基于DSP的新型無分電器點(diǎn)火裝置
1 系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)中央處理單元ECU由一片 DSP和一片通用單片機(jī)組成。DSP主要用于對(duì)信號(hào)的采集、處理,控制算法實(shí)現(xiàn),與輔助單元和PC機(jī)進(jìn)行通訊;單片機(jī)主要用于系統(tǒng)監(jiān)測和備用點(diǎn)火等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)采用了集成點(diǎn)火組件。點(diǎn)火組件用于完成閉合角控制、恒電流控制、過電壓保護(hù)、停車斷電保護(hù)等功能,并能通過缸序判別信號(hào)IGda、IGdb把點(diǎn)火信號(hào)IGt送入相應(yīng)的點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路,產(chǎn)生點(diǎn)火確認(rèn)信號(hào)IGf。
1.1 主CPU單元
系統(tǒng)主CPU采用DSP TMS320F240。它具有以下特點(diǎn):32位中央算術(shù)邏輯單元CALU;16位×16位并行硬件乘法器;內(nèi)置544字×16位雙端口數(shù)據(jù)/程序RAM,16K字×16位FLASH E2PROM;軟件等待發(fā)生器的外部存儲(chǔ)器接口模塊,支持硬件等待狀態(tài);雙10位高速A/D轉(zhuǎn)換器;28個(gè)獨(dú)立可編程的多路復(fù)用I/O引腳;基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊;帶實(shí)時(shí)中斷的看門狗定時(shí)器模塊;串行通訊接口;4級(jí)管道操作;8級(jí)硬件堆棧;6個(gè)外部中斷;靜態(tài)CMOS技術(shù);4種低電源模式;最高頻率為40MHz;多數(shù)指令周期為單周期;完成一次點(diǎn)火提前角的計(jì)算時(shí)間低于1ms,比通用微處理機(jī)快10～100倍,大大地提高了點(diǎn)火系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
主CPU單元主要完成兩大任務(wù):一是確定當(dāng)前工況下的最佳點(diǎn)火提前角,產(chǎn)生點(diǎn)火控制信號(hào)IGt和汽缸判定信號(hào)Igda與IGdb;二是通過RS-232接口與PC機(jī)進(jìn)行串行通信,主CPU可把采集的各種傳感器信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、故障代碼等送到PC機(jī)中進(jìn)行仿真與分析;PC機(jī)也可以把二進(jìn)制程序代碼及一些重要數(shù)據(jù)(如不同工況下的修正值等)送到主CPU的FLASH E2PROM單元。
TMS320F240擴(kuò)展了四片CY7C169-25和一片8253,并采用74F148擴(kuò)展外部中斷源輸入端。
1.2 監(jiān)測和點(diǎn)火備用模塊
監(jiān)測和點(diǎn)火備用模塊所使用的CPU是8751。該模塊通過對(duì)各傳感器信號(hào)、IGf信號(hào)等進(jìn)行分析、診斷,對(duì)主CPU單元實(shí)施監(jiān)測。當(dāng)主CPU單元出現(xiàn)故障時(shí),監(jiān)測和點(diǎn)火備用模塊立即接過點(diǎn)火控制權(quán),并放棄監(jiān)測工作。
8751單元擴(kuò)展了2732、6264和 8253各一片。采用一片AD574A和CD4051進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并用74LS148擴(kuò)展了8個(gè)外部中斷源輸入端。
1.3 DSP數(shù)字控制器與PC機(jī)的串行通訊
TMS320F240 SCI模塊支持CPU與使用標(biāo)準(zhǔn)NRZ格式的其它異步外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)字通信。SCI接收器和發(fā)送器是雙緩沖的,具有獨(dú)立的使能和中斷位。SCI對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行間斷、奇偶性、超時(shí)、幀出錯(cuò)等檢測。系統(tǒng)采用了RS-232異步串行通訊標(biāo)準(zhǔn)總線。
1.4 系統(tǒng)接口資源的分配
TMS320F240 DSP數(shù)字控制器與8751單片機(jī)提供的I/O接口與中斷輸入接口是有限的,為避免資源沖突,將外部的輸入信號(hào)按表1進(jìn)行優(yōu)化分配。
2 系統(tǒng)軟件
2.1 點(diǎn)火提前角
點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能影響較大,ECU按下式計(jì)算點(diǎn)火提前角:
實(shí)際點(diǎn)火提前角=初始點(diǎn)火提前角+基本點(diǎn)火提前角+修正點(diǎn)火提前角
