（计算机应用技术专业论文）嵌入式点火脉宽控制系统.pdf

摘要 能源枯竭和环境污染是世界面临的两大严重问题。随着世界汽车总量的迅速 增长，在世界范围内石油燃料的供需矛盾日益突出，汽车发动机消耗石油总量巨 大，废气排放也成为当今大气污染的主要来源之一。开发清洁代用燃料以及合理 地利用资源已成为日益突出的现实性。从资源、环境、经济、实用、方便等方面 考虑，甲醇燃料是非常理想的选择。它来源丰富，能够降低汽车的运营成本，大 量节省石油资源，研究开发使用甲醇作为汽车代用燃料的嵌入式点火脉宽控制系 统具有现实意义。由于未来，甲醇汽油燃料将被广泛应用，则相应的专用设备嵌 入式点火脉宽控制系统，将具有很大的潜在市场。 论文从硬件和软件两个方面详细的阐述了嵌入式点火脉宽控制系统的设计 过程。介绍了电路元件的选取和相关硬件电路的设计方案，系统的硬件部分包括 系统电源模块设计，驱动电路模块设计，整形电路模块设计，通信模块设计等， 系统软件部分的设计包括a r m 软件部分的设计与c p l d 软件部分的设计等。文 中介绍了各个模块所实现的功能和设计的过，包括程序流程图及程序的设计。最 后，对系统软、硬件进行了功能调试，并作了实际实验，对实验结果进行了分析。 研究结果表明嵌入式点火脉宽控制系统能够对发动机的燃油喷射进行有效 控制，从而在不改动汽车发动机和油箱的前提下，实现车辆甲醇汽油的特定比例 的添加使用。经多次试验验证，系统达到了预期目标与要求，因此，本课题研究 的嵌入式点火脉冲控制系统是正确的和可行的，具有一定的理论价值和实际意 义。 关键词：嵌入式，点火脉宽，a r m ，c p l d a b s t r a c t t h es h r i n k i n gp e t r o l e u mr e s o u r c ea n di n c r e a s i n ge n v i r o n m e n tc o n t a m i n a t i o n h a v eb e e nt h et w om o s ts e r i o u sw o r l d w i d ep r o b l e m s a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n g n u m b e r ，t h ep e t r o l e u mc o n s u m p t i o na n de x h a u s tg a s e so fa u t o m o b i l ev e h i c l e sh a v e b e e nas e r i o u si m p a c to nt h ep e t r o l e u mr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t a sar e s u l t ， d e v e l o p i n ga n dr e s e a r c h i n go na l t e r n a t ef u e lf o ri n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n eh a sb e e n m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t r e s o u r c e s ，e n v i r o n m e n t a l ，e c o n o m i c ，p r a c t i c a l ，c o n v e n i e n tt o c o n s i d e r , m e t h a n o lf u e li sv e r yg o o dc h o i c e m e t h a n o lr e s o u r c ei sa b u n d a n t ，r e d u c i n g v e h i c l eo p e r m i n gc o s t s ，s a v i n g si n o i lr e s o u r c e s i ti sn e c e s s a r yt h a tr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tau s eo fm e t h a n o la sa na l t e r n a t i v ef u e la u t oi g n i t i o np u l s e w i d t hc o n t r o l o ft h ee m b e d d e ds y s t e mh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a sar e s u l to ft h ef u t u r e ，f o r m e t h a n o lg a s l i n ef u e lw i l lb ew i d e l yu s e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gs p e c i a le q u