轮机工程硕士论文-基于ARM的仿真柴油机电控单元设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 i 类号 学校代码 10497 udc 学 号 学 位 论 文 题 目 基于arm的仿真柴油机电控单元设计 英文题目ecu design of simulation diesel engine based on arm 研究生姓名 姓名 职称 教授 学位 单位名称 能源与动力工程学院 邮编 430063 申请学位级别 硕士 学科专业名称 轮 机 工 程 论文提交日期 2009 年5 月 论文答辩日期 2009 年6 月 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 2009年6月 指导教师 武汉理工大学硕士学位论文 ii 独 创 性 声 明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 日期 2009.6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后遵守此规定） 武汉理工大学硕士学位论文 iii 摘 要 随着社会现代化步伐加快和环境污染的日趋严重， 世界各国政府从人类 可持续发展的角度考虑，陆续制定了越来越严格的排放法规，柴油机作为消 耗能源和排放燃烧产物的动力装置，对环境起着重大影响。为了减轻柴油机 对环境污染的程度，电控柴油机应运而生。 本文在深入分析电控系统控制原理的前提下， 确定了高压共轨柴油机电 控系统的总体设计方案，进行了高压共轨柴油机电控单元的硬件开发设计， 主控芯片采用韩国 samsung 公司的 32 位微控制器 s3c44b0x，并选定了 电控系统中的传感器与执行器。 结合电子控制理论，经过对系统控制方案的设计，最终获得喷油量、喷 油定时和共轨压力等主要控制变量的控制策略。对于整个电控系统，采用基 于油量的控制策略，划分了高压共轨柴油机的运行状态，实现了稳定控制共 轨压力和精确控制喷油量、喷油定时的目标，同时满足柴油机快速起动和平 稳运转的要求。 根据分层设计和模块化思想，进行了电控系统的软件开发，控制软件包 括初始化模块、信号采集模块、驱动控制模块、串行通信模块等四大功能模 块。以上各模块在电控系统中既相对独立又相互联系，实现了完整的电控系 统的控制任务。最后，深入分析了 uclinux 操作系统，并将 uclinux 移植到 控制器平台上。 关键词：关键词：柴油机，控制，s3c44b0，uclinux 武汉理工大学硕士学位论文 iv abstract as the step of modernization become more and more fast and increasingly serious pollution of environment,considering with sustainable development of human,government throughout the world continuously drew up more rigorous emission legislation.the diesel engine is energy plant which consumes energy and emissions combustion product,it emphasize great influence to environment. electronic controlled engine is born for easing the degree of pollution of environment. based on the control principle of electronic control system, a total design scheme of the electronic control system for cr diesel engines has been made out. the hardware of electronic control unit (ecu) for cr engines is designed and developed. samsungs s3c44b0x micro controller unit is used as the electronic control unit. the sensors and actuators are