直流CDI式摩托車點火器設(shè)計方案

1、直流CDI式摩托車點火器設(shè)計方案 目 錄第一章 摩托車點火器概述21.1前言21.2點火系統(tǒng)組成21.3點火系統(tǒng)的發(fā)展及分類21.3.1點火系統(tǒng)的發(fā)展31.3.2點火系統(tǒng)分類31.3.3小結(jié)5第二章 原理設(shè)計62.1電源部分設(shè)計62.1.1單片機電源設(shè)計62.1.1逆變振蕩電路設(shè)計72.2可控硅控制放電電路設(shè)計82.3觸發(fā)信號處理部分電路設(shè)計82.3.1觸發(fā)PC簡介92.3.2觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換電路92.4 MCU控制電路102.4.1 P89LPC915簡介112.4.2 復(fù)位電路112.4.3 模擬電壓比較器輸入電路122.4.4 PTC功能電路12第三章軟件設(shè)計123.1 簡介內(nèi)容133.1.

2、1 點火正時133.1.2 提前角延時原理133.2點火程序軟件設(shè)計153.2.1 設(shè)計功能及I/O口設(shè)定153.2.2 程序主體結(jié)構(gòu)介紹153.2.3 連續(xù)點火模式16第四章總結(jié)254.1 測試結(jié)果介紹254.1.1 提前角延時點火方式264.1.2 固定點火方式284.2 總結(jié)294.3 聲明29第一章 摩托車點火器概述1.1前言我們知道，燃油摩托車的動力來自于汽油機氣缸內(nèi)可燃混合氣的燃燒，而燃燒的完善與否直接影響到汽油機輸出的驅(qū)動動力。良好的燃燒必須具備以下三個條件，即：Ø 良好的混合氣Ø 充分的壓縮Ø 最佳的點火其中，點火包括點火時刻和點火能量。點火時刻和

3、點火能量的控制則由點火系統(tǒng)來完成。點火系統(tǒng)在汽油機中有著十分重要的作用。點火能量必須要足夠大，否則則不能點燃缸內(nèi)的混合氣，汽油機也無法正常運行。點火時刻或點火提前角則更為關(guān)鍵，因為它是影響汽油機性能的最重要參數(shù)之一，點火的過早或過遲都會直接影響到汽油機的經(jīng)濟性和動力性。所以，對應(yīng)于給定的汽油機運行工況都存在著一個最佳點火提前角。1.2點火系統(tǒng)組成Ø 磁電機：提供發(fā)動機曲軸位置信息；提供點火能量（對于部分點火器）Ø 點火器：暫時存儲點火能量；在適當?shù)臅r候向點火線圈輸出點火能量Ø 點火線圈：將點火器輸出轉(zhuǎn)換為高壓，傳輸點火能量Ø 火花塞：將點火能量從電能轉(zhuǎn)換

4、為熱能，點燃油氣混合物1.3點火系統(tǒng)的發(fā)展及分類有觸點點火系統(tǒng)無觸點點火系統(tǒng)CDI電容放電式TLI電感儲能式可控硅控制點火晶體管控制點火 圖1.1 點火系統(tǒng)的發(fā)展1.3.1點火系統(tǒng)的發(fā)展如圖1.1所示，近幾十年來，摩托車點火系統(tǒng)的發(fā)展很快。首先它經(jīng)歷了從有觸點點火系統(tǒng)到目前普遍使用的無觸點點火系統(tǒng)的歷史性技術(shù)革新。因為在有觸點點火系統(tǒng)中，其觸點因機油污損或磨損等原因常引起觸點接觸不良和導(dǎo)電困難等故障，可靠性差，所以需要進行經(jīng)常性的檢查和保養(yǎng)，到了使用周期后應(yīng)該更換新品，十分不便。這無疑也制約著摩托車無故障里程數(shù)的提高。無觸點點火系統(tǒng)是通過觸發(fā)線圈獲取的觸發(fā)電流來控制晶體管或可控硅的動作，從而切

5、斷點火線圈的初級電流。無觸點點火系統(tǒng)無需保養(yǎng)，成本不高，技術(shù)上也不復(fù)雜，所以很快被推廣使用。現(xiàn)在的摩托車幾乎全部都使用這種無觸點點火系統(tǒng)。1.3.2點火系統(tǒng)分類摩托車點火系統(tǒng)的分類方法很多，這里主要介紹以下兩種：Ø 按放電方式可分為電容放電式點火系統(tǒng)和電感放電式點火系統(tǒng)Ø 按點火時刻控制方式可分為模擬式點火系統(tǒng)和數(shù)字式點火系統(tǒng) 1、 電容放電式點火系統(tǒng)(CDI)該系統(tǒng)采用磁電機發(fā)出的電流為電容充電，由于電容放電能產(chǎn)生強大的電火花，而且次級電流上升快，對高速汽油機十分有利，而且也有利于防止火花塞污損。這些特點與二沖程汽油機的特殊要求極其吻合，所以高性能二沖程汽油機大多使用這種

