基于K60和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動機ECU分析與信號仿真

喻岫杏 霍亮生 吳垚

【摘要】通過Freescale K60系列微控制器、DAC數(shù)模變換器，以及數(shù)控電位器等組成的硬件系統(tǒng)，對發(fā)動機常用傳感器，如曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、進氣溫度傳感器等信號進行模擬，仿真汽車發(fā)動機的運行環(huán)境，測試ECU工作狀況，并采集ECU輸出的噴油和點火信號得到的數(shù)據(jù)導入MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中，并用這些數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進行訓練，得到真車發(fā)動機ECU的模擬仿真網(wǎng)絡(luò)，這樣只需軟件平臺給定輸入信號，就可通過訓練后的網(wǎng)絡(luò)得到輸出信號，方便了發(fā)動機ECU研發(fā)和測試工作。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動機ECU;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);K60微控制器

發(fā)動機ECU是發(fā)動機電子控制單元的簡稱。ECU的功用是根據(jù)其內(nèi)部存儲的程序和數(shù)據(jù)對空氣流量計等各種傳感器輸入的信息進行運算、處理、判斷，然后輸出指令，向火花塞輸出適時的點火控制信號以及向噴油器提供一定寬度的電脈沖信號以控制噴油量。ECU由微處理器、輸入、輸出及控制電路等組成。

通常對于發(fā)動機 ECU的檢測都是發(fā)生在實際路面的不同路況下實時地采集發(fā)動機 ECU的輸出控制信號對輸出的控制信號進行分析來完成對發(fā)動機ECU的檢測，但是這種手段受制于檢測硬件必須要有真車來進行實際駕駛并且要在不同路況下完成駕駛路線采集 ECU輸出的噴油脈寬和點火時刻等控制信號。本文將要闡述的模擬信號產(chǎn)生系統(tǒng)對于突破真車實際駕駛才能完成的發(fā)動機ECU的檢測提供了一種新的研究手段并且為國內(nèi)目前正在廣泛進行的ECU檢測平臺的研發(fā)提供了一種更為簡單快捷并且行之有效的思路。

1.工作原理

發(fā)動機ECU模擬信號產(chǎn)生系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)需要模擬不同工況下的曲軸位置信號、凸輪軸位置信號、前氧傳感器信號、后氧傳感器信號、節(jié)氣門位置信號、冷卻液溫度信號、進氣溫度信號、爆燃信號、空調(diào)信號、不平路面信號、進氣歧管絕對壓力信號、燃油液面信號、車速信號等，并將這些信號輸入真車發(fā)動機ECU，采集到這些模擬車輛運行狀態(tài)的傳感器信號，經(jīng)過其內(nèi)部控制程序的綜合分析判斷從而輸出根據(jù)工況控制車輛運行的噴油量及點火信號，模擬信號產(chǎn)生系統(tǒng)采集ECU輸出給執(zhí)行器的信號并可以在示波器等設(shè)備上顯示出來，從而可以得知ECU在此刻對于車輛的控制情況。在所開發(fā)的平臺上設(shè)計實驗方案，得到給定多因變量、多參數(shù)信號時汽油發(fā)動機ECU（噴油脈寬、點火時刻）多輸出狀態(tài)，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等方法得到其內(nèi)在規(guī)律，指導ECU開發(fā)者分析ROM數(shù)據(jù)。

傳感器信號的模擬實現(xiàn)方法有四種：（1）K60片上自帶的12位DA用于電壓信號;（2）由于片上只有一個DA還需外搭DA;（3）PWM用于脈沖信號;（4）數(shù)控電位器用于電阻信號

2.ECU輸入輸出信號

2.1 曲軸位置信號傳感器

電磁式曲軸位置信號為頻率不同的模擬正弦信號，曲軸每轉(zhuǎn)一圈，有58個正弦波周期以及兩個消隱周期作位置識別起點。此信號用DAC將MCU所發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)為模擬信號，通過運算放大器進行阻抗匹配與濾波，緩沖后輸出到ECU控制單元相應(yīng)引腳。選用高速DAC模數(shù)變換器，將所需的信號直接由數(shù)字方式生成。這種方式也被稱作直接數(shù)字式頻率合成，簡稱DDS（Direct Digital Synthesizer），它與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，擁有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用在通訊與電子儀器領(lǐng)域，是實現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個關(guān)鍵技術(shù)。

波形數(shù)據(jù)存儲器到微控制器的Flash中，時鐘有節(jié)拍的將數(shù)據(jù)送入數(shù)模變換器（ DAC），數(shù)模變換器將數(shù)字采樣樣本轉(zhuǎn)換成所需的模擬輸出波形。系統(tǒng)所模擬的曲軸位置信號如圖1所示，所模擬出的信號基本與實車曲軸位置信號相符，相較于實車信號而言，系統(tǒng)模擬的信號在正弦波幅值變幻時更加平順，這也是由于修正系數(shù)較小的原因。