also selected in this paper,on the basis of the electronic control theory, the stable control strategy of injection quantity, injection timing and rail pressure have been designed after designing of systems control proj ect. the inj ection quantity and the inj ection timing are controlled on the basis of the map, and the rail pressure is mainly controlled by using pid of closed loop. finally, the whole control system adopts the control strategy based on the injection quantity. according to various conditions of the diesel engine, detailed control strategy achieves the steady rail pressure, precise injection quantity and injection timing,as well as the performance of rapid starting and stable running. according to the idea of hierarchical and modular design,the development of controlled software is divided into four functional modules,including initialization module,signal acquiring module,driver module,serial communication module and so on.all above modules are independent,but interrelated to each other, and they can achieve the control objects of electronic control system together.finally, the paper analyses the structure of uclinux and introduces how to port uclinux to the platform. key words: diesel, control, s3c44b0,uclinux 武汉理工大学硕士学位论文 1 目 录 摘摘 要要 . ii0 abstract iv 目目 录录 1 第第 1 章章 绪绪 论论. 1 1.1 柴油机电控发展历程和现状趋势1 1.2 电控涉及领域技术 4 1.3 选题背景和意义 6 1.4 本文所完成的工作 8 第第 2 章章 柴油机电控单元硬件柴油机电控单元硬件 9 2.1 概述 9 2.2 ecu 平台设计目标及主控芯片选型10 2.2.1 设计目标10 2.2.2 主控芯片性能特点 11 2.2.3 系统各电路模块综述15 2.3 输入信号及调理电路19 2.3.1 转速与上止点位置传感器及其信号调理电路19 2.3.2 压力传感器及其信号调理电路20 2.3.3 温度传感器及其信号调理电路22 2.4 输出信号及调理电路23 2.4.1 高速电磁开关阀驱动及信号调理电路 23 2.4.2 共轨油压调节阀驱动及信号调理电路 25 2.5 硬件抗干扰措施 26 第第 3 章章 基于嵌入式基于嵌入式 uclinux 系统电控平台移植系统电控平台移植. 29 3.1 uclinux操作系统架构29 3. 1. 