电控燃油喷射控制器的设计毕业论文.doc

湖南工程学院毕业论文电控燃油喷射控制器的设计毕业论文目录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 本课题研究的背景及意义11.2 课题发展现状和前景展望1第2章 电控燃油喷射系统32.1 电控燃油喷射系统概述32.2 电控燃油喷射系统的组成与原理32.2.1空气供给系统32.2.2燃油供给系统32.3电子控制系统42.3.1发动机控制单元（EUC）42.3.2传感器原理与特性52.4系统的分类6第3章 硬件电路总体设计83.1电控单元（ECU)总体设计83.2 各单元电路设计93.2.1单片机的选型93.2.2 MC9S12DP256单片机的特点93.2.3 MC9S12DP256的主要引脚及功能103.2.4 MC9S12DP256单片机I/O资源分配113.2.5 MC9S12DP256单片机系统硬件设计123.3信号处理电路设计133.3.1数字星输入通道133.3.2模拟星输入通道14第4章 ECU软件设计164.1系统结构与中断控制164.1.1系统模块划分164.1.2系统中断控制174.2系统主程序设计184. 3喷油子程序设计194.3.1基本喷油子程序与算法设计194.3.2加减速工况喷油程序设计254.4信号采集与处理程序设计27结束语29参考文献30致谢31附录A 喷油控制器源程序32附录B 总体电路图42电控燃油喷射控制器的设计电控燃油喷射控制器的设计摘要:日益严重的能源问题和环境危机迫使汽油机朝低污染、低油耗和高功率的方向发展。微处理器和电子控制技术的发展，使汽油机电控技术得到应用。采用电控系统的汽油机能对工况进行实时的监测，根据工况的变化计算实际需要的油量、压力和正时，以改善燃烧性能，使汽油机具有更好的动力性、经济性与排放性。本文主要是在借鉴国内外先进电喷技术的基础上，对汽油机电控单元的硬件与软件开发技术进行分析和设计。汽油机电子控制的关键技术是汽油机电子控制单元(ECU)的软件、硬件的开发，通过对其硬件电路和软件程序的不断改进，逐步满足汽车电子各方面更加精确控制的要求。结合我国当前排放法规的要求和燃油品质的现状，分析了汽油机电控技术和发动机的具体情况，主要以MC9S12DP256单片机为主芯片，设计了喷油控制系统的软件和硬件，硬件电路图和喷油主程序、脉宽计算程序、A/D转换程序和转速计算程序在内的软件。该系统经运行调试后，基本可以实现发动机的喷油要求，为后续发动机电控单元的设计、应用提供了一定的参考。关键字：汽油机; MC9S12DP256;电控单元;喷油系统The controller design of electronic control fuel injectionAbstract:Energy problem and environmental crisis is getting increasingly serious, that forced the development of gasoline engine to turn to the destination of low pollution,low fuel consumption and high power. The development of the microprocessor and electronic control technology, make the electronic control technology for gasoline engine has been applied. Gasoline engine with electronic control system can real-time monitor the work conditions to calculate the actual needs of the oil, the pressure, and the right injection time, that improve the combustion performance of the gasoline engine, make it has better power, economy and emissions. This Paper will focus on the analysis and development on the hardware and Software of ECU based on the reference of foreign advanced ECU technology. The key of the engine electronic control is to develop the hardware and software of ECU. The gradual development of the hardware