基于DSP的新型无分电器点火装置

1 系统构成 

    系统中央处理单元ECU由一片 DSP和一片通用单片机组成。DSP主要用于对信号的采集、处理,控制算法实现,与辅助单元和PC机进行通讯;单片机主要用于系统监测和备用点火等。系统结构框图如图1所示。  

    系统采用了集成点火组件。点火组件用于完成闭合角控制、恒电流控制、过电压保护、停车断电保护等功能,并能通过缸序判别信号IGda、IGdb把点火信号IGt送入相应的点火驱动电路,产生点火确认信号IGf。 

1.1 主CPU单元 

    系统主CPU采用DSP TMS320F240。它具有以下特点:32位中央算术逻辑单元CALU;16位×16位并行硬件乘法器;内置544字×16位双端口数据/程序RAM,16K字×16位FLASH E2PROM;软件等待发生器的外部存储器接口模块,支持硬件等待状态;双10位高速A/D转换器;28个独立可编程的多路复用I/O引脚;基于锁相环的时钟模块;带实时中断的看门狗定时器模块;串行通讯接口;4级管道操作;8级硬件堆栈;6个外部中断;静态CMOS技术;4种低电源模式;最高频率为40MHz;多数指令周期为单周期;完成一次点火提前角的计算时间低于1ms,比通用微处理机快10～100倍,大大地提高了点火系统的实时性。 

    主CPU单元主要完成两大任务:一是确定当前工况下的最佳点火提前角,产生点火控制信号IGt和汽缸判定信号Igda与IGdb;二是通过RS-232接口与PC机进行串行通信,主CPU可把采集的各种传感器信号、发动机转速信号、故障代码等送到PC机中进行仿真与分析;PC机也可以把二进制程序代码及一些重要数据(如不同工况下的修正值等)送到主CPU的FLASH  E²PROM单元。 

    TMS320F240扩展了四片CY7C169-25和一片8253,并采用74F148扩展外部中断源输入端。 

1.2 监测和点火备用模块 

    监测和点火备用模块所使用的CPU是8751。该模块通过对各传感器信号、IGf信号等进行分析、诊断,对主CPU单元实施监测。当主CPU单元出现故障时,监测和点火备用模块立即接过点火控制权,并放弃监测工作。 

    8751单元扩展了2732、6264和 8253各一片。采用一片AD574A和CD4051进行A/D转换,并用74LS148扩展了8个外部中断源输入端。 

1.3 DSP数字控制器与PC机的串行通讯 

    TMS320F240 SCI模块支持CPU与使用标准NRZ格式的其它异步外设之间进行数字通信。SCI接收器和发送器是双缓冲的,具有独立的使能和中断位。SCI对接收的数据进行间断、奇偶性、超时、帧出错等检测。系统采用了RS-232异步串行通讯标准总线。 

1.4 系统接口资源的分配 

    TMS320F240 DSP数字控制器与8751单片机提供的I/O接口与中断输入接口是有限的,为避免资源冲突,将外部的输入信号按表1进行优化分配。 

2 系统软件 

2.1 点火提前角 

    点火提前角对发动机的工作性能影响较大,ECU按下式计算点火提前角: 

    实际点火提前角=初始点火提前角+基本点火提前角+修正点火提前角 

    基本点火提前角数据以表格的形式存储在DSP的FLASH E²PROM中。实际上,基本点火提前角数据远不止256个。如果发动机转速与负荷并不在基本点火提前角对应的点上,则采用多元线性回归法进行拟合: 

式中, θ ——基本点火提前角 

      n ——发动机转速 

      l ——发动机负荷 

    将离线生成的线性回归方程系数存储在ECU中。ECU根据转速和负荷信息,查阅基本点火提前角数据表,或查阅线性回归方程系数表计算基本点火提前角,并根据影响点火提前角的其它因素(冷却水温信号、空调开关信号、怠速开关信号等)进行必要的修正后输出点火控制信号IGt。 

    不同型号的发动机,其点火提前角与线性回归方程式系数不同。系统ECU与PC机的通信功能提供了随时更新这些数据的方便。 

2.2 系统软件模块 

    软件系统由主程序模块、控制算法模块、发动机转速测量及处理模块、A/D转换模块、G1和G2信号中断模块、DSP数字控制器与微机的通讯模块、DSP数字控制器在线程序更新模块、系统监测模块、备用点火模块、FLASH EEROM擦除模块等组成。 

    主程序模块主要包括初始化程序、起动程序、发动机工况测量程序、处理程序、判别程序等。程序的初始化包括RAM区、各特殊功能寄存器、I/O、堆栈等的初始化。主程序模块根据发动机转速、负荷等信号确定发动机的运行工况,并由此转入相应的处理程序当中。 

    发动机转速测量及处理模块主要完成发动机工况判定、查点火提前角数据表等;A/D转换模块处理冷却水温和负荷传感器等模拟信号的转换;控制算法模块根据存储的不同燃油标号的点火提前数据、多元线性回归系数等表格,确定基本点火提前数据以及发动机爆震控制等;G1和G2信号中断子程序主要控制IGt、IGda、IGdb信号的产生,检测点火确认信号IGf;DSP数字控制器与微机的通讯模块完成DSP数字控制器与单片机的信息交换;系统检测、备用模块主要完成对一些传感器的检测、ECU单元的监控、备用状态下的点火控制;系统监测和备用点火模块对G1、G2、Ne、IGf、负荷、水温等信号进行监控,当出现故障时,置标志位、报警。当主CPU出现故障时,除了报警之外,该模块立即接过点火控制权。 

    系统的操作流程图如图2所示。 

    本点火系统的新颖之处在于ECU使用了两个CPU,使其具有了自检功能和备用功能。主CPU采用了被视为未来通用芯片的DSP,这类芯片具有处理速度快、运算功能强、输入输出速度快、精度高、可靠性好等特点,适用于实时控制系统。该系统已在汽车发动机上试运行,得到了良好的发动机点火性能。 

参考文献 

1 陈渝光. 汽车电器与电子设备. 北京:机械工业出版社,1999 

2 TMS320C2XX User’s Guide.Literature Number:SPRU127B.  Texas Instruments, January 1997 

3 TMS320C24X DSP Controllers Evaluation Module Tech nical Reference. Texas Instruments, August 1997 

4 庄继德.汽车电子控制系统工程.北京:北京理工大学出版社,1998 

5 张雄伟,曹铁勇.DSP芯片的原理与开发应用.北京:电子工业出版社,2000 

6 TMS320C1X/C2X/C2XX/C5X Assembly Language Tools User′s Guide.Texas Instruments,1997 

7 王 囤. 现代汽车点火系统——电子点火与微机控制点火.西安:西安交通大学出版社,1997