1 uclinux 概述 29 3.1.2 uclinux 架构30 武汉理工大学硕士学位论文 2 3.2 uclinux的嵌入移植31 3.3.1 引导程序 bootloader 移植 31 3.3.2 uclinux 针对硬件的修改 33 3.3.3 uclinux 的移植步骤34 3.3 驱动编写与移植35 3.3.1 uclinux 内核的设备驱动35 3.3.2 nand flash 驱动编写 36 3.3.3 lcd 驱动编写42 3.3.4 采集模块驱动45 第第 4 章章 柴油机电控单元软件设计柴油机电控单元软件设计 50 4.1 软件设计原则50 4.2 软件模块划分与开发步骤 50 4.2.1 模块划分50 4.2.2 模块开发步骤51 4.3 主要软件模块设计 51 4.3.1 系统软件初始化 51 4.3.2 数据采集模块52 4.3.3 喷油时序控制55 4.3.4 串口通信模块56 4.4 软件抗干扰措施 57 第第 5 章章 结论与展望结论与展望 . 59 参考文献参考文献. 61 致致 谢谢 64 攻读学位期间所发表的论文攻读学位期间所发表的论文 65 武汉理工大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 随着人类物质文明和物质生产的迅猛增长,社会环境经最近几十年的变 迁已很明显地表现出匮乏疲惫,自然资源极度短缺、 环境排放污染日益严重， 西方等世界各国业己制定了严格的行业排放限制， 动力机械排放上要求各动 力制造厂商限期达标，否则不准销售,化工行业排放污水要求不超过一定的 ppm 值,违反予以停业整顿。对此,我国政府早已提出可持续发展战略,对社 会环境也已采取了适应目前我国国情的一系列措施。为争取与国际接轨,在 亚洲，泰国、印度、韩国等国城市已于几年前实施欧 ii 标准，我国于 2002 年 8 月,北京提前实行，2003 年开始全国实行，欧 iii 已于北京、上海率先 推行，这些有助于对我国市场上的机动车辆实行严格的排放限制 12。然而， 发动机作为复杂的非线性动力控制对象，所涉及的行业及控制目标参数众 多，控制成套装备系统还未成熟。对此开发发动机电控对发动机应用高性能 的 ecu (engine control unit，发动机电控单元)，已成为我国及世界汽车 行业解决这一难题的关键途径。尤其是我国举办奥运之际，面临国外产品涌 入国内的大环境下，开发有自主知识产权的 ecu 具有重要意义。 1.1 柴油机电控发展历程和现状趋势 1）发动机电控单元概述与一般控制模型 柴油机电控单元 ecu（engine control unit）作为近二十年来伴随着 柴油机性能的改善和计算机应用技术的发展，其控制性能不断完善、控制算 法不断更新、 使柴油机效率不断提高和使用环境得到改善。 那么什么是 ecu， 可以这样定义它就是一个用于对柴油机各项性能指标进行智能化的综合控 制、以期达到人们预期的控制目标的电子控制系统。它表现为从传感器等各 种现象感知装置中接收所采集的电信号，对电信号进行接收、运算、存储、 通讯、显示及发送等动作，然后将整理完后的信息进行命令式的发送，使执 行机构完成执行动作，使控制对象完成控制目标。 一般情形下，柴油机电控单元模型的通常结构可为如下形式如图 1-1 柴油机电控单元模型结构所示： 武汉理工大学硕士学位论文 2 这种模型结构是目前柴油机电控装置典型的测控结构单元， 应用在国内 外表现为对各个功能用各自单一的 ecu 进行控制， 这种单一控制模式在柴油 机电控早期应用比较多。另一种为分布式集中控制，在随后的微控芯片不断 发展为高性能的 mcu 后，应用在电控柴油机上，表现为各功能控制分布在柴 油机各个系统，而运算、控制则由高性能芯片集中处理，这种电控模型也逐 渐成为以后智能动力控制发展的趋势 123。 2）发动机电控自 70 年代以来的发展与现状趋势 在国外发动机电控技术研究开始于上世纪六七十年代。 并于九十年代进 入快速发展和应用阶段，20 世纪 80 年代开始出现了以位置、时间控制式电 喷为主的燃油电控喷射系统。90 年代就开发了功能更为强大的共轨式系统。 目前的燃油喷射系统不仅能够控制喷油参数，而且对怠速稳定性、起动性、 egr、增压、以及各缸喷油量均衡性等也可实施控制。据燃油喷射系统的工 作原理和控制方式，大致可将柴油机电控系统分为三代： 第一代位置控制系统是以电子调速器取代机械/液压式调速器 456。喷 油泵上增设传感器、执行器(齿条或滑套)，通过微控制器控制齿条的位置来 对喷油量进行调节。该系统的特点是对现有柴油机改动较少，继承性好，不 依赖电磁阀等工艺不高的执行器，也易为柴油机生产企业接受。但缺点是因 燃油泵输送和计量机构基本不变，喷油系统参数受柴油机转速影响大，控制 自由度小，精度差，难以实现喷油规律的精确控制，凸轮机构、柱塞套的应 力和变形限制了喷油压力的提高。这样在电控系统的灵活性、适应性和精确 度上有了较大限制， 目前该类系统主要有基于分配泵和基于直列泵的两种类 型 5789，分别如日本电装公司 ecd-v1 系统10【11，德国 bosch 公司的 edr 系统 1213。 