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纯净的硅(高级)

基于MC9S12芯片的发动机电子点火系统

[摘  要]  介绍了摩托罗拉16位单片机MC9S12DP256的结构、特点及其区别于其它单片机的优势,通过在一款参与自行开发的三缸汽油发动机电控单元ECU的实际应用,介绍了MC9S12系列芯片在控制系统方面的应用方法。
[关键词]  MC9S12DP256,发动机电控单元(ECU:Electronic Control Unit),电子点火

    MC9S12系列是MOTOROLA公司开发的一种高性能16位微控制器(MCU),具有丰富的输入输出接口功能、较强的数值运算和逻辑运算能力,特别还具有较强的定时控制功能,使其适用于复杂时序控制技术的应用中。
    MC9S12DP256的特性使其适用于我们开发的汽油发动机电控单元ECU。

一、MC9S12DP256的系统结构:
    MC9S12DP256微控制器是基于16位HCS12 CPU及0.25μm微电子技术的高速、高性能5.0V FLASH存储器产品中的中档芯片。其较高的性能价格比使其非常适合用于一些中高档汽车电子控制系统。同时其较简单的背景开发模式(BDM)也会使开发成本进一步降低,同时也使得现场开发与系统升级变得更加方便。
    MC9S12DP256的主频高达25MHz,同时片上还集成了许多标准模块,包括2个异步串行通信口SCI、3个同步串行通信口SPI、8通道输入捕捉/输出比较定时器、2个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I/O口(其中20个具有外部中断及唤醒功能)、兼容CAN2.0A/B协议的5个CAN模块以及一个内部IC总线模块;片内拥有256kB的FlashEEPROM?12kB的RAM、4kB的EEPROM①。

二、MC9S12DP256的功能特点:
    MC9S系列单片机主要有三大特点:
    1、片内集成256kB的闪速存储器(Flash)。Flash的主要优点是结构简单、集成密度大、成本低。系统掉电后,Flash中的内容仍能可靠保持不变。
    2、应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性。可在外接几十千赫的外部晶振情况下,通过软件编程产生几兆的系统时钟,从而降低了对外辐射干扰,提高了系统的稳定性。
    3、简单的背景开发模式(BDM)使得开发成本进一步降低,也使得现场开发和系统升级变得比较方便。
    此外,虽然拥有16位总线结构,但MC9S12的外部总线可根据不同的系统需求工作在8位和16位两种模式,因而能够极大地适应不同价位的系统需求。

三、MC9S12DP256在ECU电子点火中的应用:
    1、 微机控制电子点火系统简介:
    汽油机微机控制电子点火系统除了具备普通电子点火系统的优点以外,最主要的特点是:能在各种转速范围内定值提供所需的点火电压和点火持续时间;能在不同负荷和转速条件下提供最佳的点火前角;能把点火时间提前到汽油机刚好不发生爆震的范围;比普通电子点火系统更节省燃油,废气污染更少。②
从高压电点火开始到结束,发动机曲轴转过的角度是由ECU按照预先设置的程序,根据发动机转速和电源电压进行动态控制的,使发动机在各种转速条件下都能得到定值的点火电压和点火持续时间。
微机控制电子点火系统对发动机不同工况的点火提前角控制如下:
    A  起动工况
    发动机在起动工况中,因发动机转速变化大,ECU无法正确点火提前角,因此ECU按照原始设定的点火提前角,根据发动机水温传感器和转速传感器提供的水温和转速信号修正原始设定的点火提前角。
    B  怠速工况
    怠速基本点火提前角根据发动机转速和水温确定并存于ECU的存储器中。在怠速工况中,ECU在存储器中选出怠速基本点火提前角,并根据发动机转速传感器和水温传感器提供的发动机转速和水温信号修正怠速基本点火提前角。
    C  正常行驶工况(大、中、小负荷工况)
    脱离怠速后,发动机开始进入正常行驶工况。在此工况内:点火提前角 = F ( 基本点火提前角 , 水温修正系数 )。其中,基本点火提前角是根据发动机的转速和负荷经实验确定的;水温修正系数是根据发动机温度经实验确定的。基本点火提前角与水温修正系数分别存于ECU的存储器中。
    2、硬件结构设计:
    MC9S12DP256微控制器采用了高性能的16位处理器HCS12,可提供丰富的指令系统,具有较强的数值运算和逻辑运算能力;其内256K字节的FLASH存储器具有在线编程能力,4K字节的EEPROM和12K字节的RAM可存储各种控制参数。MC9S12DP256的低功耗晶振、复位控制、看门狗及实时中断等配置和功能更有助于电子点火系统的可靠运行。
 