i p m e n t i g n i t i o np u l s e w i d t he m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mw i l lh a v eal a r g ep o t e n t i a lm a r k e t t h ed e s i g np r o c e s so ft h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mf o ri g n i t o np u l s ew i d t ht ot h e e n g i n ew a ss t a t e di nd e t a i li na s p e c to ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ed e s i g np r o j e c t o ft h ec o m p o n e n t ss e l e c t e da n dr e l a t e dc i r c u i to ft h eh a r d w a r ew a sp r e s e n t e d t h e h a r d w a r ep a r ti n c l u d e dt h ed e s i g no ft h es y s t e mp o w e rs u p p l ym o d u l e ，t h ed e s i g no f t h ed r i v ec i r c u i tm o d u l e ，t h ed e s i g no ft h ep u l s es h a p i n gc i r c u i tm o d u l ea n dt h ed e s i g n o ft h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h es o f t w a r ep a r ti n c l u d et h ed e s i g no fa r mm o d u l e a n dt h ed e s i g no fc p l dm o d u l ea n ds oo n t h ef u n c t i o na n dd e s i g np r o c e s s e so fe a c h m o d u l ew e r ei n t r o d u c e di np a r t i c u l a r l y ，p r o c e d u r ef l o wc h a r ta n dt h ed e s i g no ft h e p r o g r a m m i n g f i n a l l y ，i t m a d eaw h o l et e s to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e s y s t e m ，m a d ea c t u a lm e a s u r e ，a n dt h em e a s u r e dr e s u l t sw e r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mf o ri g n i t o n p u l s e - w i d t h t ot h e e n g i n e f o rt h ee f f e c t i v ec o n t r o lo ff u e l i n j e c t i o n ，t h e r e b y u n c h a n g i n gt h ea u t o m o b i l ee n g i n ea n df u e lt a n ku n d e rt h ep r e m i s eo fm e t h a n o l g a s o l i n ef o rv e h i c l e st oa c h i e v eas p e c i f i cp r o p o r t i o no fa d d e du s e a f t e rr e p e a t e dt e s t s ， t h es y s t e mo fe m b e d d e dr e s e a r c hi m p u l s ec o n t r o ls y s t e mi sc o r r e c ta n df e a s i b l e ，w i t ha t h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；i g n i t i o np u l s e w i d t h ；a r m ；c p l d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者虢 多私尹7 年月汐日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 喜 导师签名： 锣彳移 i 6 霁亥 j 。