武汉理工大学硕士学位论文 3 第二代时间式直喷柴油机电子控制喷射系统 568, 它通过电子控制单 元驱动高速电磁阀对喷油量和喷油正时进行控制。 喷油始点取决于电磁阀开 启时刻，喷油量取决于电磁阀开启时间长短。相对于位置控制系统，时间控 制系统的控制自由度更大，也更精确。它的缺点是燃油喷射压力仍然与发动 机转速有关，即 ecu 驱动电磁阀控制喷油正时需以凸轮转角为基准来控制 51415，喷射后残余压力不恒定而且对高速电磁阀的性能要求很高，电磁阀 必须在承受高压的条件下有良好的动态响应特性和静态特性。 目前应用较广 泛的第二代电控燃油喷射系统主要有基于分配泵的时间控制电控系统、 电控 泵喷嘴系统和电控单缸泵系统，分别如 stanadyne 公司的 ds 系统，美国 detroit 公司的 ddec 系统，德国 bosch 公司的 eup 电控单缸泵系统 5。 第三代为压力时间控制系统(共轨控制系统)，它扔掉了传统喷油泵中 的齿条、滑套、柱塞上斜槽、控制喷油正时的提前机构等。油泵的作用是为 公共的蓄压管(共轨管)建立压力，该压力作用到每个电控喷油嘴。高速电磁 阀控制喷油器的开启以实现每一次喷油控制。喷油压力、喷油量以及喷油定 时都可由 ecu 灵活控制，喷油速率也可通过对喷油器内部结构的特殊设计， 或通过高速电磁阀的多次动作而自由选择或灵活控制 12。利用共轨技术，柴 油机可以在所有转速和负荷下提供高喷射压力， 并且可以把喷射过程分成几 个阶段，即预喷射(pilot)、主喷射(main)和后喷射(post)，后者废气循环 的控制具有重大的意义。这些特点有效改善了柴油机的经济性、动力性和排 放性能，使柴油机能够满足现代严格的燃油消耗指标和排放法规，同时提供 良好的舒适性和可控性。 在国内， 柴油机电控系统的研究和开发 开始于上世纪 90 年代初，研究和发展的对 象包括基于直列泵和转子泵的位置控制系 统， 清华大学的时间式电控泵管阀嘴 的 ppvi 系统，并开发出相应的高性能电磁 阀。ppvi 系统是一种时间控制电控喷射系 统，是对机械式直列泵-管-阀-嘴系统实施 电子控制的新型系统， 较适合于我国直列泵 应用广泛的国情，并且具有结构兼容性好、 硬件简单特点。 系统结构如图 1-2所示 663： 武汉理工大学硕士学位论文 4 现阶段国内的发展热点为高压共轨系统， 无锡油泵油嘴研究所及上海交 通大学、清华大学、天津大学等高校在做相关的开发和研究，另外中国一汽 集团公司在进行电控单体泵的开发研究。 目前国内柴油机电控的发展水平还 处于研究开发阶段，离产业化还有一段距离。 纵观柴油机电控燃油喷射系统的发展和未来柴油机对喷射系统的要求， 柴油机电控燃油喷射系统将面向以下发展方向 2416： ? 高喷射压力； ? 独立的喷射压力和独立的喷射正时控制； ? 高性能处理芯片单元； ? 可变的预喷射及后喷射控制能力； ? 最小油量喷射控制能力； ? 快速断油能力； ? 补喷射和多次喷射控制； 1.2 电控涉及领域技术 柴油机是一个多元参数和复杂常变环境的动力系统， 要控制这些参量达 到预期目标，所涉及的领域和相关技术很多，归纳有如下几类技术： ? 高速电磁阀的研制技术 高速电磁阀是柴油机电控燃油喷射系统的核心部件。无论是泵-管-嘴 系统、电控分配泵系统、电控单体泵系统、泵喷嘴系统还是共轨式燃油喷射 系统，对燃油喷射过程的电子控制都是通过电磁阀来实现 59。作为柴油机电 控燃油喷射系统的关键执行器，电磁阀的工作状态，尤其是它的快速响应能 力和强电磁作用力等性能直接影响电控燃油喷射系统的控制精度， 进而决定 柴油机的动力性、燃油经济性和排放物的生成。因此，高性能电磁阀的研制 及其特性测试技术的研究具有重要的理论意义和应用价值， 是实现柴油机电 控燃油喷射系统的关键器件。 ? 电控柴油机控制理论技术 柴油机电子控制使用的控制方法从早期的经典控制理论的 pid 算法逐 步发展到优化控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制以及预测控制等 多种现代控制理论。 现代控制理论的引入使得电控系统更能适应柴油机这一 武汉理工大学硕士学位论文 5 类复杂多变量系统，时变系统和非线性系统，此外，现代控制理论与不断进 步的新型电控器件相结合， 使柴油机电控技术在进入实用化方面不断取得新 的突破。 ? 电控硬件技术 电控单元主要的硬件核心微控制芯片，由一般功能的 8 位、16 位的微 处理器发展到 32 位、 64 位微处理器， 国外专用于汽车微型机业已研制出来。 