基于L9177和CAN總線的摩托車發(fā)動機電噴控制單元設計

張宗哲

(同濟大學，上海 200092)

目前以8位、16位微處理器為控制核心的數(shù)字式電子控制，因其小巧、靈活和較強的數(shù)據(jù)分析和處理能力推動了摩托車電噴技術的迅速發(fā)展.但是由于傳統(tǒng)的摩托車電噴一般使用RS232或K線作為對外的通信方式，在進行系統(tǒng)在線標定和數(shù)據(jù)實時采集時，這種方式的實時性無法得到有效的保證.同時，傳統(tǒng)的控制單元大都采用分離器件，這必然使可靠性大大降低，成本上也毫無優(yōu)勢.小排量汽油發(fā)動機電控燃油噴射系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)且得到大量應用，成本是其中的關鍵，而降低成本，必須從噴射系統(tǒng)的結構精簡、功能復用和算法優(yōu)化上進行創(chuàng)新，并為此設計了一種基于集成器件L9177和CAN總線的摩托車發(fā)動機電噴控制單元[1-2].

1 總體框架設計

摩托車發(fā)動機電噴系統(tǒng)從整體結構上來看，包括各種傳感器、電子控制單元 (ECU)和執(zhí)行機構[3].其中，ECU是整個系統(tǒng)的核心部分，它根據(jù)曲軸位置傳感器產(chǎn)生的信號計算出曲軸角度和轉(zhuǎn)速;根據(jù)進氣壓力傳感器，節(jié)氣門位置傳感器及進氣溫度計算出發(fā)動機進氣量;依據(jù)進氣量和發(fā)動機轉(zhuǎn)速計算出基本噴油持續(xù)時間，然后進行缸溫、電池電壓的修正，得到最佳噴油持續(xù)時間;同時根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度得到點火提前角，精確地控制發(fā)動機運轉(zhuǎn).除了正常的維持發(fā)動機的運轉(zhuǎn)外，ECU還需要和外部設備進行通信，比如轉(zhuǎn)速信息，故障信息，標定數(shù)據(jù)等，同時把必要的信息存儲到FLSAH或EEPROM中.整個系統(tǒng)的外圍框圖，如圖1所示.

圖1 摩托車發(fā)動機電子控制單元系統(tǒng)外圍框圖

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)主要組成部分

電子控制器ECU主要分為以下幾部分:

1)電源部分.電源保護模塊和電源檢測模塊.

2)MCU模塊.ECU的核心模塊，與各模塊連接及實現(xiàn)各模塊之間的相互聯(lián)系，處理各種輸入輸出信息，進行控制算法的運算及輸出.

3)輸入信號監(jiān)測處理模塊.對各傳感器信號進行濾波后輸出到MCU.整個系統(tǒng)正常工作的信號來源于各傳感器，各傳感器測定的準確與否決定了整個系統(tǒng)的控制質(zhì)量.

4)控制輸出模塊.包括噴油輸出控制處理模塊和點火輸出控制處理模塊.

5)通信模塊.通過CAN總線，遵循相關協(xié)議，ECU系統(tǒng)可與外部設備完成實時通信，實現(xiàn)診斷，標定，信號采集等工作.

2.2 主要器件選擇

根據(jù)確定的ECU總體設計方案，控制單元ECU的微處理器選用Renesas公司推出的低功耗16位單片機R8C23，CAN總線的收發(fā)器采用NXP公司的TJA1050.電源、曲軸信號輸入及控制輸出部分采用了ST公司專門為摩托車電噴系統(tǒng)推出的集成器件L9177.主要硬件連接結構示意如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)的主要硬件連接結構示意圖

3 軟件設計

3.1 后臺前臺程序設計

摩托車發(fā)動機軟件有較高的實時性要求和時序要求，結合微處理器外設的中斷工作模式，采用“后臺程序/前臺程序”的結構形式.后臺程序處理參數(shù)計算等實時性要求較低的部分，在主函數(shù)的主循環(huán)中實現(xiàn)[4]，流程見圖3.前臺程序負責處理實時性要求很高的部分，如:數(shù)據(jù)采集、噴油、點火定時等部分，利用微處理器的中斷，流程見圖4.

后臺程序其實就是單片機的主循環(huán).初始化程序設定MCU中相應的寄存器及對控制算法中相應變量的賦值;數(shù)據(jù)處理模塊對前臺程序中采集的轉(zhuǎn)速、進氣壓力、節(jié)氣門開度、電池電壓、溫度等信號進行換算和濾波，把AD值變成物理值;“工況判斷”根據(jù)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度和進氣壓力判斷當前工況;“噴油計算”根據(jù)工況和當前轉(zhuǎn)速、進氣壓力、節(jié)氣門開度、電池電壓和溫度等信息計算當前所需的噴油量和噴油時刻;“點火計算”根據(jù)工況和當前轉(zhuǎn)速、進氣壓力、節(jié)氣門開度和電池電壓等信息計算當前所需的點火提前角和點火充電時間;診斷模塊用于監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài);通信模塊主要基于CAN通信，可以實時可靠的和外界信息數(shù)據(jù)通信.