j 7 r 年“莎日 哆年莎月莎日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着汽车数量越来越多，汽车尾气污染问题和能源问题日益严重。为解决这 两个问题，寻找石油的替代品是较好的办法。在众多代用燃料中，醇类燃料以其 优异的品质被认为是很有前途的汽车发动机代用燃料，这已被有许多专家的研究 所承认，并在欧洲、北美和南美洲得到相当广泛的应用。醇类燃料中的甲醇和乙 醇，由于具有良好的汽化性和可燃性等特点，使其成为良好的石油替代燃料。其 中甲醇汽油的生产具有绝对优势，因此需要研制专用配套的汽车灵活燃料控制系 统。本系统就是以专用甲醇汽油做燃料。配置好的甲醇汽油做燃料不会对现有汽 车发动机或汽车零部件造成任何损害并非常方便的直接代替汽油在汽车上使用。 但需对汽车的点火脉宽进行控制，所以本系统也叫嵌入式点火脉宽控制系统。研 制本系统将有非常大的市场前景。 嵌入式点火脉宽控制系统是针对甲醇燃料作为车用替代能源的发展现状，通 过对发动机控制策略实现甲醇燃料特性的系统研究，能自动识别各种不同比例的 甲醇汽油，并对发动机的燃油喷射进行有效控制，从而在不改动汽车发动机和油 箱的前提下，实现车辆甲醇汽油的特定比例添加使用。我们知道，石油是现代社 会的能源之源，据美国能源部和世界能源理事会预测，全球石化类能源的可开采 年限分别为石油3 9 年、天然气6 0 年、煤2 1 1 年，主要分布在美国、加拿大、俄 罗斯和中东地区。中国是石油资源相对贫乏的国家，专家测算石油稳定供给不会 超过2 0 年。2 0 0 4 年，我国的原油消耗量已达2 9 亿多吨，而且每年以4 的速度 递增。在成品油消费量中，单是汽油一块2 0 0 5 年我国的消费量为5 0 4 5 3 万吨， 预计到2 0 1 0 年我国原油进口量将超过总需求量的5 0 ，每年耗资4 0 0 亿美元以 上【1 】。目前我国的汽车、石油行业的矛盾愈演愈烈，石油资源愈加短缺，而汽 车保有量却井喷式增长，汽车行业消耗了将近5 0 的石油资源。这已经严重危 及到国民经济安全稳定运行，也不断引起社会的普遍关注。油价持续走高，已经 对能源消费及汽车产业产生重要影响，且不断推动能源界积极寻求多元化的解决 方案，加大对节能技术的投入和开发。另一方面我国拥有汽车辆年增加速度很快， 以石油成品油作燃料时，汽车排放尾气中含有的碳氧化合物、碳氢化合物、氮氧 第一章绪论 化合物、硫氧化合物和石油中含有的多种致癌物质严重威胁着人们的健康。另外 汽车排放的二氧化碳导致臭氧层破坏和地球温室效应增加，已经造成人居环境空 气质量的严重恶化。因此，积极寻求和发展清洁能源已成为各国的头等大事。2 0 0 3 年国家有关部门将甲醇燃料列入“国家替代能源发展计划，并建议先在山西省 试验推广。专家认为，全新的石油替代产业将在未来5 到1 0 年间形成，产业产 值规模将达万亿元，市场前景可与信息技术产业比肩，对社会经济的影响将具有 划时代的意义。 目前，甲醇汽油的配置技术已经相当成熟，在短时间内改造现有汽车成了最 简便的方法。本系统的研发的目标是针对我国量产再用车。改造成灵活燃料车。 特别是出租车等燃油消耗大户群体。本品的研制是根据我校汽车学院的要求来研 制的。在这之前，已经研制出两代产品，第一代产品的特征是固定比例放大并不 加冷启动。第二代的特征是固定比例放大加了冷启动技术。本系统是第三代产品， 是智能性产品，放大比例可自动调节。所以嵌入式点火脉宽控制器是换代升级产 品。 1 2 国内外发展现状 目前，汽车灵活燃料控制器做的技术比较成熟的有陕西长征新能源有限公 司组织生产的科技车用产品、北京功大靖烨科技有限公司生产的g d y t x x 型 系列甲醇灵活燃料控制器、山西靖烨佳新甲醇发动机技术有限公司研制的灵活燃 料甲醇轿车控制系统、山西博世通公司经自主研发的“任意加f f v 灵活燃料控制 器( 智能型) 、山西新宝鼎公司的甲醇汽油f f v 灵活燃料发动机控制系统改装 项目、宏鹏科技推向市场的新二代专利产品( 智能型) “甲醇猫t f v 灵活燃料发 动机控制系等等。这些公司的产品各有优点不再说明，下面简要介绍下几个公司 的产品。 “汽车灵活燃料控制器 是长安大学汽车学院车用甲醇汽油项目组、陕西省 “交通新能源开发、应用与汽车节能 重点实验室开发完成，由陕西长征新能源 有限公司组织生产的一项高科技车用产品。汽车安装本产品后，不仅能够燃用国 标无铅汽油，也可燃用各种比例的甲醇、乙醇汽油，而且其使用性能可始终保持 在最佳状态。 2 长安 学+ 学位论文 夕偏矛j 姆一多轴“m ”。? 圈1 j 汽车灵活燃料控制器 2 0 0 3 年至今，k 安大学汽车学院在产品设计参数，醇，油混合燃料掺烧比例 等方面进行了大量的实验研究与优化，开发并研制出了拥有自主知识产权和专利 的“汽车灵活燃料控制器”。汽车安装本产品并使用陕西长征新能源有限公司为 该产品调配的m s 5 高比例甲醇汽油，经西安汽车产品质量监督站检测，燃油消 耗率与汽车使用r o n 9 3 汽油时相比，达到了理论最低值，仅为1 4 15 ，汽车的 动力性能不但没有下降。而且加速性能还略有提高，汽车的燃料消耗费用可节约 2 0 以上。 