同时，在传感器技术发展方面应用了微控智能化技术，形成了新型的智能化 传感器，应用在复杂、多变的环境中仍拥有良好的性能。这些微控制芯片以 及相应的软件技术的快速发展，加快了发动机电控装置向高性能、智能化发 展，推动了发动机电控应用的升级。 ? ecu 在环仿真技术 进入 90 年代，电子芯片以及软件技术得到快速发展，软硬件性能都极 大提高，能够完成更多的复杂任务，因此工程领域逐渐又衍生出了半物理仿 真，也可称之为硬件在环仿真或实时仿真，以满足充分利用仿真技术对系统 进行深入研究的实际要求。 所谓实时仿真，即将实际系统的一部分设备和计算机相互联结，用数学 仿真的方式对其中不存在或不便于实验的部分系统进行仿真， 而又同时保证 整个系统在实时运转。可以看出，实时仿真技术综合了物理仿真和数学仿真 两者的优点，充分利用计算机建模的简易性，减少了费用，便于对系统的模 型部分进行灵活快捷的仿真、变更，保证实现了在改变参数的同时就可详细 观察系统性能的变化，同时对系统中一些非考察重点的复杂环节，可直接将 其硬件连入整个仿真系统，配合其它模型的实时仿真运转，而不必花费过多 的精力去对系统的全部细节进行数学建模。因此目前，实时仿真技术在控制 系统的设计过程中，由于系统功能日益丰富，设计难度日益加大，利用实时 仿真作为整个系统的开发平台则可以预先逐步检验控制系统设计的合理性 和可靠性，从而大大提高控制系统的研制质量，减小研制风险和提高设计成 功率。也正是由于硬件在环仿真所具备的这些优点，它日益被视为开发研制 柴油机电控系统的最佳工具。 武汉理工大学硕士学位论文 6 1.3 选题背景和意义 自从 1893 年狄塞尔发明柴油机至今 100 多年的过程中，柴油机技术得 到很大的提高，相对汽油发动机，柴油机具有以下优点 1011： ? 压缩比大，动力性强； ? 燃油消耗率低，在相同功率下，柴油机比汽油机可节约燃料 25%-30%； ? 耐持久性高； ? co、co2、hc 等排放量较汽油机低得多，在二氧化碳排放方面占有明 显优势，co2等温室气体排放比汽油机减少 45%。 然而，柴油机也存在碳烟排放量大、工作粗暴、噪声大等缺点 1213。随 着柴油机技术的发展，尤其是柴油机电控燃油喷射技术的进步，柴油机的性 能将迅速提高。各国都在鼓励更多地应用柴油发动机，尤其是在轿车领域， 目前欧洲轿车柴油化的比例已接近 40%，其中法国已超过 50% 14。 鉴于柴油机在现实应用占有不可或缺的优势， 那么采取措施改善柴油机 工作环境，提高柴油机性能成为人们选择的一条道路，如此柴油机电子控制 在人们的追寻中应运而生。与电子控制装置比，传统的机械式系统因其固有 的缺点，如控制精度低、控制自由度小、响应速度慢等。而电控柴油机对于 传统的内燃机，具有以下的特点 3: (1)可实现灵活可调的燃油喷射量，从而改善燃烧过程； (2)能够实现理想的喷油速率控制，包括低的初期喷油速率和预喷射功 能； (3)能够实现准确的喷油定时控制， 以获得精确的喷油持续期和喷油量。 合理的控制喷油定时和喷油量可减少氮氧化物和碳氢的排放； (4) 能够获得较高的燃油喷射压力， 从而获得足够高的燃油流出初速度 和燃油粒子的雾化品质。同时，高压喷射可提高燃油经济性，显著地减少微 粒和烟度，排气污染降低； (5) 快速的停油功能，避免出现各种不利的喷射现象，影响燃烧过程； (6)操作控制自动化，针对不同的工况能迅速做出反应。电控系统将驾 驶员的要求转换成相应的控制信号， 借助于各种传感器和执行器自动地实现 发动机的管理。如可实现怠速自动控制、过渡工况最佳控制等，以适应车用 武汉理工大学硕士学位论文 7 柴油机恶劣的工作环境； (7)具有高的耐久性和可靠性。电控柴油机具有智能化自诊断、故障保 护和备用功能，能实现故障诊断和处理，电控柴油机还能根据发动机的运行 状况进行相关标定参数的自我修正， 以保证发动机在整个工作寿命内始终处 于最佳状态。 市场竞争、车辆性能、发动机动力、燃油经济性和排放限制这几方面的 苛求，是传统的内燃机无法逾越的障碍。因此电控燃油喷射系统取代传统供 油系统是柴油机发展的必然趋势。 在国内，柴油机电控发展较晚，上海船舶运输科学研究所荧家裕等人于 80 年代 16，对自行设计的节流式电控喷油器进行了试验台试验和喷射过程 的电子计算机模拟计算， 并实现了电控喷油系统在单缸 105 柴油机上的实机 运行。