發動機ECU動態檢測信號模擬方法研究

(武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081)

0 引言

汽車電子控制系統的電子控制器(electronic control unit, ECU)故障率雖不高，但其故障診斷較為困難。故障檢修過程中，通常采用排除法、電壓檢測法、替換法等間接的方法來診斷ECU是否有故障，但這些故障診斷方法均有不足之處[1]。

采用模擬發動機工作狀態下的ECU動態檢測法，將各傳感器的模擬信號輸入ECU，即可把ECU以外的故障可能因素均排除在外，從而可以根據ECU各輸出端的動態信號來判斷ECU是否有故障，具有極高的準確性[2-3]。基于動態模擬的發動機ECU故障檢測，其傳感器信號模擬具有廣泛性和選擇性，是ECU故障檢測裝置能否具有實用價值的關鍵。其中，廣泛性是指信號模擬電路所產生的信號包括各類發動機ECU的傳感器信號；選擇性是指可從中選擇適應不同車型發動機ECU檢測的模擬信號，且可選擇模擬發動機的特殊狀態信號。

1 系統硬件與功能

1.1 系統硬件

與發動機ECU相關的傳感器信號大致可分為脈沖式、電位計類、熱敏電阻類等。分別對這些信號模擬進行硬件設計，最后集成到一塊PCB板，即完成發動機ECU信號發生系統的硬件設計[4]。

1.1.1 脈沖式信號硬件電路

對于脈沖式傳感器信號，為了使適用范圍更廣，選擇更加方便，采用單片機來構建多功能信號發生器。

系統采用AT89C51單片機和DAC0832數模轉換器生成波形。生成的波形經放大濾波后較平滑。脈沖式信號硬件電路可產生任意頻率和幅值容易調節的波形，頻率可以在500 Hz以上，幅值可通過滑動變阻器在0～12 V范圍內連續可調。該電路具有性能高、穩定性好、操作方便、體積小、耗電少等優點。

采用AT89C51型單片機具有如下優點。

① 擁有完善的外部擴展總線。通過這些總線可方便地擴展外圍單元、外圍接口等。

② 單片機內部擁有4 kB的Flash ROM程序存儲器空間和256 B的RAM數據存儲空間，完全可以滿足程序的要求。由于該芯片可電擦寫，故可重復使用。如果更改程序內容，可對芯片重新燒寫。

③ 單片機與工業標準的MCS-51型機的指令集和輸出引腳兼容。

在脈沖信號硬件電路中，兩個開關直接與外部中斷0和外部中斷1的管腳相連。其中一個開關用來改變矩形波的頻率，另一個開關用來改變正弦波的頻率。同時，采用另外一組開關與P1口相連，用來選擇相應的波形。

由于D/A端口直接輸出的電壓信號的驅動能力較弱，難以被ECU監測到，因此，須設置放大電路和脈沖信號整形電路，以滿足ECU對電壓信號的輸入要求。在放大器的反饋電路中，選擇電位計可以實現對幅值的連續變化。同時，為了過濾信號中的雜波，需要在電路的輸出端添加一個低通濾波器[5]。

脈沖信號硬件電路結構圖如圖1所示。

圖1 脈沖信號的硬件電路結構圖

1.1.2 電位計類信號的電路

山東省墻夼水庫由東西兩庫組成，中間借天然山凹開挖連通溝相連，共用東庫溢洪閘調洪。連通溝的流量及流向受到兩個水庫水位影響，當西庫水位高于東庫水位時，西庫洪水通過連通溝進入東庫；當東庫水位高于西庫時，東庫洪水通過連通溝進入西庫，當兩庫水位低于連通溝底高程時，兩庫各自獨立。針對墻夼水庫既獨立又相互連通的雙庫特點，就如何正確推求兩庫入庫洪水，準確計算兩庫水位，合理調算兩庫水量，從分析調洪演算理論方法入手，給出水面線數學模型和算法，建立雙庫調洪演算的計算模型，分析確定兩庫不同頻率設計洪水的最高水位，使水庫的設計洪水復核成果更合理，進而更好地發揮水庫的防洪、灌溉功能，實現水庫的社會效益。

節氣門位置傳感器，葉片式、熱絲式、熱膜式空氣流量傳感器以及進氣壓力傳感器等的測量電路均為電位計。因此，這些傳感器信號均可采用電位計來構建硬件電路，如圖2所示。

圖2 電位計類傳感器信號電路圖

該硬件電路外引3條線，其中兩條是參考電壓的正、負極，另一條是可變電阻器的滑動觸點臂，由它向待測ECU提供與滑動觸點臂的行程成正比的電壓信號。該電路可以實現0～5 V的無級調壓。