and software will meet the need of more accurate control for the vehicle electronies. Combined with the request of current emission regulation and fuel qualify，it analyzes the ECU technology and the real environment of engine，then designs the hardware and software of the fuel injection of the ECU with the MC9S12DP256 as the main CMOS chip. It also draws the hardware with the protel Software and designs the ASM software Proceeding etc. Hardware and software Tests how that the improved ECU can meet the basic requires of the vehiele. At the same time，gave out the reference for the design of the best ECU in the future.Keywords: Petrol machine; MC9S12DP256; Electronic Control Unit; Fuel Injection System 52第1章 绪 论1.1 本课题研究的背景及意义随着经济的快速发展和城市化进积的加快，城市污染口趋严重，而汽车尾气的排放是城一市污染的主要来源。汽车尾气排放中的未燃氢、氮氧化合物、在大气中通过光化学烟雾反应而形成的臭氧、过氧酞基硝酸盐等对人休造成极大的危害，已成为危及人类健康的主要因素，因此，节能和“零污染”已成为可持续发展对汽车工业提出的紧迫和严格的时代要求。在发动机上采用微机控制的燃油喷射和点火系统，能够精确对空燃比和点火时刻等参数进行优化控制，保证发动机在各种工况厂都能处一于最佳工作状志，使发动机发挥出最佳的性能水平，从而为综合解决发动机节能和排气进化这两大难题提供了有效途径。为了降低汽油机的能源消耗，满足节能和排放法规的要求，电子控制技术在汽油机中的应用和发展已经成为必不可少的一个环节。所以研究汽油机电控喷油系统和执行器的控制原理、电控系统中传感器的应用、汽油机电控系统的电控单元（ECU）设计及电控技术未来的发展趋势 ，其中电子控制单元主要由单片机控制。电气化控制系统取代机械化控制不仅提高汽油机运行参数测量的控制精度也满足了节能减排的要求。提高汽油机电控系统的智能化是未来世界重工业研究的重要方向，是各国综合实力的象征。1.2 课题发展现状和前景展望目前，建立在现代计算机技术和测试技术高速发展基础上的电控喷射技术已在工业发达国家的发动机产品中得到了广泛运用，取代了传统的化油器和机械式分电器的供油和点火力式，使电控I喷射及点火系统成为现代发动机的一个主要组成部分，并做为衡量整机性能水平的标志，目前国外汽车儿乎100%采用电控喷射技术。在我国，随着汽车拥有量的人幅度增加，汽车尾气造成的环境污染已十分严重。因此，国家制订了越来越严格的汽车排放法规限制汽车尾气污染。国家机械气业局2000年公布了控制汽车产品排放指标和工作方针，我国汽车产品排放控制的总休标是:2D00年达到欧洲20世纪SD年代后期水平，2002年达到欧洲20世纪90年代初控制水平，2010年实现与国际控制水平同步。汽车产品的排放控制将对所有车型的所有污染物进行控制，推广汽车电子控制燃油喷射技术。 随着电子技术的发展，微机处理机、存储器和I0功能不断完善，使发动机控制朝着综合控制的方向发展，由单项控制发展为多项控制，控制项口不断增多，以日产EECS控制系统为例，除空燃比、点火提前角和废气再循环外，增加了怠速控制、爆震控制、油泵电流控制和燃油压力控制等项口。为提高系统的可靠性，系统增加了自诊断功能不备份CPU ,存储器和曲轴位置传感器。国内对车用汽油机微机控制的研究起步较晚，目前仍处于单项控制系统的研发阶段，与国外研究水平存在一定的差距，尚末开发出具有自主知识产权的ECU。在中国经济保持快速、稳定发展的环境下，我国的汽车产业迎来了一个新的发展阶段，我国己经成为个球第二人汽车制造国。2006年，中国汽一车产为728万辆，比上年增长27%，已超过德国，仅次于美国、日本，居世界第三位。到了2007年中国汽车产帚有望突破800万辆。从今年到2010年之间，中国汽车工业预计将保持两位数的增长速度到2010年.汽车总产量将达到8001000万辆。因此公司不遗余力地扩大生产，在与外国合资生产的同时，大力开发自主品牌车力图尽快抢占片更大市场份额。但是，目前表面很红火的汽车工业很大一部分采取合资形态，所以自主研发的重要性尤为突出。 