火脉冲电压的变化再通过波形变换为多个单一脉冲，该环节主要通过检测点火脉冲电压的门限形成独立的单脉冲，并将单脉冲变化为幅度为+5V的数字脉冲，而后应用通用计数器及基准时钟脉冲测量各个单脉冲宽度的原理来测量变换后的脉冲宽度以实现整个周期的测量，具体原理如图1所示的原理框图：

被测脉冲Ti作为测量的控制信号,当被测脉冲上升沿来后，控制与门开通,计数器对基准时钟脉冲进行计数；在被测脉冲下降沿来后，控制与门关闭，计数器停止计数。因而，被测脉冲宽度Ti由计数器的计数值Mi和基准时钟脉冲周期T0确定，即：Ti＝Mi×T0。

由于采用了计数电路，其单脉冲的脉宽测量误差可控制在±1计数误差，另外基准时钟脉冲T0也是影响测量精度的一个重要参数，在满足要求的情况下可选择高频率的时钟源作为基准时钟，一般可控制在ns级别，可满足针对该点火脉冲脉宽测量的需求。

一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，包括用于转换点火脉冲电压的波形标准化电路1、用于测量计数的单脉冲测量电路2和用于接收与处理脉冲数据的FPGA控制电路3，所述波形标准化电路1输出标准化数字脉冲信号后连接于所述单脉冲测量电路2，所述单脉冲测量电路2连接于所述FPGA控制电路3用于测量脉宽。

如图2所示的点火脉冲波形标准化原理图：

所述波形标准化电路1包括N个跳变检测电路11和标准化电路12，所述跳变检测电路11限定了点火脉冲的波形门限电压，被测波形输入所述跳变检测电路11检测出电压跳变，所述标准化电路12通过模数转换电路将所述跳变检测电路11的输出信号转化为可进行数字处理的标准单脉冲波形。

变换后的标准单脉冲波形测量是设计一种逻辑电路检测单脉冲的上升沿和下降沿分别产生两个单脉冲，各自完成基准脉冲的计数和计数输出的控制，如图3所示的单脉冲宽度测量组成框图：

所述单脉冲测量电路2包括与门21、计数器24、锁存器25、上升沿检测电路22、下降沿检测电路23，所述与门21连接于所述计数器24用于启动计数器累加计数值，所述上升沿检测电路22连接于所述计数器24用于在上升沿时刻清空计数，所述下降沿检测电路23连接于所述锁存器25控制所述锁存器25锁存此刻的计数值并控制输出端输出，所述上升沿检测电路22产生上升沿单脉冲信号SIGA，所述下降沿检测电路23产生下降沿单脉冲信号SIGB。

如图4所示的单脉冲宽度测量仿真图：

其中f0信号输入两个脉冲的宽度分别为738ms和858ms，本设计中所选择的t0频率为1Khz(周期1ms)，其中C0和d0分别为检测到f0后所形成的两个单脉冲，C0主要开始计数器的初始清零和计数工作，d0主要用于计数结束后数据输出的控制。仿真波形中可以看出f0模拟两个脉冲的宽度分别是738ms和858ms，按照基准频率t0可以知道其计数输出应为738和858，对应的16进制为0x2E2和0x35A，仿真波形中可以看出总线地址qq[11..0]的输出值为0x2E2和0x35A。从仿真可以看出脉冲宽度测量准确可靠。

所述上升沿单脉冲信号SIGA与下降沿单脉冲信号SIGB被送入所述FPGA控制电路3进行处理计算两个信号之间的脉冲延迟宽度即被测一路的点火脉冲宽度，如图5所示的FPGA内部硬件原理框图：

所述FPGA控制电路3使用硬件编程技术搭建FPGA内部电路，构建FPGA内部的硬件处理电路，包括异或门31、脉宽测量电路32、数据选择器33、数据锁存器34、分频电路35，所述上升沿单脉冲信号SIGA、下降沿单脉冲信号SIGB输入所述异或门31，所述分频电路35输入外部晶振的频率信号后连接于所述脉宽测量电路32用于测量脉宽计数，通过写0x230地址产生选通信号控制所述数据选择器33将脉宽计数选择并输出到所述数据锁存器34，通过读0x231与0x232地址产生输出使能信号使能所述数据锁存器34后输出脉宽计数值到数据总线。

应用Quartus II的图形编辑方式完成数据总线的控制，以IO映射的方式实现对电路的控制，可以看出写地址0x230主要实现所选通道的单脉冲计数输出的选择，所述总线地址qq[11..0]对应于6路点火脉冲单独分出两路单脉冲信号后形成的12路脉冲信号的读取地址，通过读地址0x231所对应的qq[7..0]和读地址0x232所对应的qq[11..8]完成总线上的12路数据读出，通过对应通道数据计算得到对应通道点火脉冲的脉宽。

