基于FPGA的噴油脈寬處理系統(tǒng)的設計

石 鵬，宋陳娟

（1.長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064）

當今世界面臨著石油能源危機和環(huán)境污染兩大問題。能源與環(huán)境問題已成為影響我國乃至世界經(jīng)濟和社會發(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的頭等大事。改變石油短缺、污染嚴重的唯一方法，就是減少對石油的依賴，開發(fā)綠色高效清潔替代能源。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，汽車數(shù)量的快速增加，以及國際原油價格的飛漲，給我國石油需求和環(huán)境保護造成了巨大壓力，節(jié)能減排任務形勢嚴峻。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。電控汽油機在燃用不同比例的甲醇汽油時，電控燃油噴射系統(tǒng)的自適應調(diào)節(jié)功能不能完全使發(fā)動機能夠正常運轉(zhuǎn)。因此需要將電控單元輸出的噴油脈寬信號進行擴展處理，使得電控汽油機在燃用不同比例甲醇汽油時，空燃比能夠維持在理論空燃比附近從而使發(fā)動機能夠正常運轉(zhuǎn)。

1 噴油脈寬調(diào)整思路

電噴發(fā)動機的燃油噴油量可以用下式計算[1-3]：

式中M為電噴發(fā)動機的燃油噴油量；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)時間來改變噴油量的大小，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，噴油持續(xù)時間對于噴油量來說是一個獨立的參數(shù)。因此采用改變噴油持續(xù)時間來改變噴油量，噴油持續(xù)時間由汽車的電控單元（ECU）控制。當噴油器中使用中低比例甲醇汽油時，依靠電控燃油噴射系統(tǒng)所具有的自適應控制功能，自行調(diào)節(jié)噴油脈寬，使發(fā)動機能夠正常運轉(zhuǎn)。當燃用高比例甲醇汽油時，其自適應調(diào)節(jié)功能不能滿足時就需要對脈寬進行處理，如圖1所示。

圖1 噴油脈寬調(diào)整示意圖Fig.1 Injector pulse width adjustment schematic

2 噴油脈寬調(diào)整的FPGA程序設計

2.1 Cyclone系列FPGA芯片簡介

Cyclone系列FPGA芯片是Altera公司于2003年推出的中等規(guī)模、低成本和高性價比芯片，具有0.13 μm工藝，240個管腳，1.5 V的內(nèi)核供電。內(nèi)部所含的嵌入式存儲器由數(shù)十個M4K的存儲器構(gòu)成。每個M4K存儲器快具有很強的伸縮性，可以實現(xiàn)：4 068位RAM；200 MHz高速性能；真正的雙端口存儲器；FIFO設計；ROM設計；混合時鐘模式等功能。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口標準，可以支持差分的I/O口標準。Cyclone器件可以支持最多129個通道的LVDS和RSDS其內(nèi)部的LVDS緩沖器可以支持高達640 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度，保證了信號的完整性，并具有更低的電磁干擾和電磁兼容性，及更低的電源功耗[4]。

2.2 系統(tǒng)流程圖設計

根據(jù)時序關系可以做出如圖2所示流程圖。在系統(tǒng)復位后，預置好脈寬參數(shù)，判斷周期檢測標志flag的情況從而啟動計數(shù)器1工作，在獲得輸入信號周期后，根據(jù)輸入的脈寬參數(shù)輸出預置的pwm波形。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig.2 System flow chart

2.3 脈寬周期測量模塊的描述及仿真

該模塊用于測量輸入方波信號的周期[5-6]，工作原理如圖3所示。

圖3 脈寬周期測量模塊工作原理圖Fig.3 Pulse-width measurement cycle module principle diagram

設置一個門控制信號 flag（初始值為0），產(chǎn)生一個與被測信號周期相同的閘門，開始測量周期時，計數(shù)器置0，待flag=1時，而且nrst=1時，計數(shù)器開始計數(shù)，直到flag=0時，停止計數(shù)。此時得到計數(shù)器的值就是被測方波信號的周期。

周期測量模塊的仿真結(jié)果如圖4所示，系統(tǒng)時鐘clk_mhz的頻率為100 MHz，輸入信號s_in的頻率為100 kHz，計數(shù)器結(jié)果為1 000。

圖4 周期測量模塊的仿真結(jié)果圖Fig.4 The simulation results in Figure cycle measurement module

2.4 脈寬可調(diào)信號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，將周期測量模塊得到的計數(shù)器的值進行左移N位操作（即進行除法運算）。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)，輸出相應占空比的方波。

脈寬可調(diào)信號輸出模塊的仿真結(jié)果如圖5所示，脈寬控制參數(shù)select=3，輸出信號pwm_out的占空比應為37.5%。

圖5 脈寬可調(diào)信號輸出模塊的仿真結(jié)果圖Fig.5 Pulse width adjustable signal output module of the simulation results Figure

2.5 實驗結(jié)果及分析

系統(tǒng)通過綜合、仿真和下載，在上海星研電子科技有限公司生產(chǎn)EH2000 FPGA實驗箱進行測試。測試時，clk_MHz設置為1MHz，輸入信號s_in設置為8Hz。每次設置不同的脈寬參數(shù)獲的10組輸出信號占空比的值然后求其平均值得到實際的占空比值如表1所示。

3 結(jié)束語

文中針對電控汽油機在燃用不同比例甲醇汽油時遇到的噴油脈寬調(diào)整問題，提出了基于FPGA的噴油器脈寬處理的設計方案。在Quatus II自帶的仿真軟件下可以觀測到設置不同的脈寬控制參數(shù)可以達到輸出信號的占空比可調(diào)。整個系統(tǒng)下載在實驗箱上觀測到實際占空比值可以滿足對輸入信號的脈寬展寬要求。

表1 實驗結(jié)果Tab.1 The experimental results

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