第2章 电控燃油喷射系统2.1 电控燃油喷射系统概述电控燃油喷射系统它是以电子控制（ECU）装置为核心，利用安装在发动机不同位置上的传感器，测得发动机的各种工作参数，按照控制程序，通过控制电动喷油器精确控制喷油量，使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气。电控燃油喷射系统因应用情况不同，有各种相应不同的结构组成形式，应根据发动机及汽车的结构性能水平、使用环境条件、对各种性能和要求的侧重点及排放法规的严格程度等各种因素，确定所采用的电控燃油喷射系统的结构配置。2.2 电控燃油喷射系统的组成与原理电控燃油喷射系统因应用情况不同，有各种不同的结构组成形式，应根据发动机及汽车的结构性能水平、使用环境条件、对各种性能要求的侧重点及排放法规的严格要求程度等各种因素确定所采用的电控燃油喷射及点火系统的结构配置。一般电控汽油喷射系统由空气供给系统、供油供给系统及电子控制系统三个子系统组成。 2.2.1空气供给系统进气歧管气缸空气空气滤清器空气流量器进气压力传感器节气门体图2.1空气供给系统2.2.2燃油供给系统燃油供给系统的作用是供给缸内燃烧所必需的汽油量。如图2.2所示。 油箱汽油泵滤清器缓冲器喷油器进气歧管油箱调压器2.2燃油供给系统组成燃油泵为涡轮式单级电动泵，由ECU通过燃油泵继电器控制工作。2.3电子控制系统电子控制系统功能是据发动机运转工况和车辆运行状况确定该工况下的最佳喷油量和最佳喷油时刻及最佳点火时刻。它主要包括以下几部分:ECU、节气门位置传感器、进气温度传感器、水温传感器、进气压力传感器、氧传感器、爆震传感器，以及曲轴位传感器和凸轮相位传感器等。控制系统的工作原理如图2.3所示。空气流量器计点火开关爆震传感器汽油泵喷油器废气再循环电控阀蓄电池水温度传感器节气门位置传感器氧传感器车速传感器发动机电控单元ECU曲轴位置和转速传感器凸轮轴位置传感器点火器总速电控阀图2.3 电子控制系统的组成2.3.1发动机控制单元（EUC）控制单元是一个以单片机为核心的微处理器，它的功能是处理来自整车不同部件的传感器数据，判断发动机的工作情况，再通过执行器对发动机进行准确的控制。ECU内部可以分化为如图2.4所示的几大部分。信号放大处理A/D转换电路开关信号输入CPURAM驱动电路ROM图2.4 发动机控制单元ECU原理图信号放大处理电路把从传感器来的弱点信号放大，同时对一些非线性信号进行线性化处理，对开关信号滤波处理和电位变换。A/D电路对模拟量进行数字化处理，通过A/D转换的信号有水温、空气温度、节气门开度、压力。开关信号处理电路进行电位的转换以便能与CPU接口，它处理的信号有曲轴位置信号、节气门开度信号、氧传感器信号、空调开关信号。其中要从曲轴位置信号中分离出转速信号和基准位置信号，并分别传给CPU以减轻CPU的负担，CPU一般选择处理能力强的单片机，最好用能进行浮点运算的DSP芯片，以适应处理复杂的控制程序。驱动电路有点火电路、喷油驱动电路和怠速阀驱动电路。2.3.2传感器原理与特性1) 冷却液温度传感器冷却液温度传感器用于检测发动机的时机工作温度，ECU将根据不同的冷却水温度，为发动机提供最佳的控制方案。其原理为采用热敏电阻检测冷却液温度，一般装在发动机冷却液小循环通道上。该热敏电阻式一种负温度系数（NTC）的敏感组件，有铜套封住，水温低时，电阻大，ECTS输出电压高，但并非线性。2) 进气温度传感器进气温度传感器用于检测进去发动机汽缸的空气温度。由于进气密度随温度改变而变化，它是反应进入汽缸实际空气量的必要参数之一，因此，ECU必须根据IAT信号对喷油量进行修正。其工作原理和输出特性与冷却液温度传感器相同（如图2.7所示），一般也采用负温度系数的热敏电阻，只是热敏电阻是裸露的，其常见结构如图2.8所示，在采用速度密度法的电控发动机中，其一般安装在空气滤清器的壳体内或进气总管内。3) 进气歧管绝对压力传感器进气歧管绝对压力传感器是速度密度法空气流量测量系统中最终要的传感器，其句发动冬季复合状况，检测进气压力的变化，并将其转化成电压信号，与发动机转速信号一起，作为电控单元ECU计算基本朋友量和基本点火提前角的依据。电控发动机中以半导体压敏电阻式MAP传感器应用最为广泛，它由密封在真空室的弹性硅片和相应的桥式电路组成。标准的5V电压施加在电桥的臆断，当压力变化致使硅芯片变形时，组织随之变化，电桥另一端输出与压力成正比的05V电压信号。4) 节气门位置传感器节气门位置传感器有线性输出和开关型两种形式。本文设计是基于是线性输出型的TPS，其为可变电阻结构，其滑动端子由节气门轴带动，利用阻值的变化，即可测得与节气门开度相对应的输出电压，节气门的开度不同时，该传感器所反映给ECU的电压信号也不同，系统根据其输出的电压机器变化速率判定发动机的实时负载和动态变化状况（如发动机加减速判断等）。其一般安装在节流阀体总成上，与油门拉杆和节气阀门同轴。