基于VC++的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測(cè)試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：基于Freescale公司MC9SDG128微控制器和Microsoft公司的Visual C++軟件，構(gòu)建了發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測(cè)試分析系統(tǒng)。系統(tǒng)可以模擬出實(shí)車(chē)的各種傳感器信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU工作，并采集ECU輸出的噴油和點(diǎn)火信號(hào)加以分析，實(shí)現(xiàn)在脫機(jī)狀態(tài)下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的測(cè)試。通過(guò)對(duì)桑塔納2000型轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU實(shí)際測(cè)試表明，使用該系統(tǒng)來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的實(shí)際工作狀態(tài)，可以深入了解ECU的控制特性和工作參數(shù)，為研究和評(píng)價(jià)ECU提供大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)。與就車(chē)測(cè)試相比，它具有調(diào)控容易，重復(fù)性好，儀器的測(cè)試范圍可以無(wú)限擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；ECU；MC9SDG128微控制器；Visual C++；測(cè)試技術(shù)

    電子控制單元ECU(Electronic Control Unit)，又稱“行車(chē)電腦”、“車(chē)載電腦”等。從用途上講則是汽車(chē)專用微機(jī)控制器，也叫汽車(chē)專用單片機(jī)。它和普通的單片機(jī)一樣，由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(ROM、RAM)、輸入，輸出接口(I／O)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)以及整形、驅(qū)動(dòng)等大規(guī)模集成電路組成。
    電子控制單元的功用是根據(jù)其內(nèi)存的程序和數(shù)據(jù)對(duì)空氣流量計(jì)及各種傳感器輸入的信息進(jìn)行運(yùn)算、處理、判斷，然后輸出指令，向噴油器提供一定寬度的電脈沖信號(hào)以控制噴油量。電控單元由微型計(jì)算機(jī)、輸入、輸出及控制電路等組成。
    在電子控制單元中CPU是核心部分，它具有運(yùn)算與控制的功能，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，它采集各傳感器的信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?hào)，控制被控對(duì)象的工作。它還實(shí)行對(duì)存儲(chǔ)器(ROM、RAM)、輸入／輸出接口(I／O)和其它外部電路的控制；存儲(chǔ)器ROM中存放的程序是經(jīng)過(guò)精確計(jì)算和大量實(shí)驗(yàn)取的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，這個(gè)固有程序在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，不斷地與采集來(lái)的各傳感器的信號(hào)進(jìn)行比較和計(jì)算。把比較和計(jì)算的結(jié)果控制發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火、空燃比、怠速、廢氣再循環(huán)等多項(xiàng)參數(shù)的控制。
    電子控制單元是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，其軟硬件的可靠性將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、排放性和車(chē)輛行駛的安全性，因此，ECU的性能檢測(cè)至關(guān)重要。ECU的檢測(cè)系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與汽車(chē)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU工作環(huán)境的仿真模擬以及各輸出信號(hào)的采集與分析。
