中心議題：

• 探究氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
• 認(rèn)識(shí)電控系統(tǒng)的核心微處理器

解決方案：

• 設(shè)計(jì)出氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的ECU軟硬件
• 建立基于CAN總線建立的通訊平臺(tái)

引言

隨著環(huán)境污染、能源危機(jī)等全球性問題的日益突出，代用燃料汽車、電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車等低排放、節(jié)能經(jīng)濟(jì)型的汽車相繼涌現(xiàn)。它們有各自突出的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有相應(yīng)的局限。而壓縮空氣動(dòng)力汽車(Air-powered Vehicle)是利用高壓壓縮空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)膨脹做功，推動(dòng)活塞做功對(duì)外輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。不僅壓縮空氣來源方便，而且它還具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、清潔環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)；可以實(shí)現(xiàn)零排放，是真正的環(huán)保汽車。
本課題將LF162MK改裝成由電控系統(tǒng)控制電磁閥噴射壓縮空氣的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。本文進(jìn)行了基于ATmcga16的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該電控系統(tǒng)具有靈活、快速和準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)各傳感器的實(shí)時(shí)測量和對(duì)執(zhí)行器的控制以及PC機(jī)上的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，系統(tǒng)主要完成以下任務(wù)：實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)：實(shí)現(xiàn)對(duì)特征參數(shù)快速精確的計(jì)算；實(shí)時(shí)控制電磁閥噴氣定時(shí)和噴氣量；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊。

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要從系統(tǒng)檢測和控制功能的需求出發(fā)，按以下要求進(jìn)行設(shè)計(jì)：選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)采集方式，選用合理的傳感器，準(zhǔn)確地反映發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)參數(shù)；選用合適的控制芯片，采用低功耗高性能的元器件，簡化電路，提高控制精度；采用模塊化設(shè)計(jì)方法；系統(tǒng)具有抗振動(dòng)和抗干擾性能；驅(qū)動(dòng)模塊具有良好的可靠性和負(fù)載能力；適應(yīng)車載發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作環(huán)境。

2 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元硬件設(shè)計(jì)

電控單元(ECU)是整個(gè)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的核心。它由微控制系統(tǒng)模塊、輸入信號(hào)處理模塊、功率輸出執(zhí)行模塊和通訊模塊等部分組成。ECU要完成的主要任務(wù)有：實(shí)時(shí)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換、濾波和整形放大，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以讀取的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；通過數(shù)學(xué)計(jì)算和邏輯判斷制定出控制命令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器(高速電磁閥)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴氣定時(shí)、噴氣量的準(zhǔn)確控制；實(shí)現(xiàn)CAN總線實(shí)時(shí)通訊任務(wù)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括ATmega16、信號(hào)處理電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路及傳感器和執(zhí)行器等，分別完成對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)檢測、控制和監(jiān)測的功能。 [page]
2．1 電控系統(tǒng)的核心微處理器

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)具有多控制參數(shù)、控制算法復(fù)雜及實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)。ECU作為整個(gè)電控系統(tǒng)的核心，它不但要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各數(shù)據(jù)信號(hào)采集和實(shí)時(shí)控制，還要處理各信號(hào)之間的關(guān)系以及噴氣定時(shí)和噴氣量的計(jì)算。另外，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，要承受強(qiáng)烈的振動(dòng)和強(qiáng)電磁干擾等。本課題選用ATMEL公司開發(fā)的ATmega16作為主芯片，它是一款低能耗、低電壓、高性能的AVR系列微處理器。它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、豐富的外圍接口和模塊化的功能設(shè)計(jì)，完全可以滿足氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、控制和通訊的需求。