5) 曲轴位置传感器曲轴位置传感器不仅可以测量曲轴转角（即曲轴位置），同时也可反应发动机转速，用来确定相应的喷油正时和基本喷油量等。常见的曲轴位置传感器有磁电式、霍尔式和光电式。本系统选用磁电式曲轴位置传感器，其主要有感应线圈；铁芯和永久磁铁构成，工作时，若传感器头部的磁阻交替变化，传感器便感应出交变的正弦电压信号。2.4系统的分类l、按喷油器数量和位置(1)进气管单点喷射(SPI)在进气总管的节气门上方安装一个喷油器。空气和喷出燃油在进气管形成燃油混合气，在进气行程时被吸入各气缸中。(2)进气管多点喷射(MPI)在每个气缸的进气门前各安装一个喷油器。空气和喷出燃油在进气门处形成燃油混合气，在进气行程时被吸入气缸中。MPI与SPI相比，避免了进气歧管结构和湿壁效应对各缸混合气均匀性的影响，同时进气管中仅有空气，发动机可按最大充气量设计，但成本较高，维修复杂。目前SPI可达到EUROII号标准，MPI可达到EUROIH与IV号标准。(3)缸内直接喷射(DI)喷油器安装在每个气缸的燃烧室上方，在压缩行程时直接将燃油喷射在气缸内，混合燃烧更充分。它提高了效率，但需要将喷射压力从250Kpa提高到4-5Mpa，同时必须使用低硫汽油，因而限制了它的使用。SPI多用于普通轿车及载货汽车，MPI多用于中高档轿车，DI仅在少数豪华车上使用，可达到欧洲2005年实旌的EUROIV号标准。2、按喷射方式(1)间歇喷射(脉冲喷射)喷射是在进气过程中的一段时间内进行的，有一限定的喷射持续期，喷射持续时间就是所控制的喷油量。MPI都采用间歇喷射的方式，按喷射时序它又分为如下三种：a、各缸顺序独立喷射(按点火顺序)；b、分组喷射一同组各缸同时喷射，不同组各缸顺序喷射；c、各缸同时喷射。在结构和控制上后者较前者简单。(2)连续喷射(稳定喷射)燃料喷射的时间占有循环过程，连续喷射的喷油器的开启程度是可以进行调节的，仅用于进气管单点喷射。3、按ECU控制方式(1)质量流量式喷油量的多少取决于测量得到的进入空气量。这种控制方式中有一个测量空气质量的传感器，以计量进入空气量。(2)速度密度式喷油量多少取决于空气的密度及转速两个量。空气的密度并不能直接测量得到。一般是用节气门开度及转速来表示或用进气压力来表示。从中又可以分出二种控制方式：a、速度一进气压力控制方式；b、速度一节气门开度控制方式。由于这两个控制方式都是间接引用密度，因而在决定喷油量时还必须考虑空气温度的影响。第3章 硬件电路总体设计电控系统由硬件和软件两部分组成，其中硬件是系统的基础，有了硬件，软件才能有效地执行。件电路的可靠性直接影响到控制系统的性能指标。电子控制单元（ECU)的主芯片采用16位单片机MC9S12DP256。下面将介绍单片机系统、信号处理电路、执行机构驱动电路的设计。3.1电控单元（ECU)总体设计电控单元硬件电路的设计包括单片机系统的电路设计、信号采集处理电路设计、执行机构驱动电路设计等。根据控制系统的总体方案及控制要求，确定硬件电路的总体方案，包括三大部分：传感器、电子控制单元（ECU)、执行器。控制系统组成如图3.1所示。执行器节气门开度信号冷却水温度信号进气温度信号进气压力信号爆震信号转速信号判缸信号启动信号氧传感器信号模拟量调整电路脉冲整形开关信号调整数模转换电路I/O接口喷油驱动电路外围电路主芯片点火驱动电路步进电机驱动燃油泵驱动电动燃油泵怠速步进电机点火器喷油器外围通讯设备传感器ECU图3.1控制系统组成图3.2 各单元电路设计3.2.1单片机的选型微处理器是发动机电控系统的核心，根据ECU所要求实现的基木功能，对单片机的选择应考虑下面因素:时钟频率和字长:片内存储器的容量及可扩展存储器的容量；指令系统功能是否丰富；I/O日是否丰富，或可扩展的能力，以及对外设的控制能力；实时中断资源是否丰富；与外界设备的通讯能力；复杂的工作环境的适合能力；综合考虑参考资料、研究成本等因素本文决定采用HCS12系列的MC9S12DP256芯片作为电控单元的CPU予以设计开发。3.2.2 MC9S12DP256单片机的特点n 16位HCS12 CPU指令集于68HC11向上兼容；可工作在25MHz的内部总线频率，具有较高的运算速度这一点使得系统可以采用更短的控制周期，特别适用于实时控制，并且可以采用相对复杂的控制策略；指令系统丰富，如它有几条模糊控制专用的指令，使采用模糊控制成为可能；256K FLASH, 4K EEPROM, 12K RAM,支持嵌入式操作系统。n 两个8通道10位A/D转换，具有外部转换保持功能。10位单次A/D转换只需7us,可编程A/D采样时间，A/D转换完毕触发中断。n 五个CAN模块，传输速率1 M/s，与CAN2. 0AB软件兼容。n 增强型输入捕捉时间模块(Enhanced Capture Timer)16位的计数器，提供七种不同的预分频，8个可编程的输入捕捉和输出比较功能的通道，4个8位或者1个16位的脉冲累加器。