图1  电子点火控制框图

    (1)  ECU的输入信号
    A上止点参考位置信号:它的周期对应的曲轴转角等于发动机各缸工作间隔所对应的曲轴转角240度,所对应的曲轴位置与各组活塞的上止点位置有一定的角度。
B 发动机曲轴转速信号:发动机曲轴转速信号的每一个脉冲,表示发动机曲轴转过一个固定的角度。该系统中使用的是60齿曲轴,所以信号周期为转轴转过6度所对应的时间。
    (2)  ECU的输出信号
    A 点火控制信号:实际上就是点火器中功率晶体管的通断控制信号。它是ECU输出到点火组件的点火命令信号,也是点火组件计算闭合角的基准信号。信号输出后,在活塞位置达到存储器所记忆的最佳点火时刻信号消失,也就是发出了点火指令。
    B 判缸信号:曲轴每转一周将产生多个上止点参考位置信号,而每个上止点参考位置信号与点火气缸的对应关系应该是确定不变的。仅有上止点参考位置信号不能决定具体的点火气缸,所以ECU输出信号中增加了判缸信号,以便与上止点参考位置信号一同决定需要点火的气缸。

3、软件设计:
    点火时序的控制以发动机曲轴位置信号为依据。凸轮轴每转一周,产生三个脉冲信号,根据发动机的点火顺序,按1、3、2的缸号顺序均匀排列,时序图如下:
 
图2 点火时序图
    MCU利用定时器输入捕捉与输出比较功能的配合,采用延时计数法进行点火线圈初级电路通断电时序控制。每缸基准信号的上升沿通过MCU输入捕捉定时器通道触发中断,并以此中断信号作为一个控制周期的开始和点火时序控制的基准。将每相邻两基准信号间的时间作为一个控制周期(对应曲轴240°转角), 控制周期时间等于主计数器的时钟周期与两基准间计数值差的乘积,前者是由MCU预设的常数,记作TC;后者可通过输入捕捉通道测得,记作NG。若此时的点火提前角为θ,那么当基准信号出现时,只要再过(40°-θ)就该进行本缸点火,这一角度被称为点火延迟角,对应的时间被称为点火延时,对应的计数器计数值Nd。可根据NG。值计算如下:
 
    点火控制程序由主程序和中断服务子程序等多个模块组成。主程序的主要功能是根据发动机运行工况,通过逻辑运算确定最优的点火提前角及初级电路导通时间;中断服务子程序负责系统输入信号的采集与处理,而其中输入捕捉和输出比较中断程序是实现点火时序控制的关键。
    ECU上电后,主程序首先执行MCU的初始化操作,设置定时器计数周期、各输入输出功能和各中断。初始化完成后,主程序进入循环运行状态,等待各中断服务程序发生,检测各输入参数,进行故障查询和处理。如系统状态正常,则根据发动机运行工况确定最优的点火提前角及初级电路导通时间。由于各缸点火时刻是通过程序控制进行调节的,因此需要建立CPU内部的点火脉谱。这样,点火提前角就能按发动机负荷及转速信号通过查点火脉谱得到,并可按不同工况进行修正。如此便可使发动机在任何工况下均能提供最佳点火时刻。
 
图3  电子点火控制流程图

四、小结:
     以MC9S12DP256微控制器为核心的发动机高能直接点火系统一方面可实现点火时刻按发动机工况进行最优调节,另一方面利用MCU的增强型捕捉定时器,可实现三缸发动机点火的独立通道控制。而且,将输入捕捉与输出比较功能相配合,满足了三个点火线圈初级电路通断电的复杂时序控制要求。试验结果表明,在其工作范围内的各种转速工况下,都能获得可靠的点火,无失火现象发生。

参考文献:
1、MC9S12DP256 Software Development Using Metrowerks Codewarrior,Motorola Inc.USA
2、《发动机电控汽油喷射系统及其维修技术》
李东江,宋良玉编著;机械工业出版社 1998;中图分类号U464.136;ISBN号 7-111-06017-2



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