基于DSP的新型無分電器點火裝置

一種基于DSP的新型汽車無分電器點火裝置。在該裝置中,DSP用于點火控制和與PC機進行通信,Intel 8751單片機用于系統實時監控和備用點火。該裝置的特點是：點火正時特性好,控制靈活性強,能適應發動機各種工況并具備自診斷功能,能與PC機進行通信并進行程序和數據更新。

?? 關鍵詞：DSP 電子點火 無分電器點火裝置 點火提前角

隨著電子技術的迅猛發展和綠色環保的要求,人們對汽車發動機點火系統性能的求越來越高,不僅要求實時性強、點火正時特性好、抗干擾能力強,而且要求集成較高、減少故障點、具有自診斷和備用點火功能,同時還要求與PC機通訊并能進行系統軟件升級、重要數據更新和在線系統仿真。下面介紹一種基于DSP的新型汽車無分電器點火裝置。

1 系統構成

系統中央處理單元ECU由一片DSP和一片通用單片機組成。DSP主要用于對信號的采集、處理,控制算法實現,與輔助單元和PC機進行通訊;單片機主要用于系統監測和備用點火等。系統結構框圖如圖1所示。

??? 系統采用了集成點火組件。點火組件用于完成閉合角控制、恒電流控制、過電壓保護、停車斷電保護等功能,并能通過缸序判別信號IGda、IGdb把點水信號Igt關入相應的點火驅動電路,產生點火確認信號IGf。

1.1 主CPU單元

系統主CPU采用DSP TMS320F240。它具有以下特點：32位中央算術邏輯單元CALU;16位×16位并行硬件乘法器;內置544字×16位雙端口數據/程序RAM,16K字×16位FLASH E2PROM;軟件等待發生器的外部存儲器接口模塊,支持硬件等待狀態;雙10位高速A/D轉換器;28個獨立可編程的多路復用I/O引腳;基于鎖相環的時鐘模塊;帶實時中斷的看門狗定時器模塊;串行通訊接口;4級管道操作;8級硬件堆棧;6個外部中斷;靜態CMOS技術;4種低電源模式;最高頻率為40MHz;多數指令周期為單周期;完成一次點火提前角的計算時間限于1ms,比通用微處理機快10～100倍,大大地提高了點火系統的實時性。

主CPU單元主要完成兩大任務：一是確定當前工況下的最佳點火提前角,產生點火控制信號IGt和汽缸判定信號IGda與IGdb;二是通過RS-232接口與PC機進行串行通信,主CPU可把采集的各種傳感器的信號、發動機轉速信號、故障代碼等送到PC機中進行仿真與分析;PC機也可以把二進制程序代碼及一些重要數據（如不同工況下的修正值等）送到主CPU的FLASH E2PROM單元。

TMS320F240擴展了四片CY7C169-25和一片8253,并采用74F148擴展外部中斷源輸入端。

1.2 監測和點火備用模塊

監測和點火備用模塊所使用的CPU是8751。該模塊通過對各傳感器信號、IGf信號等進行分析、診斷,對主CPU單元實施監測。當主CPU單元出現故障時,監測和點火備用模塊立即接過點火控制權,并放棄監測工作。

8751單元擴展了2732、6264和8253各一片。采用一片AD574A和CD4051進行A/D轉換,并用74LS148擴展了8個外部中斷源輸入端。

1.3 DSP數字控制器與PC機的串行通訊

TMS320F240 SCI模塊支持CPU與使用標準NRZ格式的其它異步外設之間進行數字通信。SCI接收器和發送器是雙緩沖的,具有獨立的使能和中斷時。SCI對接收的數據進行間斷、奇偶性、超時、幀出錯等檢測。系統采用了RS-232異步串行通訊標準總線。

1.4 系統接口資源的分配

TMS320F240 DSP數字控制器與8751單片機提供的I/O接口與中斷輸入接口是有限的,為避免資源沖突,將外部的輸入信號按表1進行優化分配。

表1 外部輸入信號優化分配

2 系統軟件

2.1 點火提前角

點火提前角對發動機的工作性能影響較大,ECU按下式計算點火提前角：

實際點火提前角=初始點火提前角+基本點火提前角+修正點提前角

基本點火提前角數據以表格的形式存儲在DSP的FLASH E2PROM中。實際上,基本點火提前角數據遠不止256個。如果發動機轉速與負荷不在基本點火提前角對應的點上,則采用多元線性回歸法進行擬合:

式中,θ――基本點火提前角

n――發動機轉速

l――發動機負荷

將離線生成的線性回歸方程系數存儲在ECU中。ECU根據轉速和負荷信息,查閱基本點火提前角數據表,或查閱線性回歸方程系數表計算基本點火提前角,并根據影響點火提前角其它因素（冷卻水溫信號、空調開關信號、怠速開關信號等）進行必要的修正后輸出點火控制信號IGt。

不同型號的發動機,其點火提前角與線性回歸方程式系數不同。系統ECU與PC機的通信功能提供了隨時新這些數據的方便。

2.2 系統軟件模塊

軟件系統由主程序模塊、控制算法模塊、發動機轉速測量及處理模塊、A/D轉換模塊、G1和G2信號中斷模塊、DSP數字控制器與微機的通訊模塊、DSP數字控制器在線程序更新模塊、系統監測模塊、備用點火模塊、FLASH EEROM擦除模塊等組成。

??? 主程序模塊主要包括初始化程序、起動程序、發動機工況測量程序、處理程序、判別程序等。程序的初始化包括RAM區、各特殊功能寄存器、I/O、堆棧等的初始化。主程序模塊根據發動機轉速、負荷等信號確定發動機的運行工況,并由此轉入相應的處理程序當中。

發動機轉速測量及處理模塊主要完成發動機工況判定、查點火提前角數據表等;A/D轉換模塊處理冷卻水濕和負荷傳感器等模擬信號的轉換;控制算法模塊根據存儲的不同燃油標號的點火提前數據、多元線性回歸系統等表格,確定基本點火提前數據以及發動機爆震控制等;G1和G2信號中斷子程序主要控制IGt、IGda、IGdb信號的產生,檢測點火確認信號IGf;DSP數字控制器與微機的通訊模塊完成DSP數字控制器與單片機的信息交換;系統檢測、備用模塊主要完成對一些傳感器的檢測、ECU單元的監控、備用狀態下的點火控制;系統監測和備用點火模塊對G1、G2、Ne、IGf、負荷、水溫等信號進行監控,當出現故障時,置標志位、報警。當主CPU出現故障時,除了報警之外,該模塊立即接過點火控制權。

系統的操作流程圖如圖2所示。

本點火系統的新穎之處在于ECU使用了兩個CPU,使其具有了自檢功能和備用功能。主CPU采用了被視為未來通用芯片的DSP,這類芯片具有處理速度快、運算功能強、輸入輸出速度快、精度高、可靠性好等特點,適用于實時控制系統。該系統已在汽車發動機上試運行,得到了良好的發動機點火性能。