n 8个PWM (Pulse Width Modulation)通道脉宽调制（(PWM)技术可以简单地说是一种模拟信号电平进行数字编码的方法，是通过控制方波的占空比来对具体模拟信s的电平进行编码，PWM十分适用于开关电源、可控硅等器件的控制，也可使用于LCD亮度控制、音频输出等不需要输出精确电压的场合。n 串行接口两个异步全双工串行通一讯接口SCI,三个同步串行外围设各接口SPI。n 内部1C总线(IIC接口）和I2C总线标准兼容，支持多主器件工作模式，可编程的256种不同的串行时钟频率，提供起动、停止、重新起动、反馈、总线忙等各种信号的检测和产生。n 112脚LQFP封装I/O口5V输入和驱动功能，5VA/D转换输入，单线的背景调试模式（(BDM),芯片内置的硬件断点功能。3.2.3 MC9S12DP256的主要引脚及功能n 电源类引脚VDDR和VSSR, VDDX和VSSX:外电源供给端VDD1和VSS1，VDD2和VSS2:内电源供给端，来自内部电压调节器VDDA和VSSA: A/D转换器电压供给端VRH和VRL: A/D转换器高低电E输入端VDDPLL和VSSPLL:时钟发生器模块电源供给端，来自内部电调节器VREGEN:内部电压调节器使能输入,若为低电平，VDDl、2和VDDPLL必须外接电源。XFC:锁相环滤波电容连接脚n EXTAL和XTAL:外部晶振输入接口IRQ:外部可屏蔽中断：n XIRQ:外部不可屏蔽中断n RESET:外部低电平有效复位输入或作为输出脚，指示内部故降n MODE/IPIPE0,MODE/IPIPEl, MODC/BKGD:复位时引脚电平状态决定单片机进入单片模式、扩展模式或特殊模式；复位后双向引脚BKGD是BDM调试工具与单片机通信接口，IPIPE0, IPIPE1作为内部指令流的跟踪信号，分时出现数据运动和执行的状态信息n R/W:在扩展模式下，指出扩展总线上的数据方向；ECLK:在扩展模式下，作为外部总线时钟，复用地址和数据；LSTRB用于实现外部8位存储器写操作n XCLKS/NOACC: XCLK在系统复位时，用于选择时钟模式；NOACC在扩展模式中，指示总线空闲周期n IOCO/PTO-IOC7/PT7:端口T为8个通用I/O口。也可分别定义为输入捕捉功能或输出比较功能(FXT),适合数字脉冲的输入n PADOO/ANOO-PAD15/AN15:16位A/D输入，可用作模拟信号的输入n MISO1/PWMO/KWPO/PP0-SCK2/PWM7/KWP7/PP7:端口P为8个通用 I/O口。也可定义成两个SPI端口或8个PWM输出端n XADDR14/PK0-XADDR19/PK5, ECS/K0M0NE/PK7:端门K为7个通用 I/O口，在扩展模式下用于产生高位地址XADDRI4到XADDRI9n KWHO/PHO-KWH7/PH7:端口H为8个通用I/O口,做普通输入口可产生中断，可设置为键盘的输入脚n XIRQ/PEO-XCLKS/NOACC1PE7:端口E为8个通用I/O口。特殊功能上面已说明n DATA8/ADDR8/PAO-DATA15/ADDR15/PA7:端口A为8个通用I/O口。在扩展模式下分时出现高8位地址和数裾n ATAO/ADDRO/PBO-DATA7/ADDR7/PB7:端口B为8个通用工I/O口。在扩展模式下分时出现低8位地址和数据n RxB/RxCANO,IPM0-TxCAN3/PM7:端口M为8个通用I/O口。也可设定为4个CAN总线接口，线接口，其中CANO也可定义为J1850通信接口n RxD0/PS0-SS0/PS7:端口S为8个通用I/O口也可设定为2个SCI串行通信接口和1个SPI接口n KWJO/PJO，KWJ1/PJ1, SDA/RxCAN4/KWJ6/PJ6, SCL/TxCAN4/KWJ7/ PJ7:端口J为4个通用I/0口。做普通输入口可产坐中断，可设置为键盘的输入脚；也可设定为第5个CAN接口或I2C接口n TEST:用于测试模式，在应用中必须接地3.2.4 MC9S12DP256单片机I/O资源分配MC9S12DP256单片机I/O资源比较丰富，但有各自的特点。为了能充分利用其优势,同时使电控系统性能能达到最佳，必须针对不同的输入、输出信号的特点合理分配I/O口。比如，曲轴位置传感器信号、凸轮位置传感器信号属于脉冲信号，适合接到具有输入捕捉功能的PT;同时，喷油控制和点火控制信号属于高速、有严格定时要求的信号，也适合接到具有输出比较功能的PT 口。