f f v 灵活燃料发动机控制系统，是山西博世通公司经自主研发于2 0 0 7 年6 圈1 0 博世通公司的灵活燃料发动机控制系统 月推向市场的新二代专利产品( 智能型) 。点燃式电喷发动安装上该装置后，燃 油系统可精确识别各种不同比例的甲醉、汽油混合燃料并且能够针对各种燃料 自动调整发动机的燃油喷射量，始终使发动机处于一种经济、可靠的工作状态。 第一章绪论 在产品设计上，该系统克服了2 0 0 5 年1 0 月开发出的第一代产品( 基本型) 醇 汽自由燃料电子控制器只能精确控制汽油和定比例甲醇燃料的弊端，而且取消了 用于燃料控制的模式切换开关，从而使定比例甲醇与汽油的双燃料系统进化成为 甲醇、汽油以及甲醇与汽油任意比例混合燃料的灵活燃料系统。由于该产品作为 原车发动机e c u 的辅助系统，在工作中能与原车发动机e c u 进行有效的对话， 并与原车的e c u 协调工作，所以可适用于各种车型的点燃式多点喷射发动机。 由于该产品采用数字电路技术，运行电压很低，所以保证了产品极高的可靠与稳 定性能。在安装时不对发动机的机械部件做任何改造，所以不会对发动机造成任 何危害。并且该产品本身低能耗的特点，保证了不会对原车电路及发动机e c u 带来额外的工作负荷。 宏鹏科技有限公司研制的“任意加下灵活燃料控制器( 智能型) ，驾驶员 能根据需要自由选择汽油、m 1 5 、m 2 5 、m 8 5 甲醇，乙醇，纯甲醇等多种燃料。 由于该产品远发动机微处理器的辅助系统，在工作中能与原发动机微处理器进行 有效通信，并与原发动机微处理器配合工作，因此可用于各种点燃式电喷发动机 的改装。点燃式电喷发动安装上醣装置后，燃料系统可精确识别各种不同比例的 甲醇，汽油混合燃料，并且能够针对各种燃料自动调整发动机的燃油喷射量，始 终使发动机处于一种经济、可靠的工作状态。 图1 3 宏鹏科技有限公司研制的灵活燃料控制器 山西靖烨佳新甲醇发动机技术有限公司自主研发的灵活燃料甲酵轿车控制 系统是国家“8 6 3 ”的研究成果，居国内领先水平，彻底解决了同类产品无法解 决的冷启动困难、替代比高和腐蚀等难题。可对轿车进行甲醇化改装。从大量的 使用效果及二汽襄樊国家汽车质量检验中心试验结果表明：燃用m 1 0 0 甲醇燃料 虫大学颤学位论文 动力性，加速性优于原车型。北京理工大学汽车排放质量监督检验中心对该公司 改装的在北京现代伊兰特轿车京k 3 4 9 2 9 上燃用m 1 0 0 甲醇燃料根据“轻型汽车 污染物排放限值及测量方法( g b l 8 3 5 23 2 0 0 5 ) ”试验结果为：比燃用汽油c o 下降4 41 、h c 下降8 26 、n o x 下降5 48 且部分指标已达国标准冷启动 难是甲醇车存在的老大难问题该公司成功开发的冷启动装置，较好地解决了这 一问题。 圈l 灵括燃料甲醇轿车控制系统 以上是改造现有汽车的嵌入式产品。系统的研发的目标是针对我国量产再用 车，改造成灵活燃料车。而现在很多汽车公司直接生产先进的灵活燃料甲醇汽车。 系统变得更复杂，是结合汽车技术与计算机技术进一步的研发。如f f t 是灵活 燃料汽车( f f v ：f i e x i b i ef u e lv e h i c l e ) 的英文简称主要是指能使用纯汽油、纯 醇容燃料以及不同比例的汽油及醇燃料的混合燃料的汽车。早在上世纪7 0 8 0 年代期间，美国福特公司就开发了可使用甲醇与汽油以任意比例混合燃料的灵活 燃料汽车( f f v ) ，这种车由燃料传感器识别成分，通过电脑提供发动机最佳运行 参数，这样就不会受到加油站限制。目前f f v 汽车在美国已经能大规模商业生 产。德国大众汽车公司还在中国推出m 1 0 0 甲醇汽车示范车。日本对甲醇燃料研 究始于2 0 世纪8 0 年代后期，进入9 0 年代初期已有3 0 0 多辆甲醇然汽车投入运 行。现在在这方面有好多公司已经推出了一系列的成品。如由菲亚特汽车公司和 玛涅蒂玛瑞利共同开发出成套的灵活燃料系统，福特汽车公司在2 0 0 8 年在原有 灵活燃料产品阵容的基础上推出了蒙迪欧、s - m a x 和g a l a x y 的灵活燃料派生版 本等等。 第一章绪论 如奇瑞灵活燃料甲醇汽车的主要设计出发点是可以满足汽油燃料、甲醇燃料 以及汽油与甲醇混合燃料的使用要求。奇瑞甲醇燃料汽车发动机部件针对甲醇特 性重新开发整车增加了冷启动装置( 包括副油箱等件) ，开发了甲醇灵活燃料 车整车线束、仪表和转换开关等件。电控方面，奇瑞灵活燃料甲醇汽车的电喷系 统可以通过一个e c u 控制两种比例的甲醇燃料；同时可以控制冷启动系统的开 启和关闭。所开发出的甲醇灵活燃料车使用m 8 5 以上比例的甲醇燃料时，动力 性、经济性均高于原汽油机水平。 。任意加”f f v 担活燃料汽车 图1 5 灵活燃料汽车 1 3 课题研究的来源及意义 解决石油替代的另一条出路是发展甲醇汽油替代产业。相比之下，甲醇汽油 的生产成本具有绝对优势。甲醇生产成本的较低，从原料来源来看，甲醇来源于 我国最广泛的化工资源，如煤炭、天然气、焦化气、油田气、生物质、舍成氨等 生产过程中都可以用展低的成本生产甲酵。