基于DSP的無(wú)分電器點(diǎn)火裝置的設(shè)計(jì)

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和綠色環(huán)保的要求，人們對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)性能的求越來(lái)越高，不僅要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)、點(diǎn)火正時(shí)特性好、抗干擾能力強(qiáng)，而且要求集成較高、減少故障點(diǎn)、具有自診斷和備用點(diǎn)火功能，同時(shí)還要求與PC機(jī)通訊并能進(jìn)行系統(tǒng)軟件升級(jí)、重要數(shù)據(jù)更新和在線(xiàn)系統(tǒng)仿真。下面介紹一種基于DSP的新型汽車(chē)無(wú)分電器點(diǎn)火裝置。
1系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)中央處理單元ECU由一片DSP和一片通用單片機(jī)組成。DSP主要用于對(duì)信號(hào)的采集、處理，控制算法實(shí)現(xiàn)，與輔助單元和PC機(jī)進(jìn)行通訊；單片機(jī)主要用于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和備用點(diǎn)火等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用了集成點(diǎn)火組件。點(diǎn)火組件用于完成閉合角控制、恒電流控制、過(guò)電壓保護(hù)、停車(chē)斷電保護(hù)等功能，并能通過(guò)缸序判別信號(hào)IGda、IGdb把點(diǎn)水信號(hào)Igt關(guān)入相應(yīng)的點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生點(diǎn)火確認(rèn)信號(hào)IGf。
1.1主CPU單元
系統(tǒng)主CPU采用DSPTMS320F240。它具有以下特點(diǎn)：32位中央算術(shù)邏輯單元CALU；16位×16位并行硬件乘法器；內(nèi)置544字×16位雙端口數(shù)據(jù)/程序RAM，16K字×16位FLASHE2PROM；軟件等待發(fā)生器的外部存儲(chǔ)器接口模塊，支持硬件等待狀態(tài)；雙10位高速A/D轉(zhuǎn)換器；28個(gè)獨(dú)立可編程的多路復(fù)用I/O引腳；基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊；帶實(shí)時(shí)中斷的看門(mén)狗定時(shí)器模塊；串行通訊接口；4級(jí)管道操作；8級(jí)硬件堆棧；6個(gè)外部中斷；靜態(tài)CMOS技術(shù)；4種低電源模式；最高頻率為40MHz；多數(shù)指令周期為單周期；完成一次點(diǎn)火提前角的計(jì)算時(shí)間限于1ms，比通用微處理機(jī)快10～100倍，大大地提高了點(diǎn)火系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
主CPU單元主要完成兩大任務(wù)：一是確定當(dāng)前工況下的最佳點(diǎn)火提前角，產(chǎn)生點(diǎn)火控制信號(hào)IGt和汽缸判定信號(hào)IGda與IGdb；二是通過(guò)RS-232接口與PC機(jī)進(jìn)行串行通信，主CPU可把采集的各種傳感器的信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、故障代碼等送到PC機(jī)中進(jìn)行仿真與分析；PC機(jī)也可以把二進(jìn)制程序代碼及一些重要數(shù)據(jù)（如不同工況下的修正值等）送到主CPU的FLASHE2PROM單元。
TMS320F240擴(kuò)展了四片CY7C169-25和一片8253，并采用74F148擴(kuò)展外部中斷源輸入端。
1.2監(jiān)測(cè)和點(diǎn)火備用模塊
監(jiān)測(cè)和點(diǎn)火備用模塊所使用的CPU是8751。該模塊通過(guò)對(duì)各傳感器信號(hào)、IGf信號(hào)等進(jìn)行分析、診斷，對(duì)主CPU單元實(shí)施監(jiān)測(cè)。當(dāng)主CPU單元出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)測(cè)和點(diǎn)火備用模塊立即接過(guò)點(diǎn)火控制權(quán)，并放棄監(jiān)測(cè)工作。
8751單元擴(kuò)展了2732、6264和8253各一片。采用一片AD574A和CD4051進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并用74LS148擴(kuò)展了8個(gè)外部中斷源輸入端。
1.3DSP數(shù)字控制器與PC機(jī)的串行通訊
TMS320F240SCI模塊支持CPU與使用標(biāo)準(zhǔn)NRZ格式的其它異步外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)字通信。SCI接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，具有獨(dú)立的使能和中斷時(shí)。SCI對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行間斷、奇偶性、超時(shí)、幀出錯(cuò)等檢測(cè)。系統(tǒng)采用了RS-232異步串行通訊標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)。
1.4系統(tǒng)接口資源的分配
TMS320F240DSP數(shù)字控制器與8751單片機(jī)提供的I/O接口與中斷輸入接口是有限的，為避免資源沖突，將外部的輸入信號(hào)按表1進(jìn)行優(yōu)化分配。
表1外部輸入信號(hào)優(yōu)化分配