MC9S12DP256I/O资源的具体分配如下：PADOO/ANOO节气门位置信号；PADOl/ANOl:冷却水温信号PAD02/AN02:进气温度信号；PAD03/AN03:进气压力信号PAD04/AN04:电池电压监测；PAD05/AN05:爆震传感器信号PAD06/AN06PAD15/AN15:空闲，可接其它模拟输入信号IOCO/PTO:曲轴位罝传感器；IOC1/PT1:凸轮位置传感器IOC2/PT2:电磁喷油器1缸；IOC3/PT3:电磁喷油器4缸IOC4/PT4:电磁喷油器2缸；IOC5/PT5:电磁喷油器3缸IOC6/PT6:点火器1、4缸；IOC7/PT7:点火器2、3缸XADDR14/PKO:氧传感器信号；XADDR15/PK1:启动开关信号XADDR 16/PK2:空调开关信号：XADDR17/PK3XAUDR19/PK5:空闲，可接其它数字开关信号PA1PA7; PB1PB7:空闲，待扩充其它功能MISO1 /PWMO/KWPO/PPO:怠速步进电机A相MOS12/PWM1 /KWP1 /PP1:怠速步进电机 B相SCK1 /PWM2/KWP2/PP2:怠速步进电机控制SSIn/PWM3/KWP3/PP3:燃油泵控制PP3PP7:空闲，待扩充其它功能3.2.5 MC9S12DP256单片机系统硬件设计虽然单片机将CPU, FLASH, EEPROM, RAM以及I/O统统集成在一个集成电路芯片上.但仍需一些外部电路的支持。本系统把能够维持单片机运行的最简中配置的系统构成单片机最小系统。以MC9S12IF256芯片为核心的最小硬件系统主要包括：电源电路、时钟电路、复位电路、率口电路等。n 电源电路MC9S12DP256.中单片机片外I/O使用5V电压,单片机片内使用2. 5V电压，较低的片内电压使CPU运算速度快、功耗低；较高的I/O电平有利于抗外界干扰，所以S12单片机特别适合于那些工作环境恶劣的控制系统。由于HCS12单片机内部集成了电压调节器模块，电压调节器模块产生单片机内部需要的其它电压，因此只要向HCS12单片机提供+5V外部电源就可以了。考虑到汽车电源供给电压为12V,所以要将+12V转换为+5V。转换电路如图3.3所示，釆用三端稳压集成块7805(输出范围为5V、1A)，两个电容为滤波电容起到稳定电源电压的作用。n 复位电路MC9S12DP256单片机片内集成有上电复位电路，单片机上电时可自动产生复位信号，但为了保证单片机能稳定的运行，它们如图3.2所示。自动复位电路会一直处于低电平输出的复位状态直到电源电压稳定在5V的工作电压，当电源电压低于4.75V时也会自动复位，从而起到欠压保护的作用。图3.2复位电路n 时钟电路时钟电路是单片机系统运行的最基本的条件之一。这里介绍标准HCS12单片机的时钟电路。通过把一个16MIIz的外部晶振接在单片机的外部晶振输入接口EXTALH和XTALH上，然后利用MC9S12DP256内部的压控振荡器和锁相环把这个频率提高到25MHz，作为单片机工作的内部总线时钟。图3.3时钟电路n 串口电路通过串口驱动电路中的RS-232电平转换芯片MAX232，单片机可以利用异步串行通信协议同PC通信。MAX232芯片可以实现TTL电平与RS-232电平之间的转换，然后通过利用SCI模块和PC机通信。如图3.6所示。这里采用了=线制连接串口，也就说电脑的9针串口只连接其中的3根线:第5脚的GND、第2脚的RXD,第3脚的TXD(接收数据针脚(或线)与发送数据针脚(或线)相连，彼此交叉，信号地对应相接）。3.3信号处理电路设计传感器的作用是采集发动机的各种状态信息，以使得知发动机的运行状况。由于许多传感器的输出信号不能满足单片机输入的要求，故在信号输入单片机之前，需釆用信号调节与变换电路，使之成为电子控制单元能够接受和识别的电子控制信号。而且传感器直接与现场釆集对象相连，是现场干扰进入的主要渠道，所以必须釆取合适的抗干扰措施，以确保电路的正常工作。根据测试对象的不同，传感器的输出信号可分为数字信号与模拟信号两种，相应地把信号的输入通道分为数字虽输入逝道及模拟量输入通边。3.3.1数字星输入通道控制系统釆集的数字信号有曲轴位置传感器(CPS)信号、凸轮位置传感器(CAS)信号和起动信号。其中曲轴位罝传感器信号、凸轮位S传感器信号属于数字脉冲信号，起动信号属于数字开关信号。3.3.1.1曲轴位置传感器曲轴位置传感器足60-2齿磁电式的传感器，其输出是正弦波信号，再送入CPU之前需要滤波、整形为0-5V的方波信号。本设计采用电压比较器将正弦波信号转化为方波信号。具体电路如图3.7所示，由LM211电压比较器等元器件构成。电路中的电阻、电容起到使两输入端平衡和低通滤波的作用，两个二极管起到在输入信号电压过高时保护芯片。LM211电压比较器是一种集电极开路输出器件，所以在电源与输出端之间接2.2K的电阻(上拉电阻）。这一由电压比较器构成的信号转换电路，从结构原理上可以等效为一理想运放和一个三极管组成。当负的输入端为高电平(+IN-IN)时，运放输出低电平，三极管小能导通，此时输出端(OUT)也为高电平；当负的输入端为低电平（+IN-IN)时，运放输出高电平，三极管导通，此时输出端(OUT)也为低电平。这样就把正弦波信号转变成了CPU可以接受的方波信号了。3.3.1.2凸轮位罝传感器凸轮位置传感器也叫判缸信号传感器，本设计采用SDH霍尔传感器，它可以直接输出矩形脉冲信号，因此不需要整形处理。