1.1.3 熱敏電阻類信號的電路

對于溫度傳感器等，其傳感器電阻對溫度的非線性影響很大，完全模擬出這類信號，難度大且沒有必要。對于該類傳感器的信號，只需用一個固定電阻并選擇合適的阻值，使被測ECU采集到穩定的電壓信號，就可以達到測試ECU故障與否的目的。熱敏電阻類傳感器信號的硬件電路圖如圖3所示。

圖3 熱敏電阻類傳感器信號電路圖

1.1.4 爆燃信號的模擬電路

爆燃傳感器信號模擬振蕩器硬件電路如圖4所示。

圖4 爆燃傳感器模擬電路

爆燃傳感器通過檢測發動機缸體的振動來監測發動機是否產生爆燃，發動機爆燃時，爆燃傳感器產生爆燃特征頻率的電壓脈沖。因此，爆燃傳感器的信號模擬可采用一個能產生振蕩頻率與爆燃特征頻率相一致的振蕩器。

1.1.5 氧傳感器信號的電路

氧傳感器通過輸出高電平和低電平來反映混合氣的濃度值，ECU根據氧傳感器信號電壓的高低對噴油時間進行修正。

1.2 功能及作用

本信號發生系統可模擬發動機電子控制系統各傳感器的信號，實現發動機ECU工作狀態下的動態檢測。系統具有的功能如下。

① 可以模擬發動機正常工作狀態下的發動機ECU的動態檢測，以準確判斷ECU的微處理器、輸入電路及輸出電路是否正常工作。

② 可以選擇不同的波形、電壓等，以適應不同類型發動機ECU的檢測。

③ 可以調節各脈沖信號的頻率與幅值、模擬電壓信號的高低及開關信號的有無，以模擬發動機啟動、怠速、低溫、空調啟用等工作狀態，實現ECU內部怠速控制相關電路正常與否的動態檢測。

④ 可以通過單一參數的輸入，模擬發動機混合氣過濃、發動機產生爆燃等狀態，實現對發動機ECU氧傳感器、爆燃傳感器相關信號處理電路、CPU及輸出電路的動態檢測。

2 各脈沖式信號軟件設計

2.1 軟件構成

模擬脈沖信號通過單片機構成的硬件來實現，需要對單片機燒寫程序。分析脈沖式傳感器正常工作時的波形得知，波形主要可分為矩形波和正弦波。系統的主程序、矩形波、正弦波流程圖[6]如圖6所示。

圖6 系統流程圖

主程序通過兩個波形發生子程序預先模擬正弦波和矩形波。將高電平(0FFH)輸入到寄存器A中，經過延時1后輸出；再將低電平(00H)輸入到寄存器A中，經延時2后輸出。如此循環交替，就形成了矩形波。為了使輸出的正弦波較平滑，運用Matlab軟件將正弦函數分解成64個點存入變址尋址寄存器(DPTR)，然后將這些點間隔延時3后，依次輸入到寄存器A中，再經過P0口輸出。最后根據各傳感器正常工作下的標準波形，調整正弦波和矩形波的延時時間，改變其頻率和幅值，最終模擬出各傳感器的波形。

2.2 脈沖式信號的產生

2.2.1 卡門漩渦式空氣流量傳感器

卡門漩渦式空氣流量傳感器(mass air flow sensor,MAF)輸出的波形為矩形波，采用單片機實現，可以靈活地改變延時時間，波形幅值不變，頻率隨轉速變化而變化[7-8]。因此，只要模擬出一個急加速狀態下的頻率為69.4 Hz的MAF波形，就可以檢測ECU。該頻率要求延時1為4.8 ms，延時2為9.6 ms。調節滑動變阻器，使波形的最大幅值為5 V，最小幅值為0。

2.2.2 進氣歧管壓力傳感器(MAP)

數字式進氣歧管壓力(marifold absolute pressure,MAP)傳感器的輸出波形為標準的矩形波。經檢測，怠速工況下，數字式MAP的波形頻率為105 Hz。模擬該工況下的波形時，軟件編程中延時1和延時2都為5 ms，幅值為5 V。將模擬出的波形輸入ECU，可以檢測出ECU好壞。