6、點火方式。由于這類點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，我國又能自己生產(chǎn)，所以，我國生產(chǎn)的摩托車(不管是二沖程還是四沖程)絕大部分都采用了這類點火系統(tǒng)。電容放電點火系統(tǒng)中火花強，但放電時間短，這樣，在汽油機低速或混合氣較稀時就不易點燃混合氣。另外，磁電機方式的固有缺點是低速時電流弱、點火能量小。所以，高性能大排量的四沖程汽油機大多采用無觸點蓄電池式晶體管點火系統(tǒng)(TLI)。 2、 晶體管點火系統(tǒng)（TLI）無觸點蓄電池式晶體管點火系統(tǒng)采用蓄電池供電，利用晶體管的導(dǎo)通和截止特性，在需要點火時瞬間切斷點火線圈的初級電流，從而在次線線圈上感應(yīng)產(chǎn)生出高電壓，由此在火花塞得到很強的電火花。晶體管點火器的點火性能穩(wěn)定

7、，火花強，放電時間相對較長，而且在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時也能保證可靠點火。在該系統(tǒng)中，磁電機發(fā)出的三相交流電經(jīng)過整流調(diào)壓器向蓄電池充電，這樣可以充分利用磁電機產(chǎn)生的電能。國外的中大排量四沖程汽油機基本上采用這類點火系統(tǒng)。我國生產(chǎn)的一些高性能四沖程汽油機也采用了這種點火系統(tǒng)，如輕騎集團生產(chǎn)的GS125摩托車。表1.1 CDI和TLI點火系統(tǒng)特性比較 3、模擬式點火器上述兩大類點火系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在點火器上，而點火器的技術(shù)進步又主要體現(xiàn)在點火提前角的控制上。簡單的點火器主要依靠觸發(fā)線圈發(fā)出的觸發(fā)信號隨磁電機轉(zhuǎn)速的升高而迅速提前的特性來控制點火提前角。這種點火器被稱為第一代點火器。盡管這種提前特性可

8、以通這調(diào)整電路和和元件參數(shù)略作改變，但可改變的范圍及靈活性都有很有限，其點火特性與汽油機的最佳點火提前角規(guī)律相差甚遠。為了使實際的點火提前角盡量接近其最佳值，四沖程汽油機點火器的點火特性一般被設(shè)計成擁有二臺階的折線，即低速段和高速段各對應(yīng)一個近于固定的點火提前角，中間過度段用斜線連接。高低轉(zhuǎn)速段之間的點火提前角差由磁電機上觸發(fā)塊所占的弧度決定，其具體的控制過程一般由專用芯片來完成。這種點火器被稱為第二代產(chǎn)品，其點火特性可更接近汽油機的最佳值。盡管第二代點火器的點火特性是以擁用二臺折線來逼近形狀復(fù)雜的最佳點火提前角規(guī)律，比第一代點火器的點火特性更接近最佳值，但與實際的最佳點火提前角規(guī)律還有一定的

9、差距。這是因為在第一代和第二帶點火器的點火控制電路中采用了模擬電路，很難實現(xiàn)形狀復(fù)雜的最佳點火特性。這類點火器就是模擬式點火器。 4、數(shù)字式點火器如前所述，由于在點火控制電路中采用模擬電路，模擬式點火器所控制的點火特性只能大致接近而很難達到最佳值。要實現(xiàn)摩托車汽油機在整個運行范圍內(nèi)的最佳點火就必須采用數(shù)字控制電路，這種數(shù)字式點火器被稱為第三代點火器。由于數(shù)字式點火器采用了單片機控制電路，故能按照任意給定的點火提前角曲線控制點火。因此，只要獲取汽油機的最佳點火提前角規(guī)律，數(shù)字式點火器即可保證其最佳點火。在汽車工業(yè)發(fā)達的國里，基于對最佳性能的追求，點火提前角的數(shù)字式(微機)控制在轎車汽油機上的應(yīng)用