SDH霍尔传感器的输出信号处理电路。由于SDH霍尔传感器也是一种集电极开路输出的器件，因此也需要在电源和输出端之间接一上拉电阻Rk为了减少受点火系统的影响，增强系统的抗干扰能力，处理电路中对探头的输出信号进行了滤波及光耦合处理。光耦采用SHARP公司的PC3Q67。3.3.2模拟星输入通道模拟量入信号包括:进气歧管绝对压力信号、节气门位置信号、冷却水温度信号、进气温度信号、氧传感器信号、爆震传感器信号、电池电压信号等。模拟信号输入通道的作用是对这些信号进行实时采样、处理和变换后，经I/O接口送入电子控制单元。3.3.2.1进气歧管绝对压力(MAP)传感器它安装在进气歧管用来测量进气歧管的压力，以表征发动机的负荷。在汽油机运转过程中，进气管压力随汽油机的负荷变化而同向变化。MAP传感器是由压力转换元件(硅膜片)和把转换元件输出信号进行放大的混合集成电路等构成。利用半导体的压阻效应使其输出的信号电压具冇随进气歧管绝对压力的增大呈线性增大的特性。进气歧管压力传感器的信号经限幅滤波处理后接单片机的PAD03/AN03引脚。3.3.2.2节气门位置传感器(TPS)节气门位置传感器装在节流阀体上，与节气阀门同轴，把节气门打开的角度转换成电压信号送到ECU。它是旋转电位计式可变电阻结构，其滑动端子由节气门轴带动。电位计有三个接线柱，其中一个与电刷连接，这个接线柱为电位计的输出端（节气门开度信号），当把另外两个接线柱分别同+5V电源和地连接时，就构成一个分压电路。电位计的输出电压在0.74V-4.5V之间变化，节气门位置信号经限幅滤波处理后接单片机的PAD00/AN00 引脚。3.3.2.3冷却水温传感器（(CLT)和进气温度传感器(MAT)冷却水温传感器装配在发动机的冷却液小循环通道上。它采用负温度系数的10K热敏电阻作为感应元件，随冷却水温度的提高，其电阻值减小。在接口电路中，把冷却水温传感器阻值的变化转化为电压变化，电压范围为05V。最终连接到单片机A/D转换的PAD01/AN01引脚上。进气温度传感器安装在进气系统过渡管路上，用于检测进入发动机的空气温度。它也是釆用负温度系数的热敏电阻作为感应元件。进气温度传感器信号处理电路同冷却水温处理电路，电路最终连接到PAD02/AN02引脚上。3.3.2.4排气氧传感器(EGO)根据氧传感器的输出特性，氧传感器的输出若高于0.5V；若低于0.5V,说明混合气稀。在电路设计时，我们把0.5V作为电压比较器的基准比较电压，氧传感器的输出电压与0.5V电压进行比较，氧气传感器信号处理电路。考虑到抗干扰的要求，系统中加入光电耦合器PC3Q67和一级RC滤波电路，最终从光电耦合器输出的信号与比较器的输出信号同相，即高电平表示浓混合气.低电平表示稀混合气。经过处理后的氧传感器输出信号属于数字信号，接到XADDR14/PK0引脚上。3.3.2.5电源电压测呈电路汽车发动机供电、蓄电池电压经常会有一定波动，它将直接影响系统的控制精度，因而控制系统应该对此电压值进行测量，一般来说，当发动机工作时，蓄电池电压往往要在几伏到几十伏之间变化，而单片机A/D转换所能接受的电压为05V，因此需要特殊设计的信号处理电路，对蓄电池电压进行转换。该电路釆用了四运放集成电路ML324的模拟接口电路。在实际应用中，电容的大小应根椐输入信号的频率来选择，而电阻的大小可以限制过压状态下的输入电流。图中模拟输入端加接了反压二极管，它也起限制输入电流的作用。第4章 ECU软件设计发动机控制系统软件足被个发动机管理系统（EMS)的决策核心。随者控制系统的复杂化，控制软件承担着信号釆集与处理、决策控制、数据处理、数据通信和故障诊断等各项任务，作为整个控制系统的指挥中枢，ECU控制软件的设计水平己成为评价系统优劣的重要指标之一。控制软件包括控制程序和数据两部分。控制软件大多采用模块化结构，将整个控制系统的程序分成若干个功能相对独立的程序模块，每个模块分别进行设计、编程和调试，最后将调试好的程序模块连接起来。各模块既相对独立又相互联系，有淸晰的结构和完整的接口。这种软件设计方式可使程序设计、调试更容易，同时修改变动方便，可按需要进行取舍，便于系统的进一步开发扩展和维护。下文将主要介绍多点燃油顺序唢射系统ECU软件的功能模块划分、系统中断优先级设计、主程序设计、各功能模块的具体实现，以及系统初步的实验测试。4.1系统结构与中断控制在硬件的支持下ECU软件的主要任务包括：系统初始化，系统工作时序、控制模式的设定，各工况判断以及喷油计算与控制，同时还有输入信号的采集处理、中断处理程序和査表插值处理等。4.1.1系统模块划分按软件模块化结构思想，本系统ECU软件主要划分为如下几个模块:n 系统初始化模块n 系统主程序模块n 喷油计算与控制模块n 反馈控制模块n 数据采集与处理n 查表插值模块本系统用KEIL C166软件采用C语言编程实现，程序的功能划分。其中，以上各模块由一个或多个子程序模块组成，且它们之间并不独立，既有相互包含又有相互调用，下面几节将进行具休的程序流程和控制算法分析。