燃油內燃機電控系統開發概要設計

王玉彪

摘要：本文簡要分析了國際、國內燃油發動機電控系統（ECU）研發與生產現狀，以實例方式描述了發動機電控系統硬及軟件開發方法及注意事項，從整體上勾勒出了發動機電控系統開發的輪廓。

關鍵詞：汽車電子;發動機電控制系統;ECU;硬件設計;固件編寫

0 ?引言

為了滿足越來越嚴格的排放法規要求，同時提高汽車的動力性、燃油經濟性和舒適性，發動機電控系統起到了越來越重要的作用。國際上，汽車發動機電控系統的發展模式日趨成熟，國際知名品牌汽車廠商都有專業化分工的汽車配件廠商，為其提供全套的汽車電子配件產品。在國內，汽車消費市場的飛速增長與自主開發汽車電子產品的空白形成鮮明的對比，國內合資廠商生產的主要車型，其汽車電子配件產品包括汽車發動機電控系統基本由外商壟斷;而致力于發展民族品牌的汽車制造商，采用國產發動機在配套電子控制系統時，也多是委托國外企業提供配套產品。我國汽車電子產品開發和生產還處于起步階段，具有極大的發展潛力和空間，汽車發動機電控系統的開發與應用已逐漸從過去的院校和研究機構的研發向以企業為主導并以產業化為目標的局面發展。

本文的目的是厘清發動機電控系統開發過程，立足于實踐，選取一些典型模塊做為電路設計、軟件開發的樣例，用來解析發動機傳感器、ECU及發動機電控器件的工作原理，掌握傳感器輸入調理電路和輸出控制電路設計方法，了解ECU固件編程過程。

1 ?總體開發思路

發動機電控系統開發可分為兩大部分，分別為硬件電路設計和固件（軟件）開發，這兩部分工作是緊密關聯的。

硬件電路設計主要有電源電路、輸入信號的調理和采集電路、MCU基本外圍電路、輸出控制電路和輸入輸出通信接口電路。

固件開發主要有固件開發環境搭建、MCU系統時鐘初始化、輸入輸出端口初始化、串行通信接口的初始化、時序控制和核心算法代碼實現。

發動機電子控制系統可分為信號輸入電路（各種傳感器信號處理）、電子控制單元（ECU）和輸出控制電路三部分，如圖1所示。

圖1列出了發動機常用的信號采集和輸出控制器件，還有一些采集和控制器件未列出，如自動檔系統的檔位信號、空調開關信號、啟動開關信號、助力轉向開關信號、巡航控制開關信號等，但處理流程大致相同，即信號輸入采集——ECU單元處理——輸出控制電路響應。

電控系統由底板和子板構成，子板上有可編程MCU器件，編寫好的固件可以通過左側的串口下載到MCU中，右側端口用來連接發動機上的各類傳感器和電控器件。

ECU電路可分為三部分，底板主要是輸入電路、輸出電路及核心板接口。核心板主要是MCU電路。

在開發ECU時，各單元電路側重點各有不同，下面分開講述。

1.1 信號輸入電路

發動機上安裝的傳感器種類較多，傳感器采集到信號需要經過輸入電路處理才能被MCU使用，傳感器輸出的電信號可分為三種，分別是電壓信號、脈沖信號和開關信號。

①電壓信號：輸出的電壓信號范圍為0～5V，用來表示連續變化的量。②脈沖信號：脈沖信號電壓范圍也是0～5V，一般用來計數或同步。③開關信號：一般用高低電平表示導通和斷開的狀態。

1.2 核心控制器（MCU）選型

發動機電控系統的核心控制器件是MCU，就是常說的單片機系統。目前在汽車電子控制領域最常使用的是飛思卡爾（Freescale）單片機，該系統單元機已經被恩智普收購。早期使用16位MC9S12系列單片機較多;具體選型時可根據硬件采集種類和數量、固件代碼處理需要的Flash、RAM大小及運算速度需求來確定。在汽車電子領域，目前使用飛思卡爾32位MCU較多，也可以選用意法半導體出產的STM32系列的MCU。

1.3 輸出控制電路

輸出控制按工作原理大致可分為三類，分別是繼電器類、旋轉電機類和脈沖類。例如，電子點火線圈是脈沖類的，怠速控制閥、節氣門控制閥等為電機類，油泵繼電器、電子噴油器則為繼電器控制類。