10、已有二十多年的歷史。在豪華大排量運動型摩托車汽油機上多年來同樣也應(yīng)用了微機控制技術(shù)，以最大限度地發(fā)掘發(fā)動機的性能潛力。如著名的美國哈利·戴維森公司、德國寶馬公司和日本本田、川崎、鈴木公司等都有這類產(chǎn)品。最近幾年一些公司又把這種數(shù)字式點火技術(shù)應(yīng)用到普通家庭型的摩托車汽油機上，如日本雅馬哈的JOGAPRIO踏板車就采用了數(shù)字式點火器，使其經(jīng)濟性和動力性得到了進一步的改善。所以，越來越多的摩托車制造商也將會很快地把數(shù)字式點火器應(yīng)用到普通家庭型摩托車汽油機上。1.3.3小結(jié) 綜上所述，數(shù)字化也是點火系統(tǒng)未來必然的發(fā)展趨勢。再充分考慮性價比因素，所以本方案的設(shè)計目標確定為：直流CDI(DC-C

11、DI)點火器。特選擇NXP半導(dǎo)體的89LPC915單片機作為控制設(shè)計。第二章 原理設(shè)計圖2.1 DC-CDI點火器原理圖 如圖2.1所示為本方案DC-CDI點火器原理圖。以下將按各個功能模塊進行介紹。2.1電源部分設(shè)計 本次方案設(shè)計目標為直流CDI點火器。使用的工作電源為12V蓄電池，即輸入電源為直流12V電壓。2.1.1單片機電源設(shè)計 因使用輸入電源為12V，而選擇的MCU：P89LPC915操作電壓范圍為（2.43.6）V。所以需要添加電源轉(zhuǎn)換器件。本方案選用SPX1117M3。SPX1117為Sipex公司生產(chǎn)的LDO芯片，其特點為輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性高。SPX1117系列

12、LDO芯片輸出電流可達800mA，輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護功能。它是一個低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，其可以用在一些高效率，小封裝的低功耗設(shè)計中。這款器件非常適合便攜式電腦及電池供電的應(yīng)用。SPX1117有很低的靜態(tài)電流，在滿負載時其低壓差僅為1.1V。當輸出電流減少時，靜態(tài)電流隨負載變化，并提高效率。SPX1117可調(diào)節(jié)，以選擇1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的輸出電壓。這里選擇3.3V輸出電壓的SPX1117M3-3.3。一個10uF的輸出電容可有效地保證該芯片的穩(wěn)定性，然而在大多數(shù)應(yīng)用中，僅需一個更小的2.2uF電容。在本方案

13、中，考慮較高的可靠性設(shè)計，特在SPX1117的輸入及輸出端均加上一個10uF的電容，如圖2.2所示。圖2.2 電源電路其中D1二極管為防止外部電源反接，R21電阻為限流電阻。2.1.1逆變振蕩電路設(shè)計 圖2.3 逆變振蕩電路 CDI點火器的典型特點就是通過給電容的充電和放電過程來實現(xiàn)點火的。而逆變振蕩電路就是保證系統(tǒng)給電容器正常充電的設(shè)計。 VDD電源輸入直流12V到逆變線圈T1的初級的一端，當三極管Q1（TIP41C）處于放大狀態(tài)時，其集電極將線圈T1初級的另一端拉低，從而使逆變線圈起振，進行升壓轉(zhuǎn)換。這時。T1的次級產(chǎn)生250V左右的交流經(jīng)過續(xù)流二極管D3完成給電容C3的充電過程。其中，D

14、4穩(wěn)壓管起穩(wěn)定充電后C3電容電壓的作用。 如圖中OSC端為單片機的輸出端控制端。當OSC輸出為高電平時（3.3V）使能三極管Q2，于是Q2的集電極將Q1的基極拉低，使Q1進入截止狀態(tài)。這樣Q1的集電極被拉高從而可使T1停振，停止對電容C3的充電過程。這樣，就可以通過單片機OSC端輸出高低電平以完成對振蕩電路停振和起振的轉(zhuǎn)換控制。2.2可控硅控制放電電路設(shè)計如圖2.4所示，OUT為單片機的輸出I/O口。當OUT被單片機置高后，三極管Q3被使能，其射極被拉高后通過兩個電阻R9，R10分壓將高電平（1.5V左右）加到可控硅的控制極上，便可將可控硅Q4導(dǎo)通，這樣Q4和C3便構(gòu)成了一個放電回路。在點火器

15、IGN輸出端接點火線圈時，電容器的電能便通過可控硅進入點火線圈。而當OUT腳被單片機拉低后，Q3截止關(guān)斷可控硅。點火線圈的電流被斷開，這時點火線圈就會立即產(chǎn)生自耦高壓電，使火花塞迸發(fā)火花點火。如此反復(fù)循環(huán)，就能保證點火系統(tǒng)正常工作。圖2.4 可控硅控制放電電路另外需要注意的是，因為是CDI式點火，即電容充放電點火。該方式存在一個“充電放電充電”的循環(huán)過程，而由前面2.1.2部分介紹可知，電容的充電過程也是由單片機通過另一個輸出腳OSC控制逆變電路的起振來實現(xiàn)的。因此，需要滿足在逆變電路起振時（即給電容充電過程中），可控硅必須截止（此時不能形成放電回路，不然將無法給電容充電）；同時，必須保證在振