作为本发明的一个实施例，如图6所示的硬件设计总图：

如图9至图12所示，一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，包括主芯片电路101、电源电路102、配置电路103、电压比较电路104、光耦隔离电路105、接插件106，所述电源电路102连接其余各电路用于供应不同电源；

所述配置电路103采用EPC2LC20芯片用于保存配置信息和程序信息为所述主芯片电路101提供上电配置操作；

所述电压比较电路104用于输入点火脉冲信号并将其转化为单脉冲信号；

所述光耦隔离电路105连接于所述电压比较电路104输入转化后的单脉冲信号并输出隔离后的单脉冲信号；

所述光耦隔离电路105连接于所述主芯片电路101传输隔离后的单脉冲信号处理后得到每路脉冲信号的脉宽；

如图7所示的电压比较电路图与图8所示的光耦隔离电路图：

6路点火脉冲信号SIGIN通过12个电压比较器U1A、U1B、U1C、U1D、U2A、U2B、U2C、U2D、U3A、U3B、U3C、U3D，得到12路单脉冲信号，分别对应于6路上升沿单脉冲信号P1+、P2+、P3+、P4+、P5+、P6+，和6路下降沿单脉冲信号P1-、P2-、P3-、P4-、P5-、P6-，所述12路单脉冲信号通过3个4路光耦元件U4、U5、U6隔离输入FPGA芯片的IO端口内，所述FPGA芯片的型号为EPF10K10LC84，通过硬件编程在FPGA芯片内部搭建6个所述FPGA控制电路3，输入所述12路单脉冲信号测量得到每路的脉宽计数值后与基准脉冲时钟周期相乘得到各路点火脉冲信号的脉宽，并通过串口传输数据在PC上以具体的数字显示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，其特征在于：包括用于转换点火脉冲电压的波形标准化电路(1)、用于测量计数的单脉冲测量电路(2)和用于接收与处理脉冲数据的FPGA控制电路(3)，所述波形标准化电路(1)输出标准化数字脉冲信号后连接于所述单脉冲测量电路(2)，所述单脉冲测量电路(2)连接于所述FPGA控制电路(3)用于测量脉宽。

2.根据权利要求1所述的一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，其特征在于：所述波形标准化电路(1)包括多个跳变检测电路(11)和标准化电路(12)，所述跳变检测电路(11)限定了点火脉冲的波形门限电压，被测波形输入所述跳变检测电路(11)检测出电压跳变，所述标准化电路(12)通过模数转换电路将所述跳变检测电路(11)的输出信号转化为可进行数字处理的标准单脉冲波形。

3.根据权利要求2所述的一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，其特征在于：所述单脉冲测量电路(2)包括与门(21)、计数器(24)、锁存器(25)、上升沿检测电路(22)、下降沿检测电路(23)，所述与门(21)连接于所述计数器(24)用于启动计数器累加计数值，所述上升沿检测电路(22)连接于所述计数器(24)用于在上升沿时刻清空计数，所述下降沿检测电路(23)连接于所述锁存器(25)控制所述锁存器(25)锁存此刻的计数值并控制输出端输出，所述上升沿检测电路(22)产生上升沿单脉冲信号SIGA，所述下降沿检测电路(23)产生下降沿单脉冲信号SIGB。

4.根据权利要求3所述的一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，其特征在于：所述FPGA控制电路(3)使用硬件编程搭建FPGA内部电路，包括异或门(31)、脉宽测量电路(32)、数据选择器(33)、数据锁存器(34)、分频电路(35)，所述上升沿单脉冲信号SIGA、下降沿单脉冲信号SIGB输入所述异或门(31)，所述分频电路(35)输入外部晶振的频率信号后连接于所述脉宽测量电路(32)用于测量脉宽计数，通过写0x230地址产生选通信号控制所述数据选择器(33)将脉宽计数选择并输出到所述数据锁存器(34)，通过读0x231与0x232地址产生输出使能信号使能所述数据锁存器(34)后输出脉宽计数值到数据总线。

5.根据权利要求4所述的一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，其特征在于：所述波形标准化电路(1)与单脉冲测量电路(2)处理N路点火脉冲信号并对每一路信号处理产生对应信号线路的跳变沿单脉冲信号，包括上升沿单脉冲信号SIGA与下降沿单脉冲信号SIGB，测量得到每路的脉宽计数值后与基准脉冲时钟周期相乘得到各路点火脉冲信号的脉宽，并在PC上以具体的数字显示。

6.根据权利要求4所述的一种航空机载设备点火脉冲的脉宽测量电路，其特征在于：所述FPGA控制电路(3)使用的核心芯片型号为EPF10K10LC84。