2 ?硬件電路設計

硬件電路設計大致可分為三個部分，分別是數據采集及調理電路（即信號輸入部分）、MCU基本單元和輸出控制電路。

2.1 數據采集及調理電路設計

數據采集及調理電路主要解決信號轉換、噪聲抑制和A/D采集等問題。在器件選型時要考慮功耗、頻率響應、噪聲系數、耐壓值和高低溫適應范圍等。為了便于MCU處理，還需要考慮該信號如何被MCU采集。我們以冷卻液溫度傳感器為例，說明輸入信號的處理過程。圖2是常見的冷卻液溫度傳感器實物圖片。

該傳感器金屬部分直接與冷卻液接觸，可準確測量冷卻液的當前溫度，從解剖圖可看出，該器件相當于一個電阻器件，其工作原理就是將溫度變化，轉變為電阻值變化;那MCU怎么來采集阻值變化呢，很簡單，就是把阻值的變化先轉換為電壓的變化，然后MCU對該電壓進行采樣就可以了。

下面來具體看一下冷卻液溫度傳感器信號處理電路，如圖3所示。

紅框中的電阻即為溫度傳感器的電阻，參考電壓Vref經R7與溫度傳感器電阻串聯分壓，通過C6、R8和C7濾波后送給MCU（AD0-1端）采樣。通過分析電路知道，當溫度發生變化時溫度傳感器的電阻值將跟著線性變化，經分壓后采樣點的電壓值也跟著發生變化，經過MCU的內部A/D電路的采樣，就可得到一組當前溫度下的采集值，這樣就完成了模擬量到數字量的變換，得到的數字量便于單片機處理和傳輸。對模擬量進行A/D采樣后再進行數字化處理是輸入電路使用最多的處理方式，其它類型輸入如脈沖輸出、開關量輸入，數字化處理相對來說要簡單些，直接使用單片機的計數器計數或判斷GPIO端口信號有無即可。

2.2 MCU電路設計

MCU設計主要是最小系統設計，即根據MCU型號配備必要的外圍器件，保證MCU能夠穩定運行;包括晶體振蕩電路、調試接口和基本的電源供給電路。

MCU的每個供電引腳均有一個0.1uF的濾波電容，用于降低干擾信號的影響;晶振電路按照典型電路設計，確保晶振能夠穩定啟振;外接了BDM調試接口，方便程序的調試和下載。本電路圖中，除了最小電路外我們也將外圍一些信號引入到MCU，比如冷卻液溫度采集信號AD0-1，已經接入到MCU的PAD0引腳。

2.3 輸出控制電路設計

輸出控制電路需要根據具體的電控器件來確定。例如點火線圈驅動電路必須滿足高耐壓和大電流的要求，而怠速閥控制在滿足電流輸出要求的情況下，還需要滿足時序要求。圖4是實際的怠速閥控制電路。

圖4中，IAC1、IAC2和IACEnb來自于MCU，X2、X3、X4、X5分別連接四線怠速閥的相應接線。控制邏輯由MCU運算后得到，電路輸出電流由電機專用控制芯片UDN2916LB來保證。

硬件電路中還包括串行接口設計，這種接口電路較為通用，在這里就不講述具體電路了。

3 ?固件開發

固件開發分為以下幾個部分：一是MCU初始化部分，即讓MCU運行起來。其中還包括輸入輸出接口初始化，這部分要根據輸入或輸出信號要求，對MCU的相應接口進行初始化。比如一些接口要初始化A/D采樣接口，把模擬量變為數字量便于MCU處理，一些接口初始化為通用的GPIO接口，還有些接口要初始化為串口通信接口等。二是驅動程序編寫。在初始化輸入輸出接口后，必須對這些接口編寫驅動程序，保證MCU能夠正確讀入或輸出相應的信號或數據。三是在以上兩個工作完成的基礎上實現控制邏輯，即常說的控制算法的實現。這部分工作必須在深入理解發動工作原理的基礎上，讀取發動運行時的相關參數，并根據參數情況，完成邏輯控制，使發動機平穩工作。

3.1 MCU初始化工作

主要工作有：MCU時鐘初始化、通用輸入輸出端口（GPIO）初始化、A/D通道初始化、串行通信端口（USART）初始化、PWM輸出端口初始化。該程序用于完成MCU時鐘初始化工作，初始化代碼在INIT_PLL子函數中，在主函數main（）中調用了該初始化程序。在程序開始部分，使用宏定義方法定義一些常量，以方便在程序中使用;主程序中為保證初始化代碼不被中斷干擾，屏蔽了中斷。解讀程序時我們發現子程序稱作鎖相環初始化，對照硬件MCU最小系統電路可以看到，時鐘電路就是在MCU外部增加了一個無源晶體，并且該晶體頻率是8MHz，遠達不到MCU運行主頻為32MHz或40MHz頻率;實際上MCU的主頻來自內部的PLL電路，外部晶體與MCU內部振蕩電路產生8MHz頻率后，沒有直接做為主頻使用，主要原因是振蕩電路產生的頻率穩定性不夠，必須通過PLL電路處理且倍頻后才能做為MCU主頻使用，所以初始化鎖相環就是初始化MCU的時鐘系統。