16、蕩電路停振后才開可控硅（不然將損壞點火器）。所以，單片機程序設(shè)計時，必須充分考慮OSC和OUT兩個輸出控制信號之間的時序關(guān)系，以避免系統(tǒng)運行不正常甚至毀壞系統(tǒng)。2.3觸發(fā)信號處理部分電路設(shè)計（a） 轉(zhuǎn)動方向磁電機飛輪觸發(fā)凸臺觸發(fā)線圈（b）AB圖2.5 摩托車點火系統(tǒng)實物及信號圖2.3.1觸發(fā)PC簡介在分析觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換電路之前，這里先簡單介紹一下摩托車點火系統(tǒng)的PC觸發(fā)信號。如圖2.5（a）所示，在磁電機飛輪的外表面上，存在一個凸臺（很多復(fù)雜磁電機甚至具有多個長短不一，間隔不等的凸臺）。摩托車的磁電機在高速轉(zhuǎn)動時，飛輪與磁電極定子之間通過磁場變化為摩托車提供電能。與此同時，飛輪上每轉(zhuǎn)過一周，與磁

17、電機配套的觸發(fā)塊（即觸發(fā)線圈）在凸臺到來時都會被觸發(fā)，產(chǎn)生一個PC信號，如圖2.5（b）所示。該PC信號在飛輪轉(zhuǎn)速不變的情況下為固定周期的連續(xù)脈沖信號。有的點火系統(tǒng)PC信號為先正后負，有的點火系統(tǒng)PC信號又是先負后正。這是由觸發(fā)線圈的硬件結(jié)構(gòu)決定的，這里就不在詳細介紹。本方案設(shè)計的PC觸發(fā)為先負后正。在磁電機飛輪轉(zhuǎn)動過程中，通常把凸臺先轉(zhuǎn)到觸發(fā)線圈位置處的邊沿叫做觸發(fā)前沿，后轉(zhuǎn)過的邊沿則稱做觸發(fā)后沿。再來看看圖2.5，前言信號為負向脈沖，后沿信號為正向脈沖。A便是磁電機飛輪轉(zhuǎn)速周期。B則是凸臺角度在當前轉(zhuǎn)速下的周期時間。2.3.2觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換電路圖 2.6 信號轉(zhuǎn)換電路 我們對PC信號轉(zhuǎn)換的最

18、終目的是將PC觸發(fā)的脈沖信號轉(zhuǎn)換為單片機所能識別，并且方便我們做相關(guān)處理判斷的邏輯電平信號。原始PC觸發(fā)信號如圖2.5（b）所示。轉(zhuǎn)換電路如圖2.6所示。該部分處理電路將PC前沿和后沿信號通過兩個二極管D9，D10分兩條支路進行處理。最終輸出IN1代表前沿信號，IN2代表后沿信號作為單片機輸入。D9負向支路在前沿信號未到時，三極管Q5基極被上拉置高，Q5導(dǎo)通，其集電極為低從而保證Q6截止，這樣保證沒有前沿負向信號時IN1一直為高；當前沿負向信號到來時，Q5基極電壓變低，于是Q5截止，集電極將Q6基極拉高，Q6導(dǎo)通集電極被拉低，于是保證了前沿信號到來時IN1輸出低電平。D10正向支路中，也是通過

19、三極管Q9的截止和導(dǎo)通來保證IN2在沒有后沿信號時輸出一直為高，而后沿信號到來時輸出為低。如圖2.7所示為PC的對應(yīng)轉(zhuǎn)換波形。PCIN1IN2圖 2.7 波形轉(zhuǎn)換圖2.4 MCU控制電路圖2.8 MCU控制電路如圖2.8所示，為MCU控制芯片的電路及相關(guān)外圍電路（包括芯片輸入電源，復(fù)位器件，模擬比較輸入電壓部分等）。這里芯片電源使用SPX1117的輸出3.3V電源。電阻R22為限流電阻。下面，首先對P89LPC915做一個簡單性能介紹。2.4.1 P89LPC915簡介 圖2.9 LPC915管腳圖P89LPC915是單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性