    其信號(hào)模擬部分可用于汽車(chē)的故障檢測(cè)，在懷疑某個(gè)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，可用ECU模擬系統(tǒng)相關(guān)信號(hào)代替原傳感器信號(hào)，檢測(cè)故障是否消失，并判斷故障所在。此外，還可進(jìn)行ECU工作狀況的檢查以及學(xué)習(xí)ECU在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下對(duì)噴油和點(diǎn)火的控制方式。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測(cè)試系統(tǒng)可以根據(jù)需要模擬不同轉(zhuǎn)速下的曲軸位置信號(hào)，冷卻液溫度信號(hào)、進(jìn)氣溫度信號(hào)、空氣流量信號(hào)、節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)、氧傳感器信號(hào)等，并將這些信號(hào)輸入真車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，再采集ECU輸出給執(zhí)行器的信號(hào)并加以分析。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    控制器由飛思卡爾(Freescale)公司的MC9SDG128微控制器擔(dān)任，該16位控制器擁有豐富的I／O接口以及SCI／SPI／IIC等總線控制器，操作信號(hào)通過(guò)串行接口發(fā)送和接收。MC9S12系列單片機(jī)是MC68HC12系列單片機(jī)的更新替代產(chǎn)品。這種單片機(jī)的中央處理器CPU12由以下三部分組成：算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。CPU外部總線頻率為8 MHz，內(nèi)部運(yùn)算速度可達(dá)25 MHz。尋址方式有16種。內(nèi)部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為16位。它具有很強(qiáng)的高級(jí)語(yǔ)言支持功能。
    電源管理電路需產(chǎn)生+5 V以及±12 V穩(wěn)定電壓，為降低成本電源部分采用線性工頻變壓器，輸出端分別經(jīng)LM7812、LM7805和LM7912分別將電壓穩(wěn)壓至+12V、+5V和-12V。
    數(shù)控電位器采用的是X95840，它是InterSil公司出產(chǎn)的低噪聲、低功耗、兩線制8位數(shù)控電位器。DAC變換器采用的是AD5624，它是Anal-og Device公司12位效模轉(zhuǎn)換器，最高頻率可達(dá)5 MHz。運(yùn)算放大器采用的是AD824，它是將DAC輸出的四路0～5 V電壓放大至-12～+12 V。
    系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)電平變換，轉(zhuǎn)換成RS-232電平，與計(jì)算機(jī)通信。這里采用MAX3232為核心電平變換電路。其原理圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的編寫(xiě)和調(diào)試采用的是Microsoft公司的VisualC++軟件。Visual C++因其擁有方便易用的AppWizard、ClassWizard和豐富的可視化資源編輯工具，成為人機(jī)對(duì)話界面設(shè)計(jì)中使用最廣泛的平臺(tái)之一。Visual C++擁有強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，在此環(huán)境中用戶可以方便的進(jìn)行項(xiàng)目管理、編寫(xiě)C++源程序、編譯、改錯(cuò)，更重要的是，Visual C++還提供了一套MFC(Microsoft Foundation Classes)的程序類庫(kù)。
    其控制流程如圖3所示。

2．1 信號(hào)模擬
    信號(hào)模擬是為發(fā)動(dòng)機(jī)ECU產(chǎn)生各種必要的模擬信號(hào)，這些信號(hào)等效于汽車(chē)傳感器在不同工況下的輸出信號(hào)。系統(tǒng)提供兩種生成這些信號(hào)所需要數(shù)據(jù)的方法可供選擇。一種是由手動(dòng)設(shè)置給出，一種是選擇關(guān)聯(lián)設(shè)置。關(guān)聯(lián)時(shí)，秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，各信號(hào)參數(shù)根據(jù)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)在后臺(tái)計(jì)算。
2．2 信號(hào)采集和分析
    系統(tǒng)采集發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的輸出信號(hào)，得到一組相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制發(fā)動(dòng)機(jī)ECU噴油脈沖信號(hào)和點(diǎn)火控制信號(hào)。還可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的輸出信號(hào)計(jì)算出頻率、峰-峰值、脈沖寬度、占空比等物理參數(shù)，給出發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的噴油時(shí)間、噴油量相對(duì)變化率、點(diǎn)火提前角等工作參數(shù)。
2．3 數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)方法
    計(jì)算機(jī)通過(guò)串行口向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)送數(shù)據(jù)，采集到ECU噴油和點(diǎn)火輸出信號(hào)，通過(guò)串行口將這些數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)并繪制圖形。