山西省一年排放掉的焦炉煤气就有 1 0 0 0 万吨，相肖于我国一年西气东输的体积总量，如果把这些煤气回收提取甲 醇，经济效益十分突出。而且甲酵汽油每吨市场价比汽油一般低2 0 0 至8 0 0 元， 6 长安大学硕士学位论文 成为国家大面积推广醇醚燃料的优先发展对象，市场前景广阔。所以如果技术成 熟先进，生产甲醇汽油不但无需国家财政补贴，而且生产企业拥有足够的盈利空 间。 甲醇灵活燃料车与传统汽油车相比，动力性、经济性以及排放等都得到了很 大的改善，究其原因主要有以下几点： 1 动力性方面，通过增加喷油量以弥补甲醇热值低的不足，再通过增加压 缩比( 甲醇辛烷值r o n l 0 6 - - 1 1 5 ，远高于汽油并且汽化潜热大) 就可以在很大 程度上增加发动机的功率和扭矩，动力性较之同排量的汽油机会有很大的提高。 2 经济性方面，制造甲醇的成本较低。而利用高硫煤“多联供”生产甲醇， 单位产品成本更低，按甲醇与汽油5 ：1 的替代比计算，使用甲醇燃料在经济性 方面仍有非常大的优势。另外，因为采用了高压缩比发动机，油耗进一步降低， 从而进一步提高了甲醇发动机的经济性。 3 环保性方面，甲醇汽油的火焰传播速度快，分子含氧量达5 0 ，所以甲 醇汽油混合气的燃烧非常充分，排放远低于汽油。甲醇分子含有氧，比不含氧的 汽油，易于燃烧完全，从而较少排放n o x 。与汽油相比，燃烧产物中氮氧化物减 少3 9 ；二氧化硫减少9 0 ：一氧化碳减少9 7 。无疑，对控制酸雨是有利的， 而且是目前能够实现了的。以前汽车尾气排放的是二氧化碳，现在是水蒸气，发 动机在低怠速与高怠速时，废气排放量明显下降，一氧化碳下降5 0 ，碳氢化 合物下降8 3 至9 1 ，大大降低了尾气污染。 4 甲醇来源方面，我国现有甲醇生产企业2 0 0 多家，以煤炭为主要原料的 生产厂家占到7 0 ，其他以天然气、焦炉气、渣油等为原料，原料来源丰富，摆 脱了对石油资源的依赖。 我国经济的快速发展，为甲醇汽油提供了巨大市场需求。专家预测，到2 0 2 0 年中国的石油产量在1 7 2 0 亿吨，相当于2 0 9 2 2 8 亿吨甲醇，而且还不包括甲 醇作为四大基本有机原料的消耗。2 0 2 0 年甲醇的市场销量可能在3 亿吨左右。 而且中国是世界石油消费大国，但石油储备刚刚启动，一旦遇到紧急情况，这 储备只能是杯水车薪。将资金用于大力发展甲醇燃料，从根本上解决中国能源问 题，既是最好的石油战略储备，也能创造更多的社会效益。 7 第一章绪论 1 4 课题研究的目的及主要内容 本科题的主要目的在于研究为使用甲醇汽油无论是电喷式和化油器式的任 何一款汽油发动机，无须作任何改造即可正常使用的嵌入式点火脉宽控制系统。 本系统是对前两代产品的升级与换代，使产品更加完善并具有智能型的特点。课 题研究的目的要能对现有车辆的发动机系统不做任何改动，只要将嵌入式点火脉 宽控制系统嵌入到原车发动机即可。对现有车辆不论是烧无铅汽油的、乙醇汽油 的、混合汽油还是烧天然气的，改变本系统的喷油放大系数后可以适用。因电子 数字控制技术及核心添加剂技术的作用，直接使用本产品及甲醇燃料，不会对现 有汽车发动机或汽车零部件造成任何损害并且驾驶员能根据需要随时自由选择 普通汽油，甲醇汽油或乙醇汽油，可交叉使用，任意混用。安装本系统后，节约 燃油费用，用本产品使用的甲醇汽油与9 3 # 汽油比较，每百公里燃油消耗量略有 上升，但按照目前汽油和甲醇价格计算，每公里省钱3 0 4 0 。特别是在高油价 的时代，将为您带来更加可观的收益。 根据课题研究内容，本论文结构安排如下： 第一章绪论部分主要介绍了课题研究背景，国内外发展的现状，本课题的来 源以及研究的实际意义，最后介绍了本论文的研究的主要内容。 第二章分析了嵌入式点火脉宽控制系统的方案设计的基本原理和本系统的 总体设计方案，还介绍了汽车喷油过程与原理等。最后由介绍了系统的硬件部分 的结构与软件部分的设计。 第三章主要介绍了嵌入式点火脉宽控制系统的硬件设计，首先介绍了用到的 两个芯片的性能与相关技术，然后是电源模块的具体实现，驱动模块的具体实现， 整形电路模块的具体实现，通信接口电路的具体实现，测量处理模块的具体实现 和控制模块的具体实现等。 第四章主要介绍了嵌入式点火脉宽控制系统的软件实现，包括a r m 处理器 的开发环境与烧写软件，c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的开发环 境，后面具体介绍了a r m ( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ) 部分的中断模块的程序 具体实现，频率测量模块的程序具体实现，与c p l d 部分的输入模块的具体实现， 输出模块的具体实现与放大后数据模块的具体实现等。 第五章介绍了实验的平台，列出了两组数据并分别进行作图、比较与分析等。 长安大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章在查找、搜索和阅读有关方面资料的基础上，阐述了课题的背景、国内 外发展现状、课题的来源及意义，并概括了本课题的研究、设计和实现所涉及的 相关内容。 