基于OBD接口的拖拉機電子油門控制裝備設計與試驗

王文卿，許凱，李衛衛，謝洪德，劉風平

（1.山東科技職業學院，山東 濰坊 261053；2.山東省農業機械試驗鑒定站，山東 濟南 250100；3.山東濰坊魯中拖拉機有限公司，山東 濰坊 261012）

1 系統設計論證

電子油門的電壓與發動機的轉速在500r/min到2500r/min成線性關系，整個電子油門的電壓與轉速的關系如式（1）描述：

其中N是發動機轉速，單位是r/min；U是給控制器電壓信號，單位是V。

由于PWM輸出的電壓只是給ECU控制器的電壓信號，沒有任何負載。所以輸出電壓與占空比成以下關系：

其中a為占空比，U1為電壓，取5V。由式（1）與式（2）聯合可知，發動機轉速與占空比關系如下：

2 設備硬件設計

2.1 硬件總成

如圖1所示，硬件結構包括MCU控制模塊、OBD診斷接口、電源、油門接口、濾波模塊、按鍵或觸摸屏接口，電源給MCU供電，通過OBD接口讀取實時轉速，通過觸摸屏給MCU目標轉速，然后濾波輸出PWM電壓。以MCU控制器為核心，向外圍連接。

圖1 設備組成圖

MCU控制器模塊包括MCU最小系統、CAN收發器模塊、顯示模塊、PWM輸出模塊。

OBD診斷接口使用ISO15031-5規定的接口，通過屏蔽雙絞線連接內燃機與MCU控制器。為防止傳輸距離過長造成不能正常工作，在OBD接口終端的雙絞線的CAN高、CAN底的兩端并聯上了一個12 0Ω的吸收電阻。OBD診斷接口給控制器提供發動機實時轉速。

2.2 油門驅動電路

油門接口使用國標規定接口，用于連接內燃機油門接口與濾波模塊，油門接口共6根線，兩個電源正、兩個電源負和兩個信號，在本裝備中將兩個電源分別連接MCU控制器中，信號將連接到濾波模塊中，油門接口的作用是將濾波后的電壓信號給內燃機（模擬油門開度），如圖2所示：

圖2 油門接口圖

濾波模塊是連接油門接口與MCU控制器，是將MCU控制器輸出的PWM電壓信號進行濾波，去掉因線路產生的噪音，使MCU輸出的信號更加貼近油門的電壓信號的形式。

PWM電壓信號，是MCU控制auips7111電源開關生成的。MCU不斷控制輸入端高電平與低電平，來生成相應的PWM電壓信號，如圖3所示：

圖3 PWM驅動電路圖

2.3 CAN外圍電路設計

MCU控制自帶CAN控制器，故在硬件上只需設計CAN收發器即可，該裝備是由TJA1050T收發器外圍電路以及PESD2CAN保護電路組成。

設計好原理圖，然后進行PCB試做，焊接81針插接件示。

3 軟件設計

3.1 軟件工作原理

MCU主控芯片為STM32F103系列。將OBD診斷接口與設備對應的接口連接好，設備通電，把發動機的實際油門拔下，換成設備的油門接口，屏幕顯示發動機實時轉速和目標轉速。程序初始化后，控制器讀取OBD診斷接口的CAN報文，獲取內燃機的實時轉速，與目標轉速進行比較，模擬出電子油門的開度大小（輸出電壓的大小）；若沒有讀取到，MCU控制器將維持最低轉速，然后經過濾波，最后輸出到油門接口，達到目標轉速與實時轉速相等。

顯示模塊中實時顯示PWM的占空比，測試人員可以在顯示模塊中的詳細界面的PWM設置界面，直接設置PWM的占空比和周期，來改變內燃機的轉速，此時不受目標轉速和實時轉速的影響。

在該裝備中采用兩路PWM信號模擬油門踏板的信號，在顯示模塊中可以選擇這兩路PWM信號之間的關系，如選擇兩路PWM值信號1:1的關系，也可以在詳細界面中添加兩種PWM值關系信號，確保內燃機不報油門相關故障。這樣可以實現當其他因素引起內燃機轉速變化MCU控制器立即根據目標轉速進行調整。該裝備在油門接口終端加入了濾波模塊以穩定實時轉速。

3.2 GUI工作原理

需要調整發動機轉速時，用按鍵或觸摸屏設定內燃機的目標轉速。如果觸摸屏設定的目標轉速范圍在600r/min～3000r/min之間，則執行下一步；否則提示重新輸入正確的目標轉速。

按鍵接口是通過MCU控制器的I/O口進行連接。當按下“轉速上升鍵”持續3s以上時，目標轉速會快速上升，直到按鍵松開或轉數達到3000r/min為止；當按下按鍵后，立即松開，目標轉速會增加1r/min，同樣當增加到3000r/min時不會再繼續增加。可以按下“轉速下降鍵”使轉速降低，下降到600r/min，不再下降。當松開按鍵1s之后，MCU控制執行下一步。

MCU控制器通過顯示模塊，提示測試人員選擇與發動機通信連接模式，該裝備提供了3種常見的通信連接模式，即串口（RS485、RS232）、K通信、CAN通信（250bps、500bps），滿足目前所有廠家的通訊協議。測試人員可以通過觸摸屏或按鍵進行選擇，一旦選擇后，本次測試不能改變通信連接方式，MCU控制將跳入測試人員選擇的通信連接模式的子程序。

根據OBD診斷協議其網絡層和物理層按ISO15765-4規定，內燃發動機必須引出OBD接口，并可讀取內燃機的數據。測試人員可以在顯示模塊中詳細界面選擇不同的內燃機廠家，并可以實時更新新的內燃機廠家數據。還可以在詳細界面中的CAN報文設置界面中選擇自動搜索，MCU控制器將按照本地庫中CAN報文信息序號進行嘗試連接，連接成功后將返回連接成功的界面，并顯示當前連接的CAN報文的類型地址和對應內燃機廠家。

根據ISO15765協議，通過MCU控制器對內燃機發送請求幀，然后等待內燃機的ECU發回的數據幀，可獲得獲取內燃機的實時轉速；若長時間不返回，顯示模塊將跳出連接超時的提示窗口，表明設備連接失敗。若內燃機ECU數據幀返回數據經解析是負響應，顯示模塊將跳出提示窗口，用來提示測試人員參數選擇不對；若內燃機ECU返回數據經解析是正響應，MCU則進行對該報文數據進行詳細的解析，并算出內燃機實時轉速。

為了MCU使控制器平滑的模擬輸出油門踏板的電壓信號和獲取穩定的實時轉速，本裝備對實時轉速進行了中值平均濾波，并加長采樣周期，讓每秒獲取一次內燃機實時轉速。

4 結論

本裝備的控制器采用PWM技術，通過數字方式控制模擬電路，采用按鍵、觸屏均可使用。經過測試驗證，得出如下結論：（1）基于PWM技術設計的拖拉機電子油門控制裝備，通過讀取發動機的轉速，根據PWM占空比與總電源的關系式，模擬出電子油門電壓，從而控制發動機轉速。（2）試驗表明該裝備能有效的對發動機實時轉速進行控制，誤差在5r/min以內，實現了對電子油門的準確控制。（3）本裝備對開環控制系統和閉環控制系統都能良好地適應，通過控制電子油門來控制發動機油門開度，即發動機轉速實現閉環控制，這一技術在國內屬于首創。本裝備實現了閉環控制發動機轉速，輸入目標值后自動尋找目標值點，十分方便，值得推廣使用。