20、能要求。P89LPC915采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2 到4 個時鐘周期，6 倍于標準80C51 器件。P89LPC915集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本。P89LPC915主要特性：Ø 2kB 可字節(jié)擦除的Flash 程序存儲器，具有256 字節(jié)的扇區(qū)和16 字節(jié)的頁。單字節(jié)擦除功能使得任何字節(jié)可用作非易失性數(shù)據(jù)存儲。Ø 256 字節(jié) RAM 數(shù)據(jù)存儲器。Ø 2 個16 位定時/計數(shù)器，定時器0可設(shè)置為溢出時觸發(fā)相應(yīng)端口輸出或作為PWM 輸出。Ø 23 位的系統(tǒng)定時器，可用作實時時鐘。

21、6; 4 輸入8 位A/D 轉(zhuǎn)換器/1 個DAC 輸出。2 個模擬比較器，可選擇參考源。Ø 增強型UART。具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯誤檢測、自動地址識別和通用中斷功能。Ø 選擇內(nèi)部RC 振蕩器時不需要外接振蕩器件。RC 振蕩器（出廠校準精度為±1）選項可選并且其頻率可進行很好的調(diào)節(jié)。Ø VDD 操作電壓范圍為2.43.6V。I/O 口可承受5V（可上拉或驅(qū)動到5.5V）。2.4.2 復(fù)位電路 本方案中使用外部復(fù)位方式，選擇Catalyst 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的外部復(fù)位監(jiān)控期間CAT809R。CAT809 的RESET 是推挽輸出（低有效）。復(fù)位時，C

22、AT809 產(chǎn)生一個復(fù)位信號，這個信號在電源電壓低于預(yù)置的閾值時和電源電壓上升到該閾值后的140ms 內(nèi)有效。由于Catalyst 半導(dǎo)體運用了底層浮動閘（floating gate）技術(shù)AE2TM，因此器件可以提供任何特定的復(fù)位閾值。7 個工業(yè)標準的閾值可支持+5.0V、+3.3V、+3.0V 和+2.5V 的系統(tǒng)。本設(shè)計中選擇使用CAT809R，復(fù)位閾值為2.63V。2.4.3 模擬電壓比較器輸入電路本方案設(shè)計中，選擇模擬電壓比較方式來實現(xiàn)對MCU的過壓保護功能。當輸入電壓大于保護電壓時，點火系統(tǒng)將關(guān)閉振蕩電源電路。這里，只使用單個比較器輸入引腳，選擇內(nèi)部參考電壓發(fā)生器提供的默認參考電壓V

23、ref=1.23（1±10%）V。所以，由圖2.8中電路，可計算出保護電壓為：（1.23×21）V=25.83V。2.4.4 PTC功能電路PTC功能即啟動加濃功能是指通過啟動加濃，使機車的啟動時燃油通過加濃通道與空氣混合，使機車啟動更容易。現(xiàn)在的座式車發(fā)動機上的化油器一般都設(shè)置有自動加濃閥裝置，在發(fā)動機啟動后的轉(zhuǎn)速急劇變化的一段時間內(nèi)，加濃閥自動打開。當轉(zhuǎn)速增加到一定時，需要MCU通過軟件控制PTC電路使電流導(dǎo)通流過PTC發(fā)熱體，從而關(guān)閉自動啟動加濃閥！這里不再對PTC發(fā)熱體的工作原理和過程進行詳細說明。PTC控制電路如圖2.10所示。圖2.10 PTC控制電路系統(tǒng)PTC

24、輸出外接PTC發(fā)熱塊，當PTC為低電平時，回路導(dǎo)通，電流流過發(fā)熱塊實現(xiàn)關(guān)閉自動啟動加濃閥功能。系統(tǒng)設(shè)計要求當發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于PTC額定啟動轉(zhuǎn)速后，P89LPC915的PTC功能輸出I/O口將被拉高。于是三極管Q7導(dǎo)通，發(fā)射極變高又導(dǎo)通三極管Q8，于是PTC輸出被Q8集電極拉低。本章節(jié)內(nèi)容介紹了電路個部分的設(shè)計，對功能性部分作了簡略的介紹。下一章，將對點火系統(tǒng)控制MCU的軟件設(shè)計部分進行介紹。第三章 軟件設(shè)計在進行軟件設(shè)計之前，必須對摩托車發(fā)動機點火系統(tǒng)的點火正時概念，以及CDI式的點火系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)提前角的原理有一個清楚的認識。下面，首先簡單介紹一下這部分內(nèi)容。3.1 簡介內(nèi)容點火正時及提前角延時