80 年代后期，武汉水运工程学院与贵航红林集团合作从美国 bkm 公 司引进了 servojet 喷油系统技术，并进行了相关的研究 1617，天津大学苏 万华等人在 servojet 喷油系统基上提出上，开发出 parrcut 喷油系统，实 现了预喷射功能，从一定程度上弥补了蓄压喷油器式喷汕系统的不足。90 年代初，清华大学欧阳明高等自行开发了一种时间控制式即 ppvi(泵管 阀嘴系统)喷油系统，并进行大量试验、理论研究，取得了不少成果 141617，并自行开发研了电控柴油机关键部件高速电磁阀。浙江大学则在 位置式控制系统进行应用性研究 20。虽然有一定的阶段性成果，但由于种种 原因，直至现在仍然还处于试验性阶段，未形成产品化。因此我国电控柴油 机的研究开发还是任重道远。本文选题主要基于对柴油机转速、喷油控制做 些试验开端工作。 与其它工业信息控制应用相比， 在发动机电控系统中应用嵌入式技术要 求较高: ? 要求体积小，耐震动，电源抗干扰强，耐高温； ? 需操作方便，控制灵活，具有智能化的“人脑”信息处理特点； ? 长期稳定工作，易于维护等。 要在这样的条件下开发出高性能、高效用的嵌入式系统，必须深入分析 嵌入式系统，充分发挥它的技术优势。因此，需要对嵌入式系统做深入的研 究、分析和选择。 通过对嵌入式 uclinux 系统研究及其在基于 arm7tdmi 处理器上的移植 武汉理工大学硕士学位论文 8 应用，能够深入了解 linux 操作系统内核的底层结构、各个内核模块之间的 关联、进程调度的实现、内存分配及其系统调用和设备驱动程序的实现;同 时，分析了 arm 处理器的指令系统，存储系统，中断系统等，对 arm 体系构 架和相关特征有深刻的理解； 通过嵌入式 uclinux 操作系统移植到电控上作 为软件层应用程序的开发平台， 能够对嵌入式开发技术有比较深刻的了解并 能提高自己的实践能力。 1.4 本文所完成的工作 本文所介绍的仿真柴油机电控单元控制器设计是以 samsung 公司的 s3c44b0x 芯片为 mpu，通过扩展一些外部功能模块，完成可后续开发的控制 硬件平台，讨论了相应的控制策略并予以验证。在硬件平台上移植 uclinux 操作系统实现了多任务软件平台的基础。本文完成的工作有以下几个方面： 1）基于 s3c44b0x 微控器的发动机电控硬件平台设计； 2）硬件平台的相关功能接口调试； 3）讨论了部分工况下的转速喷油控制策略，采用增量 pid 和查表 map-pid 控制，并设定了相关程序流程； 4）嵌入式 uclinux 操作系统的研究和初步移植。 本章小结 本章介绍了电控发动机的概念、结构模块，以及国内外研究发展情形， 分析了电控柴油机开发的意义，结合课题组的研究状况，提出了仿真柴油机 电控单元的设计模块。 武汉理工大学硕士学位论文 9 第2 章 柴油机电控单元硬件设计 柴油机电控单元硬件不仅包含 ecu 的控制板硬件结构还含有传感器、 高 压泵、共轨管、高速电磁阀等输入输出硬件部分，它们都是软件运行的平台 和基础， 电控软件所采用的控制策略以及编程方式都在这些基础上验证展开 的， 并且软件开发到一定阶段， 必须结合硬件以及在环仿真相继进行。 因此， 在电控单元的开发过程中，硬件和软件的开发工作是相辅相成，协同推进。 本电控系统的硬件包括了各类测量传感器及信号产生的输入设备、 信号输出 执行的输出设备以及电控单元 ecu。 2.1 共轨电控系统控制器共轨电控系统控制器 电控单元作为共轨柴油机电控系统的核心部分， 它要求在限定时间处理 大量任务，管理柴油机整车的运行。其由四部分组成:传感器输入信号处理 模块（包括a/d、整形、放大等） 、微控单元(mcu)、输出驱动模块（包括d/a、 隔离、放大及功率驱动等）与通讯模块。其任务是对燃油喷射系统进行计算 机实时控制，实现了喷油量、喷油正时、喷油率与喷油压力随柴油机工况变 化而改变。利用转速传感器、脚踏板位置传感器(油门)、温度、压力等传感 器，将实时检测到的信号输入计算机处理单元，与预先根据不同工况标定好 的数据脉普图(map)进行查询比较，计算出最佳值对轨压、喷油泵、喷油器、 废气再循环(egr)等执行机构进行控制，并能通过通讯模块与整车管理系统 (ems)传输有关信息。使柴油机处于最佳运行状态。电控单元(ecu)的主要模 块如下 57: 1）电源，ecu电源和模拟电路及传感器的电源。ecu的电源是将7v14v 的直流转换成需要的5v、3.3v和2.5v的转换器，它将不稳定的直流电压调整 成为稳压电压供ecu使用，传感器电源采用外部5v供电。 2）mpu，微处理器和存储器(通常为nor flash和sram)。运算控制和存 储的核心。 3）通信链路(如以太网、can、sci)。