2．2 信號(hào)采集模塊

為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)檢測和控制，傳感器必須能夠準(zhǔn)確地反映發(fā)動(dòng)機(jī)的各狀態(tài)參數(shù)，傳感器的選型和傳感器信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)對(duì)電控系統(tǒng)是至關(guān)重要的。曲軸／凸輪軸位置傳感器選用霍爾式傳感器，它具有對(duì)磁場敏感、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。油門位置傳感器選用電位式傳感器，通過加速踏板繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)電位器觸點(diǎn)的移動(dòng)，使其輸出電壓在0．5～4．5V間發(fā)生變化。信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)必須保證信號(hào)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，所以在電路設(shè)計(jì)中要加入大量的濾波和抗干擾元件。

傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)分兩種：一種是數(shù)字信號(hào)，如曲軸／凸輪軸信號(hào)，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理電路，進(jìn)行濾波、放大和整形，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，分別輸入到ATmega16的輸入捕捉(ICP1)引腳和外部中斷1(INT1)引腳。另一種是模擬信號(hào)，如油門位置信號(hào)，經(jīng)模擬信號(hào)處理電路進(jìn)行濾波后，輸入到ATmega16的AD轉(zhuǎn)換輸入通道0(ADC0)引腳。

2．3 信號(hào)處理模塊

在ATmega16中集成了ADC功能模塊，它是8通道10位的逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器，0-VCC的ADC輸入電壓范圍。通過AD轉(zhuǎn)換器可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字量，并保存在ADC數(shù)據(jù)寄存器中。

ATmega16的外部中斷1，通過引腳INT1觸發(fā)。中斷可以由下降沿、上升沿、低電平，或任意邏輯電平變化觸發(fā)中斷。當(dāng)外部中斷使能并且配置為下降沿觸發(fā)，只要引腳電平為下降沿，中斷就會(huì)產(chǎn)生。

T／C1(Timer／counter1)是ATmega16的一個(gè)16位多功能定時(shí)計(jì)數(shù)器。它的輸入捕捉單元可用來捕獲外部事件，并為其賦予時(shí)間標(biāo)記以說明此事件的發(fā)生時(shí)刻，外部事件發(fā)生的觸發(fā)信號(hào)由引腳ICP1輸入。當(dāng)該引腳上的邏輯電平發(fā)生了變化，輸入捕捉被激發(fā)：16位的TCNT1數(shù)據(jù)將被拷貝到輸入捕捉寄存器ICR1，同時(shí)引發(fā)一個(gè)中斷。

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中，經(jīng)處理電路處理過的曲軸位置和凸輪軸位置信號(hào)，接到ICP1和INT1引腳。當(dāng)相應(yīng)電平變化時(shí)就會(huì)觸發(fā)曲軸、凸輪軸中斷。凸輪軸中斷子程序主要是用來判斷壓縮上止點(diǎn)位置的。在曲軸中斷函數(shù)中，完成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算，確定噴氣定時(shí)，以及結(jié)合油門位置信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換值計(jì)算噴氣量等，并通過PA7引腳輸出信號(hào)控制執(zhí)行模塊。
[page]
2．4 功率驅(qū)動(dòng)模塊

功率驅(qū)動(dòng)模塊就是將單片機(jī)輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁閥的控制量，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥執(zhí)行相應(yīng)操作的控制。高速電磁閥是整個(gè)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵的部件之一。由于噴射高壓空氣，而且要求在高速下完成電磁閥的開關(guān)動(dòng)作。因此，對(duì)它的響應(yīng)時(shí)間要有特殊的要求。本課題選用SP021高速電磁閥。
圖2所示的是電磁閥功率驅(qū)動(dòng)模塊。其中，P7插座連接高速電磁閥，電磁閥線圈一端連接電源，另一端連接場效應(yīng)管漏極。Q1是場效應(yīng)管IRF540，起放大作用。U6是可控制的光電耦合器件TLP521-1，它廣泛應(yīng)用于電路之間的信號(hào)傳輸，將ECU與負(fù)載隔離，可以增加電路的安全性，減小電路干擾，簡化電路設(shè)計(jì)。當(dāng)ECU發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，光耦導(dǎo)通，穩(wěn)壓二極管D10將場效應(yīng)管Q1的柵極電壓穩(wěn)定在12V，漏極電流增大，漏極電壓被拉低。此時(shí)，電磁閥線圈電流增大，線圈產(chǎn)生強(qiáng)大的電動(dòng)勢，電磁閥被打開。而當(dāng)光耦截止時(shí)，電磁閥關(guān)閉，線圈中電路變化很大，會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢。R20功率電阻和D11肖特基二極管IN5819與電磁閥并聯(lián)，防止場效應(yīng)管被擊穿。