    計(jì)算機(jī)根據(jù)應(yīng)采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)收集數(shù)據(jù)，編制成固定格式再發(fā)送。采集的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)整型數(shù)組里，再轉(zhuǎn)換成VARIANT數(shù)據(jù)類型，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中。
    數(shù)據(jù)格式：標(biāo)識(shí)參數(shù)名+數(shù)據(jù)+標(biāo)識(shí)參數(shù)名+數(shù)據(jù)……標(biāo)識(shí)參數(shù)名+數(shù)據(jù)。
    每?jī)晌槐硎疽粋€(gè)量，前一位指明參數(shù)，后一位給出數(shù)值。
2．4 測(cè)試軟件的主工作界面
    幾乎所有的Windows應(yīng)用程序都要借助于對(duì)話框來(lái)和用戶交流，本測(cè)試系統(tǒng)也是如此。對(duì)話框是Windows應(yīng)用程序中常見(jiàn)的元素之一，是用戶與應(yīng)用程序進(jìn)行交互的最簡(jiǎn)單且最常用的方式之一。一個(gè)完整的對(duì)話框主要是由對(duì)話框資源和對(duì)話框類構(gòu)成，所以創(chuàng)建一個(gè)對(duì)話框就是創(chuàng)建對(duì)話框資源和對(duì)話框類的過(guò)程。創(chuàng)建對(duì)話框資源包括添加對(duì)話框模板、修改對(duì)話框?qū)傩?，并在?duì)話框中添加各種控件；創(chuàng)建對(duì)話框類包括添加控件變量和添加控件消息處理函數(shù)。
    界面設(shè)計(jì)要遵循簡(jiǎn)單直觀的原則，這樣操作人員用起來(lái)才會(huì)得手，減少求助，提高工作效率。本程序的編寫(xiě)和調(diào)試采用的是Microsoft公司的VisualC++軟件。
    測(cè)試系統(tǒng)的主界面如圖4所示，各種控制參數(shù)都很直觀的顯示出來(lái)，用戶可以直接對(duì)一些主要控制參數(shù)做連續(xù)調(diào)整，操作方便。

2．5 串口通信參數(shù)設(shè)置
    要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)串行通信的功能，一種較為簡(jiǎn)便的方法是使用MSComm(Microsoft Communication Control)通信控件，它提供了標(biāo)準(zhǔn)的事件處理函數(shù)過(guò)程，是微軟公司開(kāi)發(fā)的專門(mén)用于串行通信的控件。它是高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的串行通信程序和PC串口之間的橋粱。本系統(tǒng)采用得就是這種方法。設(shè)置控件的屬性。添加控件的響應(yīng)代碼。就可以使串口按照要求進(jìn)行工作。在這個(gè)界面，可以進(jìn)行串口號(hào)和波特率的設(shè)置。通信參效設(shè)置界面如圖5所示。

3 結(jié)果顯示
    發(fā)動(dòng)機(jī)油路中汽油壓力是一定的。因此噴油器通電時(shí)，單位時(shí)間的噴油量是一定的。發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)噴油量，可通過(guò)噴油持續(xù)時(shí)間來(lái)控制。由于電噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴是通過(guò)電磁閥來(lái)控制關(guān)閉，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，噴油時(shí)間很短，噴油器響應(yīng)快，因此ECU輸出的噴油信號(hào)是一個(gè)很短暫的脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的時(shí)間寬度就是噴油脈寬。
    點(diǎn)火控制信號(hào)實(shí)際上就是點(diǎn)火器中功率結(jié)晶管的通斷控制信號(hào)。它是ECU輸出到點(diǎn)火組件的點(diǎn)火命令信號(hào)，也是點(diǎn)火組件計(jì)算閉合角的基準(zhǔn)信號(hào)。點(diǎn)火控制信號(hào)輸出后，在活塞位置達(dá)到存儲(chǔ)器所記憶的最佳點(diǎn)火時(shí)間時(shí)，點(diǎn)火控制信號(hào)消失，也就是發(fā)出了點(diǎn)火指令，如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)對(duì)桑塔納2000型轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU實(shí)際測(cè)試表明，通過(guò)該系統(tǒng)可以方便的將各種信號(hào)傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中，采集發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的輸出信號(hào)，還可以測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)ECU是否正常工作。其產(chǎn)生的各種傳感器信號(hào)可用于實(shí)際車(chē)輛檢測(cè)。此外還可以用于學(xué)習(xí)和演示不同環(huán)境不同工況下，ECU如何控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作。