汽车发动机爆震传感应用：HIP9011EVAL1Z评估板解析

在如今追求汽车高效低排放的大环境下，政府和汽车行业都在不断努力。微控制器对汽车发动机的精密控制，在实现这一目标的道路上迈进了一大步，其中发动机点火控制是关键因素之一。HIP9011这款芯片，为发动机微控制器提供更详细的信息，助力提升发动机性能。

文件下载：HIP9011EVAL1Z.pdf

发动机爆震传感基础

汽车发动机在接近爆震或提前点火的点火正时条件下运行时效率最高，越接近这个条件，发动机性能越好。HIP9011爆震信号处理IC就如同一个敏锐的“侦察兵”，能检测到之前难以察觉的发动机爆震或爆燃信号。

HIP9011信号处理IC的工作原理

信号输入

发动机缸体上安装的一个或两个压电传感器的输入信号，通过电容耦合到HIP9011内部运算放大器的输入端。对于“V”型发动机，通常每侧各用一个传感器；直列发动机可在缸体两端放置传感器，有时也会通过策略性放置一个传感器来获取最佳信号输出。HIP9011能够在每个点火脉冲时进行可编程增益变化，这为不同的发动机配置提供了灵活性。在一些高端应用中，会使用两个HIP9011芯片。

输入滤波

输入耦合电容和串联输入电阻构成高通滤波器，减少传感器的低频分量。交流耦合还能降低因传感器或环境泄漏电阻增加导致输入放大器输出接近正电源的可能性。HIP9011的同相输入端通常连接到设备输出端提供的中间电源电压。

信号选择与抗混叠滤波

发动机微控制器的信号通过切换运算放大器输出端的传输门，决定每个点火脉冲时HIP9011运算放大器处理哪个传感器的输入信号。之后，信号进入HIP9011内部的抗混叠滤波器，该滤波器可排除高于20kHz的输入信号，避免对后续开关电容滤波器和增益级产生影响。HIP9011提供一个滤波通道，调谐范围从1.22kHz到19.98kHz，共64个步长，微控制器通过SPI总线发送串行控制信号来设置滤波器频率。

整流与积分

滤波级的输出经过全波整流后进入积分器。积分器的操作由微控制器的INT/HOLD信号启动，仅在INT/HOLD信号的上升沿，积分器从初始复位状态0.125V开始积分。当存在爆震信号时，积分向正电源方向进行，爆震信号的强度和积分器的可编程时间常数决定最终积分水平。积分器时间常数可在40μs到600μs之间以32个步长进行编程，可看作输出信号衰减器，其值由微控制器的SPI控制信号设置。

信号保持

INT/HOLD信号变低后，积分器的输出信号INTOUT被保持在HIP9011的输出采样保持电路中，供微控制器的A/D转换器处理。

积分器操作及波形观察

观察积分器输出信号INTOUT对理解信号处理IC的操作至关重要。但使用示波器观察INTOUT信号时，可能会因采样系统的混叠问题导致显示不准确。例如，采样点数仅为500时，示波器显示可能出现误差，而使用一百万个采样点时，能更准确地描绘INTOUT波形。在观察时，若使用采样点数有限的数字示波器，可使用由51k电阻和510pF电容组成的外部抗混叠滤波器，衰减积分期间的内部200kHz时钟信号；对于在积分周期后采样的A/D转换器，则无需滤波器。

实验室设置

在对发动机进行评估之前，可通过实验室设置来了解HIP9011的操作。使用一个信号发生器提供INT/HOLD信号，其宽度根据发动机转速和类型从几百微秒到几毫秒不等；另一个信号发生器提供爆震信号。改变IC滤波器频率或振荡器频率（从200Hz到100kHz），观察积分器输出INTOUT的变化。

评估板介绍

硬件配置

评估板配备4MHz晶体，也可使用4MHz陶瓷谐振器。板上有三个引脚可接受谐振器替换晶体。还提供预接线的输入放大器配置板，可进行单端操作，也可使用通用空白板制作差分输入板。

软件显示

在Microsoft Windows系统中使用评估板时，计算机上会显示HIP9011的相关信息。若文本显示覆盖方框导致难以阅读，可通过更改计算机字体大小解决。计算机为每个功能编写的代码显示在显示屏右下角，可通过打开不同设置的窗口并点击鼠标激活所需设置。

开路爆震传感器检测方法

信号耦合检测法

将低电平、低频交流信号耦合到放大器输入，若耦合电容值远小于压电传感器电容，耦合信号会被衰减。当压电传感器从输入电路移除时，原本衰减的900Hz信号会变大，驱动IC输入运算放大器达到满输出，产生类似严重爆震的高频分量，控制系统会降低发动机效率以维持运行，此时需要维修恢复正常。

软件算法检测法

利用IC内增益级的可重编程性，例如每5次发动机旋转重新编程增益级。先将增益降低到最低可编程水平，确定传感器断开的阈值参考值；再将增益设置为正常工作值，若传感器断开，INTOUT信号水平会降至接近最低增益时的水平，从而判断传感器断开。也可在发动机启动时，将发动机正时提前到爆震水平，观察INTOUT信号，若检测不到爆震，则认为传感器开路。

应用技巧

电容耦合

在传感器串联耦合电容，可降低IC内运算放大器反相输入端接地的可能性，避免放大器输出过高，影响信号处理能力。

信号处理

确保输入放大器及后续级在最大预期输入下接近最大峰峰值信号水平且不超载，可使积分器级设置较低增益和较大时间常数，降低输出级灵敏度。同时，将输入运算放大器的输出保持在最大预期输出摆幅的一半以内，保证后续模拟初始化滤波器有足够的动态范围。开关电容增益级可用于衰减或放大信号，在需要更高增益时，可通过增加积分窗口来提高系统有效增益。

其他应用

HIP9011信号处理IC拥有超过130,000种编程组合，设计独特，具有很强的灵活性。除发动机爆震传感外，还可用于安全系统的声学频谱分析，存储和比较房间、区域或系统的声学特征；也可用于重型传输设备或其他机械设备的传感器，检测轴承磨损等声学特性，实现预防性维护。

电子工程师们在使用HIP9011时，需深入理解其工作原理和应用技巧，根据具体需求进行合理设计和调试，以充分发挥其性能优势。大家在实际应用中是否遇到过类似芯片的使用难题呢？欢迎交流分享。