25、簡介3.1.1 點火正時對于摩托車發(fā)動機，運行過程中氣缸內(nèi)的氣體被活塞壓縮，噴油嘴給油，在汽缸內(nèi)形成高濃度的油氣混合物，當活塞將其壓縮到一定程度時，點火系統(tǒng)工作，火花塞放電點火，油氣混合物急速劇烈燃燒，推動活塞運動，為摩托車提供動力。活塞氣缸噴油嘴火花塞點火理想點火位置提前點火位置圖3.1 點火示意圖如圖3.1所示，在此過程中，理論上的理想狀態(tài)是當活塞運動到最高位置，如圖中黑線所示活塞的理想點火位置（即將油氣混合物壓縮最小體積）時，火花塞點火。這就稱做點火正時。點火正時的前提是認為點火后，油氣混合物瞬間燃燒。但是眾所周知，即使混合密度非常均勻的油氣混合物的燃燒也是有一定延時的，雖然這個延時很小

26、，但是對于點火系統(tǒng)來說卻是不可忽略的，況且很多發(fā)動機氣缸里的油氣混合物混合還沒有達到均勻的程度，更會加大完全燃燒的延時，導(dǎo)致點火不正時。長期工作于點火不正時的發(fā)動機系統(tǒng)不僅對汽油燃燒的利用率不高會導(dǎo)致油耗增加，更加會縮短發(fā)動機的使用壽命。3.1.2 提前角延時原理 由3.1.1節(jié)介紹可知，如果點火不正時，將會影響發(fā)動機的耗油和使用壽命。怎么解決點火不正時的問題呢？業(yè)界通用的CDI點火器提前角延時法便是針對這個問題的解決方案。什么是點火提前角呢？再看看圖3.1，黑實線表示理想的點火時刻，但是因為油氣混合物燃燒延時因素，如果等活塞運動到該位置再點火，那么將會造成點火不正時。所以，如圖3.1中虛線所

27、示，在活塞還沒有運動到最高的理想狀態(tài)位置時，我們提前一定的時間讓點火系統(tǒng)點火，以此來緩沖前面所提到的燃燒延時，盡量減小燃燒延時對系統(tǒng)運行的影響，使點火器的工作盡量逼近點火正時。因為活塞的上下沖程運動對應(yīng)的是發(fā)動機的圓周運動，我們從磁電機轉(zhuǎn)動圓周角度的方面來看的話，就是要提前一定的轉(zhuǎn)動角度讓點火系統(tǒng)點火，這便稱做點火提前角。另外，因為摩托車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍較大，所以，我們不能在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都使用同一個點火提前角。簡單來說就是，必須要讓CDI點火系統(tǒng)具備自動調(diào)節(jié)點火提前角的能力，使發(fā)動機在低速時點火提前角變小，在高速時點火提前角自動增大。那什么又是提前角延時呢？在說明這個問題之前，先介紹以下固定

28、點火方式，以方便和提前角點火做比較。首先，理想狀態(tài)的點火我們稱做：固定角度點火，簡稱為固定點火。如圖3.2A所示，固定點火方式是指點火始終在凸臺后沿信號到來時刻。固定點火時刻固定點火時刻固定點火方式A提前點火時刻提前點火時刻B提前角點火方式提前角延時提前角度對應(yīng)時間凸臺夾角對應(yīng)時間圖3.2 固定點火與提前點火而提前角點火方式如圖3.2B所示，提前點火時刻比固定點火時刻提前了一段時間。這段時間就是磁電機在當前轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)過提前角度所用的時間。另外，因為點火器是當PC觸發(fā)信號到來之后才被觸發(fā)開始工作，所以提前角延時就是指觸發(fā)前沿信號到提前點火時刻這段時間。所以有：提前角延時=(凸臺夾角-提前角)/當前

29、轉(zhuǎn)速 公式3-1必須注意的是不同的轉(zhuǎn)速下，對應(yīng)的提前角是不一樣的。前面介紹點火器類型時曾說過，模擬CDI點火器是通過專用芯片來盡量實現(xiàn)逼近點火二臺階曲線。而數(shù)字點火器則是只要獲得了發(fā)動機對應(yīng)的提前角變化規(guī)律，便可在程序中任意設(shè)定點火提前角曲線。3.2點火程序軟件設(shè)計 首先對程序設(shè)計功能及MCU的I/O口設(shè)定做簡要介紹。3.2.1 設(shè)計功能及I/O口設(shè)定本方案設(shè)計點火器主要有以下功能：u 點火提前角自動調(diào)整u 轉(zhuǎn)速限制u 過壓保護u PTC功能控制MCU的輸入輸出，如表3.1所示：表3.1 I/O口功能表I/O口功能P14觸發(fā)前沿(正脈沖)輸入P13觸發(fā)后沿(負脈沖)輸入P01停止振蕩輸出P04