9 第二章嵌入式点火脉宽控制系统的方案设计 第二章嵌入式点火脉宽控制系统的方案设计 2 1 嵌入式点火脉宽控制系统的方案分析 本系统是实现测发动机喷油脉宽，然后对测得的脉宽值进行放大即乘以不同 的放大系数，是通过软件来实现的。因为乘法在c p l d 中不好实现，即使近似实 现乘法功能，也要耗费大量的c p l d 内部资源并且也不精确。所以必须用另一个 芯片来实现乘法功能。本系统实现的思路是当前乘过放大系数的脉冲作为下次脉 宽使用，这样以此类推。放大系数分为三档，在每档中乘放大系数不同，并保留 了直通档。 单次喷油量是由汽车给出的喷油时间决定的，也就是喷油脉冲信号的宽度， 喷油频率是由发动机转速决定的。汽车的喷油信号有先后之分，本系统是根据四 个缸喷油信号脉冲的先后顺序、信号脉冲的起始点和喷油脉冲信号的宽度来设计 的。 图2 1嵌入式点火脉宽控制系统的整体方案实现 l o 长安大学硕士学位论文 2 2 汽车喷油过程介绍 对于2 5 l 的四缸发动机来说，点火顺序为1 3 4 - 2 ；对于4 o l 六缸发动机来 说，点火顺序为1 5 3 6 2 4 ，如下图2 2 所示。 点火晨序： 卜3 - 4 - 2 曩时针方 向转动 图2 2 发动机点火顺序 这种无分电器单独点火顺序点火方式多用于多汽缸的发动机上。它的点火线 圈体积很小，可直接安装在火花塞上，因此节省了发动机的空间，并使可靠性增 强，同时对通讯产生的的干扰也较小。故它在多缸发动机无分电器电子点火系统 中得到了广泛地应用。微机根据发动机工况，对点火提前角进行调整。发动机工 作时，微机根据进气歧管绝对压力、发动机转速、冷却液温度、进气温度、节气 门位置、车速等信息，经过计算并与存储器存储的参考数据进行比较，确定最合 适的点火提前角，适时地输出控制信号，切断点火线圈初级绕组的搭铁电路，使 次级绕组产生高电压，通过配电器送至火花塞跳火【2 】。 图2 3四缸发动机喷油器工作电路 当接通某个喷油器的搭铁电路时，该喷油器的电磁线圈通电，开始喷油；停 止搭铁，线圈不通电，停止喷油。微机根据传感器的输入信号和存储器存储的程 序和数据，控制喷油器的喷油时刻和调节喷油器的喷油脉冲宽度。发动机起动时， 喷油器的电源由蓄电池通过自动切断继电器供给；发动机起动后，发电机工作正 常时，电源一般由交流发电机供给。由于该发动机为顺序喷油方式，所以喷油正 时也是一个重要的问题。喷油正时也称喷油定时，或称喷油时刻。 该发动机的喷油器是按一定的顺序进行喷油的，它必须与发动机的工作顺序 相适应。2 5 l 四缸的发动机的喷油顺序为1 - 3 4 2 ；4 0 l 六缸发动机的喷油顺序 为1 - 5 - 3 - 6 - 2 _ 4 。该发动机喷油器时刻，对活塞运动来说是定时的，它们都是在各 缸排气行程上止点前6 4 0 时开始喷油。 下面以四缸发动机为例，说明各缸喷油器正时情况。微机根据曲轴位置传感 器输入的信号，可以确定活塞运行位詈。 曲轴位置 传蓐嚣信 辅转角( 度) 一步信号 1 1 1 i 冀懈1 1 1m3 1 6 m3 6 6 4 1 6 m $ 1 6 蹦_ m0 0 67 i 5 v 孝i 删 煳 l 缸 避 压 歹 功捧 巨 3 缸 捧匡 避压 乡 功 4 缸 功 捧 匡 进压 歹 2 缸医 功 捧 侈 进 图2 4 四缸发动机的喷油正时和顺序图 1 、4 缸的活塞利用同一组飞轮缺口，同一时间接近上止点；3 、2 缸的活塞 利用同一组飞轮缺口，同一时间接近上止点，这样不仅能知道两个活塞接近上止 点，而且还可以知道在上止点前的转角度数。但到底是哪两个缸的活塞接近上止 点，而且要分清两缸中哪个是排气行程，哪个是压缩行程，还必须有判缸信号配 合，利用同步信号传感器输入的信号配合。 1 2 矗工馆行是 长安大学硕士学位论文 如果同步信号上升沿( 5 v 电压) 出现时，微机可获知下面接近上止点的是 1 、4 缸的活塞，其中4 缸为排气行程，1 缸为压缩行程。当曲轴位置传感器输入 第一个脉冲信号( 下降沿) 时，标志着第4 缸活塞进入排气行程上止点前6 4 0 ， 此时微机输出控制信号，使4 缸喷油电磁线圈搭铁，接通喷油器工作电路并开始 喷油。同样，当同步信号下降沿出现时，微机可获知是1 缸活塞进入排气行程， 当活塞行至排气行程上止点前6 4 0 时，1 缸喷油器开始喷油。在排气行程中，各 喷油器喷入进气歧管的汽油，同进气行程中进入的空气混合一起进入气缸。一般 针阀升程约为0 1 m m 。 喷油脉冲宽度即喷油器喷油时间的控制，也就是空燃比的控制。喷油脉冲宽 度随发动机的运行工况的变化而变化。喷油脉冲宽度是根据进气歧管绝对压力、 发动机转速、歧管进气空气温度、冷却液温度、节气门位置、蓄电池电压等输入 信号，由微机进行计算并与微机存储器内存储的参考数据对比后确定的。 2 3 汽车喷油脉冲具体过程介绍 丛图中可以看出：四路不是顺序执行的，并且在一路还没结束时，第三路喷 一 ，f 、厂、门 一路 ； 三路四路二路 喷油时间峄一 图2 5 四路信号脉冲喷油时间不意图 油信号开始启动，接着是四路，二路信号，依照这样的方式循环工作。这就给四 路喷油信号的输出设计带来了一定的难度。首先是要把这四个波形脉冲分别整 形，变成规整的方波型即为“o 与“1 的两种状态，以便确定计数脉冲的开始 状态点与结束状态点，便于提高精确度，便于提高防干扰的能力。