2系統(tǒng)軟件
2.1點(diǎn)火提前角
點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能影響較大，ECU按下式計(jì)算點(diǎn)火提前角：
實(shí)際點(diǎn)火提前角=初始點(diǎn)火提前角+基本點(diǎn)火提前角+修正點(diǎn)提前角
基本點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)以表格的形式存儲(chǔ)在DSP的FLASHE2PROM中。實(shí)際上，基本點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不止256個(gè)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷不在基本點(diǎn)火提前角對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上，則采用多元線(xiàn)性回歸法進(jìn)行擬合:

式中，θ――基本點(diǎn)火提前角
n――發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
l――發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷
將離線(xiàn)生成的線(xiàn)性回歸方程系數(shù)存儲(chǔ)在ECU中。ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷信息，查閱基本點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)表，或查閱線(xiàn)性回歸方程系數(shù)表計(jì)算基本點(diǎn)火提前角，并根據(jù)影響點(diǎn)火提前角其它因素（冷卻水溫信號(hào)、空調(diào)開(kāi)關(guān)信號(hào)、怠速開(kāi)關(guān)信號(hào)等）進(jìn)行必要的修正后輸出點(diǎn)火控制信號(hào)IGt。
不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其點(diǎn)火提前角與線(xiàn)性回歸方程式系數(shù)不同。系統(tǒng)ECU與PC機(jī)的通信功能提供了隨時(shí)新這些數(shù)據(jù)的方便。
2.2系統(tǒng)軟件模塊
軟件系統(tǒng)由主程序模塊、控制算法模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量及處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、G1和G2信號(hào)中斷模塊、DSP數(shù)字控制器與微機(jī)的通訊模塊、DSP數(shù)字控制器在線(xiàn)程序更新模塊、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模塊、備用點(diǎn)火模塊、FLASHEEROM擦除模塊等組成。
主程序模塊主要包括初始化程序、起動(dòng)程序、發(fā)動(dòng)機(jī)工況測(cè)量程序、處理程序、判別程序等。程序的初始化包括RAM區(qū)、各特殊功能寄存器、I/O、堆棧等的初始化。主程序模塊根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等信號(hào)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，并由此轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序當(dāng)中。
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量及處理模塊主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)工況判定、查點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)表等；A/D轉(zhuǎn)換模塊處理冷卻水濕和負(fù)荷傳感器等模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換；控制算法模塊根據(jù)存儲(chǔ)的不同燃油標(biāo)號(hào)的點(diǎn)火提前數(shù)據(jù)、多元線(xiàn)性回歸系統(tǒng)等表格，確定基本點(diǎn)火提前數(shù)據(jù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制等；G1和G2信號(hào)中斷子程序主要控制IGt、IGda、IGdb信號(hào)的產(chǎn)生，檢測(cè)點(diǎn)火確認(rèn)信號(hào)IGf；DSP數(shù)字控制器與微機(jī)的通訊模塊完成DSP數(shù)字控制器與單片機(jī)的信息交換；系統(tǒng)檢測(cè)、備用模塊主要完成對(duì)一些傳感器的檢測(cè)、ECU單元的監(jiān)控、備用狀態(tài)下的點(diǎn)火控制；系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和備用點(diǎn)火模塊對(duì)G1、G2、Ne、IGf、負(fù)荷、水溫等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，置標(biāo)志位、報(bào)警。當(dāng)主CPU出現(xiàn)故障時(shí)，除了報(bào)警之外，該模塊立即接過(guò)點(diǎn)火控制權(quán)。
系統(tǒng)的操作流程圖如圖2所示。

本點(diǎn)火系統(tǒng)的新穎之處在于ECU使用了兩個(gè)CPU，使其具有了自檢功能和備用功能。主CPU采用了被視為未來(lái)通用芯片的DSP，這類(lèi)芯片具有處理速度快、運(yùn)算功能強(qiáng)、輸入輸出速度快、精度高、可靠性好等特點(diǎn)，適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上試運(yùn)行，得到了良好的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能。