30、模擬電壓比較正向輸入，使用內(nèi)部參考電壓P10點火輸出P11PTC功能控制輸出3.2.2 程序主體結(jié)構(gòu)介紹開始初始化觸發(fā)輸入是否正常進入連續(xù)點火模式NY連續(xù)點火模式初始化進入循環(huán)模式PTC、限速及過壓保護功能判斷處理計算處理得到提前角延時數(shù)據(jù)點火處理AB 圖3.3 流程圖1如圖3.3A為程序主要結(jié)構(gòu)流程圖，當初始化完成后，程序?qū)⒉粩鄼z測是否有觸發(fā)信號到來，如有IN1，IN2信號到來，判斷IN1，IN2信號是否持續(xù)400US，以防止尖峰脈沖干擾。以下為程序主函數(shù)：程序清單1其中，check_pulse()為信號檢測子函數(shù)：程序清單2 run_ignite()為連續(xù)點火子函數(shù)。3.2.3 連續(xù)點火模

31、式連續(xù)點火模式是指程序經(jīng)過初始化并收到正確的輸入信號后，開始進行循環(huán)的點火過程。它執(zhí)行一遍就對應(yīng)著磁電機轉(zhuǎn)動一周。如圖3.3B為連續(xù)點火模式的流程圖。這里將不對整個程序做詳細介紹，重點說明以下幾部分內(nèi)容：第一部分 當前轉(zhuǎn)速計算連續(xù)點火模式每循環(huán)一次，都會計算一次當前轉(zhuǎn)速。在連續(xù)點火模式初始化中，會打開定時器1計時，然后利用兩次IN1外部中斷的間隔時間得到當前轉(zhuǎn)速周期，便可通過計算得到當前的轉(zhuǎn)速。這里需要說明一點的是，磁電機的轉(zhuǎn)速在高速時可達10000r/min，為了方便對8位寄存器的操作，所以對當前實際轉(zhuǎn)速作除以100的操作，得到商代表當前轉(zhuǎn)速，這樣以保證當前轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)在256范圍以內(nèi)，并增加了

32、一個表示當前轉(zhuǎn)速余值的數(shù)據(jù)。程序清單3第二部分 提前角延時數(shù)據(jù)的計算這部分是按以下流程進行計算的：得到當前轉(zhuǎn)速及當前轉(zhuǎn)速余數(shù)根據(jù)當前轉(zhuǎn)速計算提前角數(shù)據(jù)地址根據(jù)地址從設(shè)定數(shù)組中取出兩個相鄰的提前角數(shù)據(jù)進行插值計算判斷進角方向提前角插值提前角插值由提前角得到提前角延時數(shù)據(jù)正向進角反向進角 圖3.4 流程圖2程序清單4 提前角數(shù)據(jù)的計算是通過查表的方式來實現(xiàn)。在程序的開始定義了一個一維數(shù)組用于查表，因為程序中操作的當前轉(zhuǎn)速是經(jīng)過除以100的處理之后的數(shù)據(jù)，所以該數(shù)組中相鄰兩個提前角數(shù)據(jù)對應(yīng)的實際轉(zhuǎn)速間隔為100r/min。如上所示，該數(shù)組數(shù)據(jù)可根據(jù)調(diào)試結(jié)果更改，以滿足用戶需求。根據(jù)當前轉(zhuǎn)速計算出查表

33、用的提前角數(shù)據(jù)地址。這樣，查表就可以得到原始的提前角數(shù)據(jù)。這里程序借用了125AN車型點火器的提前角數(shù)據(jù)。程序清單5上面取了兩個相鄰的原始提前角數(shù)據(jù)。是為了進行插值計算。這里采用了工程計算中常用的牛頓插值法，其特點是函數(shù)逼近。通過有限個已知點，可以利用插值法計算出插值，得到較為精確的函數(shù)曲線。已知點越多，牛頓插值均差的階數(shù)越高，近似逼近就越精確。下面對牛頓插值公式做個簡要介紹。 YXX1X2XY2Y1 圖3.5 牛頓插值公式圖如圖3.5所示，Y為X的一維函數(shù)，Y2=F(X2), Y1=F(X1)。則當X1XX2時，函數(shù)Y對應(yīng)當前X的插值計算公式為： K=(XX1)/(X2X1)×(Y