圖1 示波器采集到的真車曲軸位置信號

由示波器采集到的真實曲軸位置信號如圖1所示，可以見到每58個正弦波周期之后的兩個消隱周期。

2.2 凸輪軸信號的產(chǎn)生

凸輪軸位置傳感器也叫做同步信號傳感器，它安裝在凸輪軸之上，與曲軸位置信號共同判定發(fā)動機汽缸工作位置與工作行程。發(fā)動機一個汽缸完成一個周期即四個沖程曲軸需要轉(zhuǎn)動兩周，活塞兩次到達上止點，一次為壓縮行程，一次為排氣行程。曲軸位置信號用于確定汽缸活塞到達上止點的時刻，凸輪軸位置傳感器用于判別汽缸在壓縮行程還是排氣行程。

霍爾效應(yīng)式凸輪軸位置傳感器產(chǎn)生的電信號為方波脈沖，如圖2所示，曲軸轉(zhuǎn)動一周，方波由高電平邊做低電平或由低電平變做高電平。

圖2 示波器采集到的真車凸輪軸位置信號

2.3 其他傳感器信號的模擬

數(shù)控電位器用于產(chǎn)生冷卻液溫度信號、空氣流量信號、進氣溫度信號、節(jié)氣門位置信號、氧傳感器信號、爆燃信號以及蓄電池電壓。傳統(tǒng)的機械式電位器很難實現(xiàn)自動化控制，并且產(chǎn)生的電位難于迅速變換。本系統(tǒng)由于要模擬發(fā)動機的多輸入，大量的數(shù)據(jù)需要精準的控制，并且要求在很短的時間內(nèi)完成切換，這對于傳統(tǒng)的電位器很難達到。數(shù)控電位器很好的解決了這些難題。

表1 傳感器模擬方式

傳感器類型 功能 傳感器工作原理 模擬方式

氧傳感器 檢測發(fā)動機廢棄排放中的氧含量 二氧化鈦 擴展DA

爆燃 檢測發(fā)動機是否發(fā)生爆燃 壓電式 擴展DA

空氣流量 計算噴油量，調(diào)節(jié)空燃比 熱線、熱模、電橋 擴展DA

進氣壓力 反應(yīng)發(fā)動機負荷 壓電式 擴展DA

冷卻液溫度 ECU根據(jù)信號控制噴油脈寬和點火提前角 熱敏電阻 數(shù)控電位器

進氣溫度 修正噴油脈寬及控制噴油量 熱敏電阻 數(shù)控電位器

節(jié)氣門位置 表征發(fā)動機負荷 操作意圖 電位計 數(shù)控電位器

曲軸位置傳感器 提供發(fā)動機轉(zhuǎn)速和曲軸轉(zhuǎn)角信號 電磁感應(yīng) 片上DA

凸輪軸位置傳感器 判別氣缸再壓縮行程還是排氣行程 霍爾效應(yīng) PWM

車速傳感器 測車行駛速度 霍爾效應(yīng) PWM

3.硬件設(shè)計

本設(shè)計微控制器由飛思卡爾公司基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的K60（MK60N512VMD100）芯片擔任，該32位單片機擁有多達100個的I/O引腳以及SCI/SPI/IIC等總線控制器，主頻50MHz，完全能夠滿足設(shè)計需要。系統(tǒng)硬件設(shè)計方塊圖如圖3所示，主要由電源管理、飛思卡爾MC9S12微控制器、數(shù)模變換器、數(shù)控電位器、運算放大器、輸出緩沖器以及接口電路組成。

圖3 硬件設(shè)計方塊圖

4.軟件設(shè)計

本設(shè)計的編寫和調(diào)試平臺采用metroworks公司研發(fā)的codewarrior10.1，該款軟件功能強大支持匯編、C、C++等多種語言編程，能實現(xiàn)在線編輯、調(diào)試、連接、下載等功能。

把編寫好的用于產(chǎn)生各個傳感器信號的程序下載到單片中，K60接收并分離這些信號到相應(yīng)的變量。本系統(tǒng)中的信號主要由模擬信號和頻率信號組成！ 這些相應(yīng)的變量通過數(shù)控電位器和PWM波來產(chǎn)生，并傳送到發(fā)動機ECU中。ECU經(jīng)過分析處理之后通過相應(yīng)端口發(fā)出控制指令，這些指令可以通過上位機的串口通訊工具顯示，也可以通過示波器等顯示設(shè)備觀察來判斷汽車發(fā)動機是否正常工作。