基本點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)以表格的形式存儲(chǔ)在DSP的FLASH E2PROM中。實(shí)際上,基本點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不止256個(gè)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷并不在基本點(diǎn)火提前角對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上,則采用多元線性回歸法進(jìn)行擬合:
式中, θ ——基本點(diǎn)火提前角
n ——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
l ——發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷
將離線生成的線性回歸方程系數(shù)存儲(chǔ)在ECU中。ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷信息,查閱基本點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)表,或查閱線性回歸方程系數(shù)表計(jì)算基本點(diǎn)火提前角,并根據(jù)影響點(diǎn)火提前角的其它因素(冷卻水溫信號(hào)、空調(diào)開關(guān)信號(hào)、怠速開關(guān)信號(hào)等)進(jìn)行必要的修正后輸出點(diǎn)火控制信號(hào)IGt。
不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī),其點(diǎn)火提前角與線性回歸方程式系數(shù)不同。系統(tǒng)ECU與PC機(jī)的通信功能提供了隨時(shí)更新這些數(shù)據(jù)的方便。
2.2 系統(tǒng)軟件模塊
軟件系統(tǒng)由主程序模塊、控制算法模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量及處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、G1和G2信號(hào)中斷模塊、DSP數(shù)字控制器與微機(jī)的通訊模塊、DSP數(shù)字控制器在線程序更新模塊、系統(tǒng)監(jiān)測模塊、備用點(diǎn)火模塊、FLASH EEROM擦除模塊等組成。
主程序模塊主要包括初始化程序、起動(dòng)程序、發(fā)動(dòng)機(jī)工況測量程序、處理程序、判別程序等。程序的初始化包括RAM區(qū)、各特殊功能寄存器、I/O、堆棧等的初始化。主程序模塊根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等信號(hào)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況,并由此轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序當(dāng)中。
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量及處理模塊主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)工況判定、查點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)表等;A/D轉(zhuǎn)換模塊處理冷卻水溫和負(fù)荷傳感器等模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換;控制算法模塊根據(jù)存儲(chǔ)的不同燃油標(biāo)號(hào)的點(diǎn)火提前數(shù)據(jù)、多元線性回歸系數(shù)等表格,確定基本點(diǎn)火提前數(shù)據(jù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制等;G1和G2信號(hào)中斷子程序主要控制IGt、IGda、IGdb信號(hào)的產(chǎn)生,檢測點(diǎn)火確認(rèn)信號(hào)IGf;DSP數(shù)字控制器與微機(jī)的通訊模塊完成DSP數(shù)字控制器與單片機(jī)的信息交換;系統(tǒng)檢測、備用模塊主要完成對(duì)一些傳感器的檢測、ECU單元的監(jiān)控、備用狀態(tài)下的點(diǎn)火控制;系統(tǒng)監(jiān)測和備用點(diǎn)火模塊對(duì)G1、G2、Ne、IGf、負(fù)荷、水溫等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),置標(biāo)志位、報(bào)警。當(dāng)主CPU出現(xiàn)故障時(shí),除了報(bào)警之外,該模塊立即接過點(diǎn)火控制權(quán)。
系統(tǒng)的操作流程圖如圖2所示。
本點(diǎn)火系統(tǒng)的新穎之處在于ECU使用了兩個(gè)CPU,使其具有了自檢功能和備用功能。主CPU采用了被視為未來通用芯片的DSP,這類芯片具有處理速度快、運(yùn)算功能強(qiáng)、輸入輸出速度快、精度高、可靠性好等特點(diǎn),適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上試運(yùn)行,得到了良好的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能。
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