34、2Y1) 公式3.2所以，根據(jù)前面所取的相鄰兩個提前角數(shù)據(jù)，可以計算當前轉(zhuǎn)速對應(yīng)的提前角插值： 當前插值(當前實際轉(zhuǎn)速V1)/(V2V1)×(Q2Q1) 公式3.3這里的V1，V2為處理過后的相鄰當前轉(zhuǎn)速，所以有V2-V1=1。另外，還滿足關(guān)系：V1所代表實際轉(zhuǎn)速當前實際轉(zhuǎn)速V2所代表實際轉(zhuǎn)速，所以有：（當前實際轉(zhuǎn)速V1）即是當前轉(zhuǎn)速余值。于是，最終的計算公式為： 當前插值當前轉(zhuǎn)速余值×(Q2-Q1) 公式3.4計算出插值后，再根據(jù)提前角的變化趨勢判斷出是正向進角還是反向進角以進行插值的加減運算，這樣便完成了利用插值法對點火提前角數(shù)據(jù)的修正過程。牛頓插值法在這里的應(yīng)用，大大

35、地提高了提前角曲線的精度，使系統(tǒng)點火時刻更加精確，提高了點火器的性能。程序清單6得到處理過的提前角數(shù)據(jù)后，根據(jù)3.1.2介紹，利用公式3.1，便可計算的出當前轉(zhuǎn)速下的提前角延時數(shù)據(jù)了。這里需要說明一點的是，本方案確定的磁電機觸發(fā)凸臺角度為36°，而且提前角度也在這個范圍內(nèi)，相對于8位寄存器最大存儲數(shù)據(jù)255，其變化范圍均較小。所以程序中對凸臺夾角和提前角都作了除以0.15的操作（36÷0.15=240），以放大角度的變化范圍，便于更精確的操作。這樣，需要將程序中的角度數(shù)據(jù)做乘以0.15的操作，以還原為實際角度，才能將其用來計算提前角延時。程序清單7第三部分 點火處理雖然連續(xù)

36、點火模式的循環(huán)中，每一次都會按前面所介紹的方法計算提前角延時數(shù)據(jù)，但是在點火的處理中，卻不是每次都使用了這個數(shù)據(jù)來延時點火。因為除了提前角延時點火外，還有固定點火方式。點火處理這部分程序首先就是判斷本次點火的點火方式是這兩者中的哪一個，然后再進行相應(yīng)的處理操作。在程序中特別定義了一個表示點火方式的標志變量ignite_pattern，當ignite_pattern=0時為提前角延時點火，否則為固定的點火（關(guān)于這一點，有一個問題，原來設(shè)計時為了節(jié)省空間，盡量少定義變量，所以將幾個程序中的狀態(tài)標志定義為一個可位操作的變量的不同位，但是編譯出的程序在判斷點火方式時卻會跑飛，不得不將點火方式提出來另外

37、定義）。如圖3.6所示，為點火處理部分的詳細流程圖： 圖3.6 點火流程圖相關(guān)代碼如下所述：程序清單8其中ignite_deal()為具體的點火處理子程序：程序清單9相關(guān)幾個子函數(shù)代碼如下：程序清單10程序清單10(續(xù))這里說明一下，本程序中固定點火方式的兩種情況：Ø 開始點火的前幾個周期，相關(guān)變量 start_count；Ø 當前轉(zhuǎn)速低于1000r/min；第四部分 PTC控制功能的實現(xiàn)程序進入連續(xù)點火模式后，首先就對是否開啟PTC功能做了判斷，如果當前轉(zhuǎn)速大于設(shè)定的PTC功能開啟轉(zhuǎn)速，則開啟PTC功能（PTC置1）。需要注意的是，因為連續(xù)模式執(zhí)行一遍的時間較短，電機轉(zhuǎn)速

38、不可能發(fā)生較大的變化，這里判斷的轉(zhuǎn)速是磁電機上一周的轉(zhuǎn)速（即程序上一個連續(xù)點火模式中計算出的轉(zhuǎn)速）。代碼如下：程序清單11第五部分 限速及過壓保護功能在程序中，定義了一個可位操作的狀態(tài)變量，將其中兩位分別設(shè)置為限速標志位和過壓狀態(tài)位。以方便我們進行限速和過壓保護操作：當轉(zhuǎn)速大于設(shè)定的限速值后，置為限速標志位；當外部輸入模擬比較電壓大于內(nèi)部比較電壓時，置過壓狀態(tài)位。這兩個功能是緊跟在PTC功能判斷之后進行，只要限速標志位和過壓狀態(tài)位其中有一個為1，則關(guān)振蕩電路（OSC=1），停止點火系統(tǒng)工作，否則就開振蕩，系統(tǒng)正常工作。但是需要注意的，判斷關(guān)振蕩，這時程序仍然在運行，下一次循環(huán)將繼續(xù)做此判斷處理。相關(guān)代碼如下：程序清單12其中子函數(shù)check_