ecu具有与外界相连的通信链路。 武汉理工大学硕士学位论文 10 4）离散输入，开/关型输入。离散(或开关)输入监测汽车中各组件和附 件的开关状态，如柴油机的点火开关、空调开关等离散输入信号。 5）频率输入，编码器型信号(曲轴或车辆速度)。频率输入通常用于监 测测试速度(如车辆速度)或速度和位置(如曲轴)的传感器。对于ecu最为重 要的反馈信号是曲轴信号。 6）模拟输入，来自传感器的反馈信号。模拟输入监测发动机中数量众 多的传感器。汽车上有多种类型的传感器，每一信号都由ecu调理。温度、 压力、egr和空气质量(氧气)等是ecu反馈回路的组成部分。 7）脉宽调制(pwm: pulse width modulation)输出，变频和占空比。pwm 输出是ecu输出中最为复杂的。而在pwm输出中，电磁阀控制的燃油喷射和轨 压(pcv)是计算上最为复杂的。决定燃油喷射定时、频率和占空比的主要因 素是曲轴速度(转速)和位置。用于确定燃油喷射参数的其它因素有车辆速 度、脚踏板的位置、冷却水温度、进气压力、燃油温度/压力等。 ecu 硬件电路的设计不仅要实现既定功能，又必须考虑到电路的电磁兼 容性能，因为它将直接影响系统的可靠性和性能 39。因此，在设计电控单元 的时候，采用了输入输出信号处理电路与控制器电路分开制作，各自电源独 立使用，避免了信号间的相互干扰。 ecu控制板采用了四层的核心板与双层的底板由针脚相连共同完成控制 器组成，同时在硬件上对信号作用对象-共轨系统，做了相关的分析。 2.2 ecu 平台设计目标及主控芯片选型 2.2.1 设计目标 ecu 作为电控系统的“首脑” ，需具备的设计功能： 能正确读取各传感器所测得的信号； 根据输入信号对发动机的工况进行分析、判断，并确定共轨压力及 最佳的喷油脉宽、喷油定时； 根据共轨压力、喷油脉宽以及喷油定时，向执行器发出控制信号； 具有通信和故障诊断的功能； 在总体设计上应争取能具有如下设计目标： 兼容性: 接口上争取与国外产品保持兼容； 武汉理工大学硕士学位论文 11 高起点: 选用高性能 cpu 和外围元器件，采用先进的电子设计自动 (eda)设计技术； 独立性: 在积极汲取国内外先进技术的同时，坚持以我为主，独立 自主的开发原则。 2.2.2 主控芯片性能特点 随着电控的发展，ecu 要检测和控制的信号越来越多。作为 ecu 的主控 芯片，必须具有丰富的实时中断资源、较高的指令执行速度、高速可编程的 输入输出能力、足够的数据空间及足够的为其它控制项目预留的接口。 依据本项目对微控制器的性能要求及电控测试试验的需要，本文选用具 有高性价比的 samsung 公司 s3c44b0x 微控芯片作为 ecu 的主控芯片。其性 能特点如下 45： （1）体系结构 ? 16/32 位 risc 结构和 arm 精简指令集； ? thumb 协处理器在保证性能的前提下可使代码密度最大； ? 片上 ice 支持 jtag 调试方式； ? 328 位硬件乘法器。 系统管理 ? 支持大/小端编程模式； ? 地址空间：每个 bank 为 32mb(共 256mb)，每个 bank 支持 8/16/32 位数据总线编程； ? 8 个内存 bank:6 个用于 rom、sram，2 个用于 rom/sram/dram； ? 1 个起始地址和大小可编程的 bank(7)； ? 7 个起始地址固定但大小可变的 bank(06)； ? 所有内存 bank 可编程寻址周期，支持 sram/dram 自动刷新模式； 中断控制器 ? 30 个中断源(1 个看门狗定时器、6 个定时器、6 个 uart、8 个外部 中断、4 个 dma、2 个 rtc、1 个 adc、1 个 i2c 和 1 个 sio)； ? 矢量 irq 中断模式减少中断响应周期； ? 外部中断源的电平/边沿模式； ? 可编程的电平/边沿极性； 武汉理工大学硕士学位论文 12 ? 对紧急中断请求支持 fiq； 定时器和实时时钟 ? 5 个 16 位带 pwm 的定时器， 1 个 16 位基于 dma 或基于中断的定时器； ? 可编程的占空比、频率和极性，死区产生； ? 支持外部时钟 ? 看门构定时器：16 位看门构定时器，定时中断请求和系统复位； ? 全时钟特点：毫秒、秒、分、小时、天、星期、月、年； ? 32.768khz 运行，告警中断和时钟滴答中断。 通用输入/输出端口及接口 ? 8 个外部中断口和 71 个多路输入/输出端口； uart： ? 2 个带 dma 和中断的 uart ? 支持 5/6/7/8 位串行数据传送/接收并支持双向握手； ? 