5.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的ECU仿真

BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在1986年由Rumelhart和McCelland等科學家提出，是一種按誤差逆?zhèn)鞑サ乃惴ㄓ柧毜亩鄬忧梆佇途W(wǎng)絡(luò)，它是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學習和存儲大量的輸入和輸出模式的映射關(guān)系，無需事前揭示和描述這種映射關(guān)系的數(shù)學方程式。它的學習規(guī)則是使用最速下降法，通過反向傳播來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓撲結(jié)構(gòu)包括輸入層（input）、隱藏層（hide layer）和輸出層（output layer）。

通過MATLAB命令行及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交互式工具箱都可以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，在實際網(wǎng)絡(luò)訓練中，選用發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣壓力、進氣流量、節(jié)氣門開度作為系統(tǒng)輸入信號，輸出信號為噴油脈寬和點火提前角。在四輸入二輸出的網(wǎng)絡(luò)中，由于數(shù)值的相互權(quán)衡，仿真誤差較大。于是，采用四輸入，分別輸出噴油脈寬和點火提前角。

對噴油脈寬采用命令行的方式構(gòu)建和訓練網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的命令：

net=newff（P1，T1，[10，1][‘transigpurelin]）;

此命令可構(gòu)建名為net的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其中，P1為歸一轉(zhuǎn)秩后的輸入矩陣，T1為歸一轉(zhuǎn)秩后的輸出矩陣，一個隱藏層，神經(jīng)元個數(shù)為10，transig為轉(zhuǎn)移函數(shù)，purelin為訓練規(guī)則。

接下來對構(gòu)建的net網(wǎng)絡(luò)進行訓練：

net=train（net，P1，T1）;

train為訓練網(wǎng)絡(luò)命令，其中的三個變量分別為所訓練的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸入與網(wǎng)絡(luò)輸出。

在對網(wǎng)絡(luò)訓練完成后，用另100組數(shù)據(jù)構(gòu)成的輸入矩陣P2用網(wǎng)絡(luò)模擬：

R=sim（net，P2）;

此時輸入矩陣P2經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬后得到的輸出矩陣為R。將P1矩陣與R矩陣在同一圖中繪制：

Plot（P1，b）;

Hold on;

Plot（R，r）;

。

圖4 BP網(wǎng)絡(luò)模擬輸出與真實輸出對比

得到的圖形見圖4。圖4中，橫坐標為矩陣的點數(shù)，即選用的100個樣本，縱坐標為歸一后的噴油脈寬。其中紅色為發(fā)動機ECU實際輸出的噴油脈寬數(shù)值，藍色為訓練后的網(wǎng)絡(luò)輸出，可見其誤差很小，達到了訓練和仿真效果。

圖5 BP網(wǎng)絡(luò)模擬輸出與真實輸出對比

應(yīng)用MATLAB畫圖命令，將發(fā)動機ECU輸出的點火提前角與訓練后網(wǎng)絡(luò)仿真的結(jié)果進行比對，如圖5所示。

圖5中，橫坐標為矩陣的點數(shù)，即選用的100個樣本，縱坐標為歸一后的點火提前角。其中紅色為發(fā)動機ECU實際輸出的點火提前角數(shù)值，藍色為訓練后的網(wǎng)絡(luò)輸出，可見，曲線整體擬合較好，已可以滿足要求。但局部存在誤差較大，這與點火提前角變化較快以及網(wǎng)絡(luò)訓練樣本即訓練精度有關(guān)。對網(wǎng)絡(luò)的多次訓練有助于減小這種誤差。

6.結(jié)束語

本文深入的對發(fā)動機ECU各重要傳感器輸入信號進行分析，確定信號仿真方案。硬件平臺用K60為控制器控制輸入輸出端口、數(shù)模變換器AD5624、數(shù)控電位器X95840;用運算放大器構(gòu)成前級放大和后級緩沖電路以及與發(fā)動機ECU間的接口電路。軟件編程實現(xiàn)IIC總線、SPI總線在芯片間的通訊以及SCI串行總線與上位機之間的數(shù)據(jù)通訊。其結(jié)果是，可產(chǎn)生所需的曲軸位置信號、凸輪軸位置信號、冷卻液溫度及進氣溫度信號、節(jié)氣門位置信號、空氣流量信號等，并可以實時采集發(fā)動機ECU輸出的噴油信號和點火信號，傳至上位機，保存為逗號分隔的CSV文本文件供后期分析使用。

參考文獻

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作者簡介：

喻岫杏（1986—），男，河南信陽人，北京工商大學碩士研究生，主要研究方向：嵌入式控制。

霍亮生（1959—），男，山西晉中人，北京工商大學教授，碩士生導師，主要研究方向：嵌入式控制系統(tǒng)。

吳垚（1990—），男，湖南益陽人，北京工商大學碩士研究生，主要研究方向：嵌入式智能控制物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。