从图中可以看 出，高电平为喷油时间，四路只画出了高电平，低电平没画出，只为示意图。在 系统的设计中，四路信号分别引入c p l d ，其中对第一路进行计数，四路分别到 第二章嵌入式点火脉宽控制系统自塑方案设计 来信号同时作为输出开始新号。其中一路与四路分别送入a r m 芯片，用于确定 转速与放大信号等。 2 4 测喷油电平与周期脉冲信号的原理 测量喷油电平的方法用一句话概括，就是“在被测的喷油电平时间内对某一 基准脉冲进行计数”。基准脉冲可以是系统脉冲，也可是系统的分频脉冲。为了 保持与源脉冲的周期一直，输出模块的基脉冲必须与输入模块的脉冲致。从图 中我们可以看到，计数时会出现误差。为了减少误差，可以通过扩大基准脉冲的 频率来解决。但不能超出允许技术的最大值。从图中可以看出喷油脉冲计数值的 两倍既是周期信号的计数值。这样可以节省c p l d 的有限资源。 一周期信号_ 喷油电平 待测信号 基准脉冲 厂1 厂 广 厂 厂 _ - 丢失( 少计一个脉冲) 多余 ( 比实际多出了0 x 个脉冲) 图2 6 测喷油电平计数原理图 2 5a r m 与c p l d 综合设计的考虑 我们知道a r m 与c p l d 相比在顺序执行、事务处理、数据运算等方面功能 强大，但a r m 在硬件设计的灵活性方面，没有给开发人员留有更多的余地，开 发人员的设计思想，只能限制在软件设计之中。而c p l d 与a r m 具有基本相反 的特性，可以说a r m 的缺点即是c p l d 的优点。本系统须要对具体的脉冲信号 进行处理，所以用c p l d 正好能发挥它的优点；但在数据处理运算方面显示了它 1 4 长安大学硕士学位论文 的不足。a r m 与c p l d 的综合设计让整个系统变得功能分明、结构紧凑、时序 容易控制3 1 。 a r m 与c p l d 的综合设计成本不是很高，但却可以获得很强的功能，并且 扩大了a r m 与c p l d 的应用范围，可以广泛应用于各种通讯、控制以及检测设 备之中。两者结合可以大幅度减少外部扩展器件的使用量，可以应用于各种复杂 的场合。a r m 与c p l d 综合设计，将是未来很长一段时间内电子设计的一个重 要发展方向，是突破目前速度瓶颈、功能瓶颈和性价比瓶颈的重要技术手段。随 着a r m 与c p l d 综合设计技术的不断发展，a r m 与c p l d 综合设计技术也将 由目前的简单组合发展成为更高层次的a r m 与c p l d 并行运算技术以及a r m 与c p l d 分布式运算技术。 另外，a r m 与c p l d 的综合设计使得系统在设计时具有了如下优点： 1 系统的可测性。由于所有的接口逻辑( 包括a r m 以及其它接口) 都由c p l d 实现，并且由于系统是实现互联的接口逻辑，完全可以通过软件仿真来测试系统 的状态。在系统调试阶段，可以增加一些测试点和测试状态字，相当于将该系统 在一个优良的数字测试环境下运行，使系统的可测试性大大增强。 2 系统的可裁减性。由于a r m 和c p l d 的实现完全类似于软件的编程工作， 我们可以使系统具有功能可裁减性。根据不同的应用环境进行不同的目标设计将 拥有不同的模块功能。 3 系统设计的方便性。由于c p l d 的引入，我们可以改变以往的硬件设计 方法和步骤，初步的硬件连线只需关注系统外部特征、a r m 系统的可能控制连 线等，而无需详细关注更多的细节，而在系统调试时才注意逻辑接口的具体功能， 并且都在a r m 上在线调试，这使系统设计的周期变短。 a r m 与c p l d 之间通讯的设计方法如下： 我们知道a r m 与c p l d 之间通讯有好多方法，结合系统的需要可以选用不 同的通信方式。一般有以下通信方式【4 ，5 1 。 a r m 控制c p l d 启动相应的功能模块； a r m 向c p l d 传送命令字或少量数据； c p l d 向a r m 传送命令字或少量数据； a r m 向c p l d 传送大量数据； 1 5 第二章 嵌入式点火脉宽控制系统的方案设计 c p l d 向a r m 传送大量数据； 以上某几种情况的组合。 其中在本系统的最初实验时，用了a r m 控制c p l d 启动相应的功能模块。 这也是最简单的一种控制方法，一般用于各功能模块相对独立且不同时工作情 况。图2 7 阐明了用a r m 控制c p l d 中7 个功能模块的方法。7 4 1 s 1 3 8 是常用的 3 8 译码器，直接在c p l d 中集成，而这7 个功能模块都是“低使能”。之所以不 是8 个功能模块，是为了使系统能屏蔽所有功能模块。 i o 口l i o 口2 i 船口3 图2 7 控制c p l d 启动相应模块示意图 当时最初实验就是用的这种通信方式，实现了四路输出，七个功能模块包括 原样输出。但最后没有使用这种方式，也没采用以上其余通信方法。因为我们用 的c p l d ( e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 ) 的宏单元只有1 2 8 个，可用资源有限，但价格也 不便宜。四路输入、采集计数、四路分别输出就占用了大部分c p l d 的资源。