四缸汽油机曲轴及凸轮轴信号生成（基于STM32）

曲轴凸轮轴位置信号对于发动机电控十分重要，通过它们可以确定曲轴当前转速，以及判定x缸活塞到达上止点（判缸），是喷油和点火的重要依据。本次实验我们尝试基于STM32F103的最小系统板，来模拟脉冲型曲轴和凸轮轴信号。

曲轴每旋转2圈，凸轮轴旋转1圈，完成4次点火（1-3-4-2）。4缸汽油机常见的曲轴信号为60-2，即一周58个周期脉冲加两个周期低电平；4缸汽油机常见凸轮轴信号为每转4个脉冲（对应x缸活塞上止点，曲轴换向），且在一缸脉冲后30°额外添加一个脉冲，作为1缸信号（类似于磁场定向中的Z脉冲信号）。实际的曲轴与凸轮轴通过正时链条（或皮带）连接，具有同步性。

本次实验采用两个定时器（定时器1，定时器2），一个定时器中断服务（定时器1更新中断）。定时器1通过PWM（硬件动作，节省计算资源）来模拟曲轴脉冲信号，脉冲计数则在定时器1中断服务中完成。定时器2通过PWM来模拟凸轮轴脉冲信号，而脉冲计数则在定时器1中断服务中完成。

首先给出两个定时器的配置，

void TIMER1_INIT(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//输出PWM需要配置为复用推挽GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);TIM_InternalClockConfig(TIM1);//定时器1启用内部时钟TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;//时基单元配置TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Down;//向下计数TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100-1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72-1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseInitStructure);TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);//初始化其他未设置的变量TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;//PWM1模式（高有效）TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);//（第1通道）TIM_ClearFlag(TIM1, TIM_FLAG_Update);//清中断标志位TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_Update, ENABLE);//开定时器中断TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update);//清定时器1中断标志位TIM_Cmd(TIM1, DISABLE);//关定时器TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, DISABLE);//关pwm主使能（高级定时器独有）NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//中断优先级配置NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_UP_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//配置中断通道
}

void TIMER2_INIT(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);   RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);TIM_InternalClockConfig(TIM2);//定时器1启用内部时钟TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;//时基单元配置TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 200-1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 1080-1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);//初始化其他未设置的变量
//  TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;//PWM1模式（高有效）
//  TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Reset;
//  TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_Low;TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
//  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Disable;//关下路互补，做单(上)桥臂斩波TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);//（第1通道）TIM_SetCounter(TIM2, 197);//同步预装TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);//等待软件开定时器2
}

为了保证两个定时的PWM脉冲尽量对齐，在主程序中依次开启两个定时器，

int main()
{   TIMER1_INIT();TIMER2_INIT();TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);//曲轴信号TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);//凸轮轴信号TIM_SetCompare1(TIM1, 0);TIM_SetCompare1(TIM2, 0);while(1){}
}

考虑到曲轴和凸轮轴信号并非单纯的脉冲，其存在大周期，所以两定时器比较器的装载值在定时器1中断服务中根据脉冲计数值来给定。

这里有一些需要注意的地方：

PWM是硬件动作，软件对比较器装载值的实时修改有时是“不及时”的。具体来讲，以向上计数，上溢中断为例，当计数器周期为100，比较器装载50，我们将得到0.5占空比的PWM，当完成58个脉冲输出后，我们需要在下个中断服务中将比较器装载值改为1，或直接关PWM，这里就体现的软件“不及时”的问题，如下图

可以看出，原本是完全低电平的最后两个周期出现了两个窄脉冲，这是因为由上溢中断到来至配置比较器装置（或关PWM），程序执行需要时间，而在这段时间中比较器值大于计数器，所以PWM会出高电平。考虑到上述问题，本次实验采用向下计数，这样当更新（下溢）中断到来时，比较器值小于计数器，PWM不会出高电平。如下图所示

对于曲轴信号，脉冲计数器值58，59和118，119为全周期低电平，大于119则归零复位（曲轴转2圈，凸轮轴转1圈，进入下一周期）。

凸轮轴信号通过通过定时器2的PWM来模拟，曲轴完成两个60-2，凸轮轴完成一个4脉冲，+一个1后30°单脉冲，所以定时器1的PWM频率时定时器2的30倍，通过设置分频及计数器周期可以对定时器2的PWM周期灵活调整；通过定时器2计数器的预装值来微调其相位。最后对于1缸上止点后30°的单脉冲，可通过在中断服务中修改定时器2比较器装载值来实现，如下图，

这里30°可以通过曲轴脉冲数来确定，凸轮轴30°对应曲轴60°，即第10脉冲，至于凸轮轴脉冲宽度，可以自定。中断服务如下

void TIM1_UP_IRQHandler(void)//定时器1中断服务函数
{static uint16_t num;//曲轴脉冲计数器if(TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_Update)==SET)//查定时器1中断标志位{  TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);//开pwm主使能（高级定时器独有）num++;if(num>=10&&num<=12){TIM_SetCompare1(TIM2, 100);}else if(num==58|num==59|num==118|num==119){TIM_SetCompare1(TIM2, 20);TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, DISABLE);//关pwm主使能（高级定时器独有）}else if(num>119){num = 0;TIM_SetCompare1(TIM2, 20);TIM_SetCompare1(TIM1, 50);}else {TIM_SetCompare1(TIM2, 20);TIM_SetCompare1(TIM1, 50);}TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update);//清定时器1中断标志位}
}

最终效果如下，

介于本人水平有限，本次实验目的仅仅是抛砖引玉，希望大家能够贴上更简单的代码。

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