2.2.3 其他脈沖式傳感器

曲軸位置傳感器(crank shaft position,CKP)、凸輪軸位置傳感器(cam shafe position,CMP)和車速傳感器(vechicle speed sensor,VSS)這3個傳感器的原理基本一樣。根據結構，它們可分為磁電式、霍爾效應式和光電式。霍爾效應式和光電式的波形是矩形波，輸出電壓的幅值不變，頻率隨轉速變化而變化。磁電式的標準波形為正弦波，輸出電壓和頻率均隨車速變化而變化。只需選擇一種工況，便可檢測ECU故障與否。限于篇幅，只介紹代表性的3種傳感器：①在轉速為1 500 r/min工況下，霍爾效應式CKP的頻率為9.61 Hz時，軟件編程中延時1和延時2均為52 ms；②光電式CMP的頻率為200 Hz時，延時1為0.5 ms，延時2為4.5 ms；③磁電式VSS的頻率為130 Hz時，延時3為0.12 ms。

3 其他傳感器信號的模擬

3.1 氧傳感器

通常，當氧化鋯式氧傳感器的輸出電壓大于0.45 V時，可判定混合氣濃度值較高；當輸出電壓小于0.45 V時，可判定混合氣濃度值較低。氧化鈦式氧傳感器正好與氧化鋯式相反[9]。所以模擬濃混合氣下的電平為0.8 V，稀混合氣下的電平為0.2 V，此時，各電阻的阻值如下：R1=21 Ω、R2=3 Ω、R3=1 Ω。

3.2 溫度傳感器

大多數水溫傳感器和進氣溫度傳感器都是負溫度系數的熱敏電阻，實際只要測量出常溫20 ℃和高溫80 ℃兩個溫度下的傳感器電壓信號就可確認傳感器的好壞。常溫下水溫傳感器的輸入電壓信號為2.5 V，則圖3中的電阻R為2.5 kΩ，上拉電阻為2.5 kΩ。高溫下進氣溫度傳感器輸入電壓信號為0.5 V，此時硬件電路中的電阻R為0.3 kΩ，上拉電阻為2.7 kΩ。

3.3 爆燃傳感器

爆震傳感器輸出信號是隨發動機震動頻率的變化而變化的電壓脈沖信號。因此，只需要產生一定頻率的正弦波形即可。圖4所示電路能自動生成頻率為12 kHz、振幅大于1 V的正弦波形。

3.4 節氣門位置傳感器

模擬式TPS的核心是一個可變電位計，它通過調節電位計的阻值，改變傳感器的信號電壓，得到節氣門相應的位置。所以該傳感器的模擬可以采用圖2所示的熱敏電阻類傳感器信號電路圖。

4 結束語

本文所開發的信號發生系統利用單片機、電位計等電子器件構成了該系統的硬件電路，實現了各傳感器信號的模擬。系統不僅可對不同型號的發動機ECU的傳感器進行模擬，還可模擬發動機的各種工作狀態，再通過檢測ECU輸出端子的波形，可以準確地判斷ECU有無故障。信號發生系統可使發動機ECU的檢測快捷、準確，為整個發動機ECU故障檢測儀的開發奠定了良好的基礎。

[1] 湯富強,麻友良.基于信號模擬的發動機ECU動態方法研究[J].物流工程與管理,2013(1)：173-175.

[2] 吳偉斌,洪添勝,李震.基于虛擬儀器技術的汽油發動機ECU仿真測試系統[J].汽車電子,2006,22(3-2)：205-208.

[3] 趙福堂,靖蘇銅,朱軍.基于LabVIEW的發動機ECU激勵信號發生系統[J].汽車工程, 2006,28(11):1039-1042.

[4] 張道文. ECU輸入信號模擬電路設計[J].小型內燃機及摩托車,2003,32(4):1-10.

[5] 蔣小華.單片機波形發生器的設計[J].信息與電子工程,2008(2):40-44.

[6] 張道文.ECU信號測試裝置的設計[J].小型內燃機與摩托車,2002,31(1):12-16.

[7] 朱軍.電子控制發動機電路波形分析[M].北京:機械工業出版社,2003:96-181.

[8] 王加升.汽車發動機電控技術[M].北京:北京理工大學出版社,2010:36-81.

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[10]韓偉,麻友良,姜木霖.汽油發動機ECU性能檢測系統[J].儀表技術與傳感器,2009(6):54-56.