基于FPGA的噴油脈寬處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：由于電控汽油機(jī)在燃用不同比例甲醇汽油時(shí)受空燃比自適應(yīng)調(diào)整的限制而不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題，提出利用FPGA技術(shù)將電控單元輸出的噴油脈寬信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展處理，使得電控汽油機(jī)在燃用不同比例甲醇汽油時(shí)，空燃比能夠維持在理論空燃比附近，從而使得電控汽油機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)采用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8N，在Quatus II開發(fā)環(huán)境中給出硬件設(shè)計(jì)和功能仿真。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)滿足對(duì)噴油脈寬信號(hào)的擴(kuò)展處理要求且系統(tǒng)性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：噴油脈寬；FPGA；Vetilog；PWM

    當(dāng)今世界面臨著石油能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大問(wèn)題。能源與環(huán)境問(wèn)題已成為影響我國(guó)乃至世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。因此．積極尋求和發(fā)展清潔能源已成為各國(guó)的頭等大事。改變石油短缺、污染嚴(yán)重的唯一方法，就是減少對(duì)石油的依賴，開發(fā)綠色高效清潔替代能源。
    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車數(shù)量的快速增加，以及國(guó)際原油價(jià)格的飛漲，給我國(guó)石油需求和環(huán)境保護(hù)造成了巨大壓力，節(jié)能減排任務(wù)形勢(shì)嚴(yán)峻。甲醇汽油被看作是汽車的重要替代燃料，但是由于甲醇本身富含氧，致使甲醇汽油的理論空燃比較小。電控汽油機(jī)在燃用不同比例的甲醇汽油時(shí)，電控燃油噴射系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能不能完全使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此需要將電控單元輸出的噴油脈寬信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展處理，使得電控汽油機(jī)在燃用不同比例甲醇汽油時(shí)，空燃比能夠維持在理論空燃比附近從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 噴油脈寬調(diào)整思路
    電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴油量可以用下式計(jì)算：
   
    式中M為電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴油量；μ為噴油孔的流量系數(shù)；s為噴油孔截面積；t為噴油持續(xù)時(shí)間；g為重力加速度；ρ為燃油密度；pi為噴油壓力；P0為供油壓力。由式(1)可知通過(guò)改變噴油孔流量系數(shù)、噴油孔截面積、供油壓力和噴油壓力，以及噴油持續(xù)時(shí)間來(lái)改變噴油量的大小，而噴油孔流量系數(shù)、噴油孔截面積、供油壓力和噴油壓力與噴油器本身的尺寸和參數(shù)相關(guān)，噴油持續(xù)時(shí)間對(duì)于噴油量來(lái)說(shuō)是一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。因此采用改變噴油持續(xù)時(shí)間來(lái)改變噴油量，噴油持續(xù)時(shí)間由汽車的電控單元(ECU)控制。當(dāng)噴油器中使用中低比例甲醇汽油時(shí)，依靠電控燃油噴射系統(tǒng)所具有的自適應(yīng)控制功能，自行調(diào)節(jié)噴油脈寬，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)燃用高比例甲醇汽油時(shí)，其自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能不能滿足時(shí)就需要對(duì)脈寬進(jìn)行處理，如圖1所示。

2 噴油脈寬調(diào)整的FPGA程序設(shè)計(jì)
2．1 Cyclone系列FPGA芯片簡(jiǎn)介
    Cyclone系列FPGA芯片是Altera公司于2003年推出的中等規(guī)模、低成本和高性價(jià)比芯片，具有0．13μm工藝，240個(gè)管腳，1．5 V的內(nèi)核供電。內(nèi)部所含的嵌入式存儲(chǔ)器由數(shù)十個(gè)M4K的存儲(chǔ)器構(gòu)成。每個(gè)M4K存儲(chǔ)器快具有很強(qiáng)的伸縮性，可以實(shí)現(xiàn)：4 068位RAM；200MHz高速性能；真正的雙端口存儲(chǔ)器；FIFO設(shè)計(jì)；ROM設(shè)計(jì)；混合時(shí)鐘模式等功能。Cyclone器件的電源支持采用內(nèi)核電壓與I／O口電壓分開供電的方式，支持多種I／O接口，符合I／O口標(biāo)準(zhǔn)，可以支持差分的I／O口標(biāo)準(zhǔn)。Cyclone器件可以支持最多129個(gè)通道的LVDS和RSDS其內(nèi)部的LVDS緩沖器可以支持高達(dá)640 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度，保證了信號(hào)的完整性，并具有更低的電磁干擾和電磁兼容性，及更低的電源功耗。
2. 2 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)
    根據(jù)時(shí)序關(guān)系可以做出如圖2所示流程圖。在系統(tǒng)復(fù)位后，預(yù)置好脈寬參數(shù)，判斷周期檢測(cè)標(biāo)志flag的情況從而啟動(dòng)計(jì)數(shù)器1工作，在獲得輸入信號(hào)周期后，根據(jù)輸入的脈寬參數(shù)輸出預(yù)置的pwm波形。

2．3 脈寬周期測(cè)量模塊的描述及仿真
    該模塊用于測(cè)量輸入方波信號(hào)的周期，工作原理如圖3所示。

    設(shè)置一個(gè)門控制信號(hào)flag(初始值為0)，產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)信號(hào)周期相同的閘門，開始測(cè)量周期時(shí)，計(jì)數(shù)器置0，待flag=1時(shí)，而且nrst=1時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到flag=0時(shí)，停止計(jì)數(shù)。此時(shí)得到計(jì)數(shù)器的值就是被測(cè)方波信號(hào)的周期。
   
    周期測(cè)量模塊的仿真結(jié)果如圖4所示，系統(tǒng)時(shí)鐘clk_mhz的頻率為100 MHz，輸入信號(hào)s_in的頻率為100 kHz，計(jì)數(shù)器結(jié)果為1 000。

2．4 脈寬可調(diào)信號(hào)輸出模塊的描述及仿真
    該模塊用于輸出占空比可調(diào)的方波信號(hào)，將周期測(cè)量模塊得到的計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行左移N位操作(即進(jìn)行除法運(yùn)算)。N值由脈寬控制參數(shù)確定(本例N值為3)。然后根據(jù)脈寬控制參數(shù)，輸出相應(yīng)占空比的方波。
   
   
    脈寬可調(diào)信號(hào)輸出模塊的仿真結(jié)果如圖5所示，脈寬控制參數(shù)select=3，輸出信號(hào)pwm_out的占空比應(yīng)為37．5％。

2．5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    系統(tǒng)通過(guò)綜合、仿真和下載，在上海星研電子科技有限公司生產(chǎn)EH2000 FPGA實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，clk_MHz設(shè)置為1MHz，輸入信號(hào)s_in設(shè)置為8Hz。每次設(shè)置不同的脈寬參數(shù)獲的10組輸出信號(hào)占空比的值然后求其平均值得到實(shí)際的占空比值如表1所示。

3 結(jié)束語(yǔ)
    文中針對(duì)電控汽油機(jī)在燃用不同比例甲醇汽油時(shí)遇到的噴油脈寬調(diào)整問(wèn)題，提出了基于FPGA的噴油器脈寬處理的設(shè)計(jì)方案。在Quatus II自帶的仿真軟件下可以觀測(cè)到設(shè)置不同的脈寬控制參數(shù)可以達(dá)到輸出信號(hào)的占空比可調(diào)。整個(gè)系統(tǒng)下載在實(shí)驗(yàn)箱上觀測(cè)到實(shí)際占空比值可以滿足對(duì)輸入信號(hào)的脈寬展寬要求。