4.1.2系统中断控制发动机电控系统是一个复杂的实时系统，ECU工作时需要不断的对各种外部信号输入和内部处理事件进行协调控制，并立即作出积极快速的响应，响应完毕后还需继续进行实时处理与计算这种对外部事件和内部时间周期进行的相应处理是由ECU微处理器的中断系统来完成的。本系统所含的主要中断及其功能和优先级见表4-1表4-1系统各中断功能与优先级中断类型优先级中断程序的功能1个输入捕捉(CAP)中断高低完成脉冲计数、缺齿基准判断. 判缸、喷油计算与控制、转速计算等6个输出比较(COM)中断4个中断分别控制 4个气缸对应的喷油器喷油定时器T3中断检测节气门开度变化率.判断加减速工况定时器T2中断完成进气压力、节气门开度的数据采集与处理定时器T4中断完成进气温度、冷却液温度、蓄电池电压、 氧传感器信号的数据采集与处理1.输入捕捉(CAP)中断输入捕捉(CAP)中断是曲轴位置传感器产生的58X-2方波脉冲信号的上升沿触发的拙轴位置传感器信号是发动机中最重要的信号，是整个发动机管理系统的“时钟”。曲轴位罝传感器信号经过处理，从中我们可以得到曲轴转角、发动机速度和缺齿基准等主要参数。该信号再和凸轮轴位置传感器的信号结合，可以得到发动机各缸的相位与工作状态，进而完成喷油量和喷油定时等重要控制。因此，该中断的优先级应为最高。2.输出比较（COM)中断4个输出比较（COM)中断分别控制4个喷油器线圈绕组的通断。在中断中完成对喷油定时和喷油持续时间的控制.使发动机按时按量地喷油.该中断山输入捕捉中断使能控制，以保证控制运行可靠。其中，点火中断优先级应高与喷油中断优先级。若某缸喷油后，因中断优先级的问题话，可能不会被点火；同样，也可能会发生某缸没喷油但却被点火了。但考虑到排放与油耗，我们并不希望前一种情况发生，所以应选择点火中断优先级高于喷油中断优先级。3.定时器中断定时器T3的中断处理程序用来完成对节气门开度变化率的检测，用于完成加减速工况的判断。对数据采集与处理模块，采用了两种中断处理:周期为lms的T2中断和周期为10ms的T4中断。对于发动机控制系统中变化较快且较重要的信号，如进气压力和节气门开度信号.本系统采用周期为lms的T2定时器中断来进行A/D转换和数据处理。对于变化较慢的信号，如进气温度、冷却水温度、蓄电池电压和轼传感器信号等，我们釆用周期为10ms的T4定时器中断进行数据釆集与处理。系统设罝lms的T2中断优先级高于10ms的T4中断优先级，T3的中断优先级均高于以上两个中断。而进行数据转换与处理的定时器中断应低于进行喷油和点火控制的输出比较(COM)中断。4.2系统主程序设计系统控制软件包括控制系统通电后的系统初始化程序、发动机工况判别和处理程序等。其中，程序的初始化包括系统内核设定、各特殊功能寄存器的初始化和I/O口的初始化等等。图4.1系统主程序设计流程图其中超速断油是在发动机转速超过最高限记转速时，由ECU自动切断供油，以防止发动机较长时间的超速运行而造成对机体的损害，且可减少油粍。若转速超过最高转速，切断燃油；断油后，当转速低于最高转速一定余量时，再恢复供油。这个余量一般约为80rpml00rpm。系统主程序是无限循环的，它是发动机各种运行工况的基础平台。主程序流程图如4.2所示，该流程图主要从发动机工况的判别和变换的角度来说明整个软件的工作过程。系统运行时，每个工况的处理均包括相应的喷油控制，但各工况的处理程序并不是绝对独立的，它们只是总流程上的一个分枝，依然会共用系统的一些数据、变量和函数子程序，只是处理的内容因工况不同会有一些差异。因具体机型的不同，各工况的识别条件也会有区别，在ECU中通常以相应的位变量作为标志位供处理时调用，本系统设置汽油机各工况的识别条件与标志位见表4-2:表4-2各工况识别条件和标志位发动机工况工况识别条件工况标志位起动工况TPS=0%, STA = 1(起动信号），n 800rpmIdleflag大负荷工况TPS85%,且n 3800rpmPower_flag加速工况 TPS大于参考值，且变化方向为正,800rpmn 80C,且n nr；nr为参考转速，随发动机工况而不同(如是否开空调等）Dec_flag超速工况n 5000rpm, ECT 85 C, N.TPS 0%Overrun_flag4.3喷油子程序设计4.3.1基本喷油子程序与算法设计喷油子程序是本系统控制软件的核心模块，ECU喷油控制的主体就是在曲轴位置(CAS)传感器的方波脉冲信号的输入捕捉（CAP)中断中完成的。对本系统来说，曲轴转一圈要发生58次CAS信号输入捕捉中断，但每次中断的处理内容和发动机的曲轴转角有关。在运行工况下，当ECU收到曲轴缺齿（第58齿）基准信号，完成同步处理。然后，根据发动机当前A/D转换处理得到的发动机转速和进气歧管绝对压力（MAP)通过基本喷油脉宽MAP查表插值得到当前工况的基本喷油脉宽。同时再据具体工况数据，通过其他喷油修正量或增量来得到总的喷油脉宽。当ECU通过捕捉