可编程波特率和支持 irda1.0(115.2kbps)和回环测试模式； ? 每个通道有 2 个内部 32 位 fifo； a/d 转换： ? 8 路 10 位 adc； ? 转速速率最大 100ksps； sio(同步串行 i/o)： ? 1 个带 dma 的中断的 sio； ? 可编程波特率； ? 支持 8 位串行数据传送/接收操作； iic 总线接口： ? 1 个带中断的多主机 i2c 总线； ? 串行、8 位、双向数据传送器能够以 100kbps 的标准模式和 400kbps 的快速模式传送。 lcd 控制器 ? 支持 256 色/单色/16 级灰度 lcd，支持单扫描和双扫描显示功能； ? 支持虚拟显示功能，系统内存可用作显示内存； ? 可编程屏幕尺寸。 武汉理工大学硕士学位论文 13 s3c44box微 处 理 器 是 一 款 由 samsung 公司为手 持 设 备 设 计 的 低 功耗、高集成度的 基于 arm7tdmi 核 的微处理器。为了 降 低 系 统 总 成 本 和减少外围器件， 这 款 芯 片 中 集 成 了 以 上 介 绍 的 很 多 外 部 功 能 。 如 2-2 图该芯片内部 结构框图所示。现 在 它 己 广 泛 应 用 于工业控制、pda、 路 由 器 和 移 动 通 信等领域 57。 图 2-2 s3c44b0x 内部结构框图 （2）内存分配 以 s3c44b0x 为主控芯片的 arm 电控系统存储空间分配如图 2-3 示：系 统的程序存储空间(nor flash)和动态数据存储空间(sdram)由 ngcs0 和 ngcs6 确定相应的地址空间，并且在编址空间上是统一的，这点与其它微处 理器有所不同，如 dsp 微处理器(tms320f2407)，该处理器程序存储空间和 数据存储空间是分开编址，各自独立使用。 本系统采用 nor flash 芯片型号为 am29lv160d 芯片，16 位数据宽度。 flash接 在cpu的 片 选 引 脚ngcs0上 ， 对 应 的 地 址 空 间 为 0x000000000x001fffff，大小 2m 字节。当 cpu 复位后，从本 flash 中读取 指令。 数据存储(sdram)芯片型号为 hy57v281620， 接在 cpu 的片选引脚 ngcs6 武汉理工大学硕士学位论文 14 上，对应的地址范围是 0x0c0000000x0c7fffff，空间大小为 8m。 网络接口采用接口芯片 rtl8019as，采用 i6 位接口模式，接在 cpu 的 片选引脚 ngcs3 上，对应的地址范围是 0x060000000x07ffffff。 图 2-3 系统存储空间分配图 由上图可知， 对于一般的开发系统来说其存储空间是可以满足开发系统 的运行需要，当为了制定多任务并行处理时，可能这时需要移植操作系统， 而在操作系统之上， 对应用层程序进行大型开发时， 存储空间可能需要扩展， 对于 arm(s3c44b0x)，其存储空间的扩展通过设置相应的芯片地址空间引脚 即可实现空间的扩展。 （3）中断 samsung 公司的 s3c44b0x 芯片所具有如下中断特点： 1）s3c44b0x总共包含30个中断源，其中可设置的外部中断源8个 (int0int7)，部分中断如表2-1所示。 武汉理工大学硕士学位论文 15 表 2-1 s3c44b0x 中断向量表 中断优先级 中断 master / slave 组中断向量 中断源 p1 master pic ir0 0x00000060 int_timer0 p2 master pic ir1 0x00000050 int_wdt p3 slave1 pic ir0 0x00000020 eint0 p4 slave1 pic ir1 0x0000008c int_sio p5 slave1 pic ir2 0x00000024 eint1 p6 slave1 pic ir3 0x00000028 eint2 p7 slave1 pic ir4 0x0000002c eint3 p8 slave1 pic ir5 0x00000030 eint4/5/6/7 p9 slave1 pic ir6 0x00000068 int_timer2 p10 slave1 pic ir7 0x0000006c int_timer3 p11 master pic ir3 0x00000070 int_timer4 p12 master pic ir4 0x00000048 int_bdma0 p13 slave2 pic i