如 选用宏单元比1 2 8 个多一点的c p l d ，价格将长了很多，性价比不高，所以没有 采用高档次的c p l d 。为此把部分功能转移到另一个芯片上实现，节省c p l d 的 资源。选用s p i 或u a r t 等通信方式，将也是不现实的。本系统采用的是直通 连的方式来实现的。该方法简单有效，容易实现，节省了c p l d 的资源，用八位 1 6 长安大学硕士学位论文 数据线让a r m 与c p l d 直接相连接，用于两芯片交换数据的数据线，然后设计 一个通信协议，确保正确通讯。 通讯信号线通讯信号线 a i 洲c p l d 八位数据线 八位数据线 图2 8 系统采用的a r m 与c p l i ) 通讯方式示意图 2 6 嵌入式点火脉宽控制系统的总体设计方案 2 6 1 硬件结构 嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式软件 运行的物理平台和通信接口。因此，在嵌入式系统中，硬件系统的基础地位尤其 是硬件系统的确定，将直接决定着软件的编写，二者具有密切相关性。根据本课 题研究内容需要，硬件主要由以下几个模块组成： ( 1 ) 电源模块 电源转换在本系统占有重要的地位，并且要求较高。我们知道a r m 是3 3 v 的电源，c p l d 是5 v 的电源，而汽车的发动机和电平提供的都是1 2 v 的电源。 ( 2 ) 微处理器模块 包括两个主要芯片的通信以及两个芯片各自实现的功能。其中包括测量功能 的实现与控制功能的实现。 ( 3 ) 整形模块 整形电路模块是整个系统的输入部分，可以理解为校正电路，把一个不规整 的波形，校正成方波。 ( 4 ) 驱动电路模块 1 7 第二章嵌入式点火脉宽控制系统的方案设计 驱动电路模块是由c p l d 来控制的，本电路模块可以认为是系统的输出部 分，它的主要功能是用于驱动外部的负载。 2 6 2 软件设计 为了使系统能够正常工作，除了硬件电路以外，还需要软件来支持。硬件只 能组成系统的骨肉，软件好比人的大脑，是系统的灵魂。c p l d 的软件设计擅长 于计数，分频与倍频，逻辑运算等，本系统主要应用了计数，逻辑运算等。a r m 等微处理器在数值运算方面比较方便。本系统的软件与硬件密切相关，共有以下 几部分。 ( 1 ) c p l d 部分 这部分是在q u a r t u si i 开发环境下，使用了硬件描述语言v h d l 进行程序设 计，程序仿真后下载到c p l d 芯片上，用简单的程序代替了复杂的硬件逻辑，减 小了电路体积，降低了电路体积，降低了功耗，提高了系统可靠性。 ( 2 ) a r m 需要处理的模块 包括硬件设备的初始化和数据的处理，判断转速，与计算机的通信的实现， 与c p l d 通信的实现、根据不同的转速乘不同的系数进行放大，还有串口模块的 通信等。 2 7 本章小结 本章主要是介绍嵌入式点火脉宽控制系统的总体分析方案确定，分析与相关 技术的介绍，主要介绍了汽车喷油过程，两个主要芯片通信的实现，测喷油电平 与周期脉冲信号的原理的介绍的。最后给出了本系统的软硬件实现等。 1 8 长安大学硕士学位论文 第三章嵌入式点火脉宽控制系统的硬件设计 嵌入式点火脉宽控制系统的硬件设计主要包括数据采集模块，驱动模块，四 路输入，整形电路，四路输出，电源模块。设计框图如图3 1 所示。 图3 1 点火脉宽控制系统的整体硬件设计框图 整个系统用了两个微处理器芯片，两者之间的协调工作，按步骤的运行，正 确的收发数据，进行通讯，才能确保整个系统的正常运行。对于两个微处理器之 间的通信协议的设计，将在软件部分介绍。这里只说明两者之间的物理连接。 从图中可以看出，四路输入信号先后进入整形电路，然后从整形芯片输出规 整的波形，其中第一路进入a r m 微处理器，进行判别发动机的转速，并根据转 速的不同进行相乘不同的系数，进行放大。 c p l d 与a r m 进行通信，获得放大后的数据结果并转变成喷油信号方的脉 冲信号输出到驱动电路。驱动电路驱动四路输出，共有四个c m o s 管组成。为 了便于实验，方便用户，加了串口通讯，便于改变放大的系数。 3 1 测量处理模块 本系统用的是a t m e l 公司的a t 9 1 s a m 7 s 6 4 芯片。a t m e l 公司的a r m 7 产品种类比较多，s a m 系列a r m 7 处理器主要有：s a m 7 s 系列，s a m 7 x 系列， s a m 7 s e 和s a m 7 a 系列等。a t 9 1 s 鼬7 s 6 4 芯片属于s a m 7 s 系列。本系列是 成本低、引脚数少的闪存微控制器，对于需要额外的性能和扩展存储器的8 位微 控制器用户可谓是最理想的选择。它体积小、低功耗、低成本、高性能；支持 t h u m b ( 1 6 位) 和a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位大量使用寄存器，指 令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行 效率高。指令长度固定。它具有高达5