圖3 后臺程序流程圖

圖4 前臺程序流程圖

前臺程序的運行主要利用單片機的輸入脈寬測量功能對曲軸采集信號產(chǎn)生的中斷，在中斷中判斷當前齒數(shù)，并根據(jù)不同的齒完成不同的任務.數(shù)齒模塊判斷當前曲軸的位置;AD信號采集模塊根據(jù)不同的曲軸位置進行相應的信號采集;噴油模塊根據(jù)后臺程序中所計算的噴油時刻及曲軸的位置情況判斷是否噴油;點火模塊根據(jù)后臺程序中所計算的點火提前角、點火充電時間并通過轉(zhuǎn)速計算曲軸的點火位置情況判斷何時點火.

3.2 CAN模塊功能設計

在系統(tǒng)初始化程序中完成對CAN的相關設定，包括ID、數(shù)據(jù)長度、波特率等.CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收主要通過單片機的中斷完成.當需要進行實時數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)標定，或者ECU檢測到當前系統(tǒng)故障，或者讀取ECU相關信息時，后臺程序中的CAN模塊主要把接收進來的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的命令和功能要求進行相應的處理，然后把處理完的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，以完成不同的功能要求.摩托車發(fā)動機CAN系統(tǒng)功能結構如圖5所示.

圖5 CAN系統(tǒng)功能結構

根據(jù)CAN系統(tǒng)的功能結構，系統(tǒng)采用CCP協(xié)議[5]，CAN的波特率為 250 k，ID為標準 ID，0x111代表上位機，0x112代表ECU.基于CCP協(xié)議的ECU標定系統(tǒng)采用主-從通信方式，主設備是測量標定系統(tǒng)上位機，從設備是需要標定的ECU.基于CCP協(xié)議的標定只占用兩幀CAN報文，分別是命令接收對象CRO和數(shù)據(jù)傳輸對象DTO，CRO由主設備發(fā)給從設備，DTO是從設備反饋的報文.按照CCP協(xié)議，CRO數(shù)據(jù)場的第1個字節(jié)為命令代碼CMD，從設備通過CMD代碼判斷主設備請求的是哪條命令.數(shù)據(jù)場的第2個字節(jié)是命令計數(shù)器CTR.剩余6個字節(jié)均為命令參數(shù)，每條命令有各自對應的命令參數(shù).CCP標準幀的數(shù)據(jù)格式如圖6所示.

圖6 CCP標準幀的數(shù)據(jù)格式

4 實驗與效果

通過對一臺排量為125 ml的摩托車進行標定，得出基本噴油三維圖如圖7所示，基本點火提前角三維圖如圖8所示.

利用已經(jīng)標定好的基本噴油三維表和基本點火提前角表，在對同一臺車4檔40 km的工況進行驗證，測量經(jīng)過三元催化后的排放數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 排放數(shù)據(jù)對比表

根據(jù)排放看出CO達到了限值27%，HC達到了限值48.5%，NOx達到了限值60%.整個系統(tǒng)可以滿足國III排放要求.

5 結論

采用L9177和CAN總線摩托車電噴系統(tǒng)控制單元ECU具有體積小、抗干擾能力強，且工作穩(wěn)定性強，數(shù)據(jù)實時性強，而其成本低廉，有較高的工程價值.采用CAN接口的控制單元，既可以作為一個獨立的摩托車電噴控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)標定、診斷等工作，也可以作為構成整個摩托車系統(tǒng)的一個關鍵部分，為以后各種系統(tǒng)的擴展提供一個高速接口.CAN的各種上層協(xié)議都可以在軟件代碼中實現(xiàn)使得該ECU接口靈活，不受上層協(xié)議和功能的限制.

[1] 王預進，江發(fā)潮.車載網(wǎng)絡的現(xiàn)狀與發(fā)展 [J].車輛與動力技術，2008(1):54-57.

[2] 張 奇，徐國強.小排量汽油機電控燃油噴射系統(tǒng)技術進展 [J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2011，40(2):89-92.

[3] 郗大光，張 平，楊延相，等.電控發(fā)動機開發(fā)系統(tǒng)的研究[J].摩托車技術，2002(1):6-9.

[4] 田建勇.摩托車電噴系統(tǒng)電控單元 (ECU)的開發(fā)研究 [D].天津:天津大學，2008.

[5] Kleinknecht H.Version 2.1.CAN Calibration Protocol[S].Europe.AUDI AG，BMW AG etc.1999:1-49.