3.2 輸入輸出接口驅動程序編寫

輸入輸出接口驅動主要有：定時器驅動程序、GPIO驅動程序、A/D采樣驅動程序、D/A變換驅動程序、PWM驅動程序和串行通信驅動程序。

在這里有必要區分一下初始化代碼與驅動代碼不同之處。由于嵌入式MCU硬件引腳有限，每個引腳都有復用功能，比如可以做為輸入引腳也可以做為輸出引腳，還可以用做特殊功能引腳使用;初始化代碼作用就是確定硬件引腳的輸入輸出功能、運行時鐘分配和工作參數配置;而驅動程序則是完成如何實現輸入或輸出功能。一般初始化代碼只在程序運行前調用一次，而驅動程序可以在程序任何需要的地方調用。

采樣通道參數由變量char s傳入，根據s不同確定具體采樣哪個通道。當s為1時采樣通道AD01，就是前面提到的冷卻液溫度值，當s為2時采樣通道AD00值。每次采樣啟動后，都需要判斷采樣寄存器狀態，以確定采樣是否完成。當采樣完成后，返回采樣值AD_data給調用程序。

3.3 發動機控制邏輯代碼實現

主要有點火時序控制、燃油量控制、怠速運轉控制、加速加濃邏控制、氧傳感器處理和爆振傳感器處理等代碼。

ECU開發的核心算法代碼以發動機曲軸傳感器的同步信號、發動進氣歧管壓力、冷卻液溫度等傳感器輸入數據為參數，以內燃機工作原理、多缸發動機點火及噴油時序等做為算法的基本依據，以標定參數表（燃油表、點火提前角表、空燃比表等）為基準數值，以實時、高效、準確邏輯運算為目標，以電控器件為控制對象，精心編制出的一套邏輯代碼，用于控制發動機處于最佳工作狀態。可以看出這部分程序是ECU開發重點和難點，也是汽車廠家核心競爭力的體現。發動機控制邏輯代碼只與驅動程序開相關，與硬件電路相關性較低，可由更擅長邏輯代碼開發、對內燃機工作原理更熟悉程序員編寫實現。

4 ?硬軟件聯調

由于嵌入式開發中軟件和硬件的高度相關性，在發動機電控系統開發過程中，硬件和軟件聯調貫穿于整個開發過程。在硬件單元電路設計時要和軟件模塊設計相互聯調，以確定硬件單元電路和軟件模塊程序的正確性。在硬件整體電路和軟件整體代碼設計完成后，還需要進行整體聯調，以驗證核心算法的優劣和總體時序的正確性。在聯調過程中發現問題需要及時修改然后再驗證，沒問題了再進行下一單元電路設計和下一段代碼編寫，避免問題積累，增加整體調試難度。

在固件編寫規劃時，還需要注意要留有MCU讀寫Flash的接口，用于讀寫發動機標定參數，如燃油表、點火提前角表、空燃比表等，這部分數據存儲在MCU內部或外部Flash中，永久保存且掉電不丟失。在標定發動機時可以隨時修改這部分數據，修改數據在重啟MCU即可生效，以方便燃油發動機標定參數的確定，降低標定數據與固件程序的耦合性。

5 ?綜述

本文較為全面地描述了燃油發動機電控系統的開發過程，也勾勒出了發動機電控系統開發的清析輪廓，可以看出發動機電控系統的開發有一定的工作量，但并不是遙不可及，相信有實力的廠家或研究單位，組織和管理好開發團隊，做好頂級設計和任務分工，一定可以開發出一套滿足實用要求的燃油發動機電控系統。

參考文獻：

[1]劉勝吉，曾瑾瑾，李崇尚，等.點火提前角對通用小型汽油機缸內燃燒及排放的影響[J].內燃機工程，2016（5）.

[2]邵千鈞，何文華，熊樹生.基于CMAC的點火提前角控制怠速穩定性的研究[J].內燃機學報，2005（4）.

[3]邵千鈞，何文華，衛忠星，等.多次點火提高LPG發動機點火可靠性的研究[J].內燃機工程，2005（4）.