2．5 通訊模塊

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)是極其復(fù)雜的，不僅包括轉(zhuǎn)速、油門位置等信號(hào)的采集處理；還要對(duì)電磁閥的噴氣定時(shí)和噴氣量完成精確控制等等。另外，氣動(dòng)汽車上還包括ABS、空調(diào)系統(tǒng)和車輛燈光等模塊，這些模塊需要實(shí)時(shí)共享車輛的數(shù)據(jù)，以達(dá)到整車的最優(yōu)控制。傳統(tǒng)的電氣控制設(shè)計(jì)策略已經(jīng)不能滿足當(dāng)今電氣控制網(wǎng)絡(luò)的需要，而CAN總線的數(shù)據(jù)通訊具有突出的可靠性、實(shí)用性和靈活性等特點(diǎn)。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)通訊平臺(tái)如圖3所示。它具有布線成本低、通訊速率高和數(shù)據(jù)傳輸精度高等優(yōu)勢。 CAN節(jié)點(diǎn)原理框圖如圖4所示。本文采用TJA1040高速CAN總線收發(fā)器作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，選用Mierochip公司推出的MCP2515作為CAN總線控制器，它符合CAN2．0B技術(shù)規(guī)范并帶有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口。ATmega16通過同步串行接口SPI與MCP2515之間完成高速的全雙工的同步數(shù)據(jù)傳輸，MCP2515通過CAN物理接口芯片TJA1040連接到CAN總線上，完成氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)與PC機(jī)等的CAN通訊。
[page]
3 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU開發(fā)的核心。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的原則，具有可擴(kuò)展性；還要具有良好的抗干擾能力，可以實(shí)現(xiàn)自我診斷和保護(hù)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)是對(duì)時(shí)間要求很嚴(yán)格的系統(tǒng)，它對(duì)噴氣有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)和精確的要求，主要通過中斷程序的觸發(fā)和嵌套來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示?？刂栖浖沙跏蓟K、中斷模塊和主控模塊組成。初始化模塊主要完成對(duì)電控系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置和配置寄存器等任務(wù)；中斷模塊執(zhí)行計(jì)算轉(zhuǎn)速和判斷壓縮上止點(diǎn)及控制電磁閥噴氣等任務(wù)；主控模塊完成信號(hào)處理、確定噴氣定時(shí)和噴氣量以及CAN通訊等。
4 電控系統(tǒng)調(diào)試及總結(jié)

多次調(diào)試和試驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的ECU軟硬件能夠準(zhǔn)確檢測出發(fā)動(dòng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)速等各參數(shù)；功率驅(qū)動(dòng)模塊工作可靠，具有良好負(fù)載能力；基于CAN總線建立的通訊平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)傳輸。試驗(yàn)還表明噴氣壓力對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有很大影響，在對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行完善時(shí)，需要擴(kuò)展噴氣壓力控制模塊，以保證噴氣壓力穩(wěn)定在合適的值，減少由于壓力波動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行造成的不良影響。冷卻水溫、噴氣溫度和缸內(nèi)壓力等參數(shù)也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行具有一定影響，需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，以便對(duì)噴氣定時(shí)和噴氣量等控制參數(shù)修正，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行得更加穩(wěn)定和優(yōu)化。