隨著電子技術(shù)的發(fā)展及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高,微機(jī)控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了更為精確的點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量的控制。在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中,采用的每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸各帶一個(gè)點(diǎn)火線圈,對(duì)各缸點(diǎn)火線圈進(jìn)行獨(dú)立控制的點(diǎn)火系統(tǒng),稱為無(wú)分電器各缸獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng),也叫高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)。采用高能直接點(diǎn)火可有效地增加點(diǎn)火線圈初級(jí)回路的儲(chǔ)能,減少點(diǎn)火能量的傳導(dǎo)損失,從而提高點(diǎn)火能量,滿足車用發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒、增壓和使用代用燃料(如天然氣、酒精)等新技術(shù)的發(fā)展要求。對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī),這種高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)由于控制事件多,要求的控制電路和控制軟件復(fù)雜,因而對(duì)微控制器的性能和控制軟件均有較高的要求[1>。 　　
　　MC9S12系列是MOTOROLA公司開發(fā)的一種高性能16位微控制器(MCU),具有豐富的輸入輸出接口功能、較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算能力,特別還具有較強(qiáng)的定時(shí)控制功能,使其適用于復(fù)雜時(shí)序控制技術(shù)的應(yīng)用中[2>。本文針對(duì)六缸車用發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火控制系統(tǒng)的開發(fā),進(jìn)行了以MC9S12DP256微控制器為核心的電子控制單元的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 　　
1 高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)及控制要求
　　圖1所示為六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)電路原理圖。系統(tǒng)由輸入信號(hào)傳感器、電子控制單元(ECU)及點(diǎn)火執(zhí)行器三部分組成。其中,點(diǎn)火執(zhí)行器包括每缸獨(dú)立的共六組點(diǎn)火線圈和火花塞。點(diǎn)火線圈作為儲(chǔ)能元件,由匝數(shù)比很高的次級(jí)繞組和初級(jí)繞組構(gòu)成,其作用相當(dāng)于變壓器。當(dāng)初級(jí)繞組電路(初級(jí)電路)導(dǎo)通時(shí),初級(jí)繞組電感線圈中的電流按照指數(shù)規(guī)律增加,從蓄電池獲得的能量以磁場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存在初級(jí)線圈中;當(dāng)初級(jí)電路斷電時(shí),次級(jí)繞組感應(yīng)出高壓電,使火花塞電極間產(chǎn)生電火花,將汽缸內(nèi)的混合氣點(diǎn)燃。在圖1所示的系統(tǒng)中,由微控制器發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)過點(diǎn)火器中的功率三極管的驅(qū)動(dòng)放大,實(shí)現(xiàn)了對(duì)初級(jí)電路的通斷電控制。與傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)只使用一個(gè)點(diǎn)火線圈相比,這種直接點(diǎn)火控制方式可利用更長(zhǎng)的時(shí)間積蓄點(diǎn)火能量,并可將點(diǎn)火線圈與火花塞安裝在一起,減少高壓電流的傳遞損失,從而獲得較高的點(diǎn)火能量。

　　點(diǎn)火控制包括點(diǎn)火順序控制、點(diǎn)火定時(shí)控制和點(diǎn)火能量控制。點(diǎn)火系統(tǒng)應(yīng)按發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序進(jìn)行點(diǎn)火,即點(diǎn)火順序應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序一致,否則不能適時(shí)點(diǎn)著混合氣,發(fā)動(dòng)機(jī)就不能正常工作。點(diǎn)火定時(shí)控制的目的是使發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出大、油耗低、爆震小和排放低,點(diǎn)火系統(tǒng)必須在最有利的時(shí)刻點(diǎn)火,并需在上述目標(biāo)之間進(jìn)行折衷。點(diǎn)火時(shí)刻用點(diǎn)火提前角來(lái)表示,從火花塞開始跳火到活塞運(yùn)行至壓縮行程上止點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度被稱為點(diǎn)火提前角。發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的最佳點(diǎn)火提前角是不同的。在微機(jī)控制的點(diǎn)火系統(tǒng)中,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等傳感器的信號(hào)確定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況,計(jì)算出最佳的點(diǎn)火時(shí)刻,并由微控制器輸出控制信號(hào),使功率三極管截止、初級(jí)電路斷電,從而實(shí)現(xiàn)控制。 　　
　　點(diǎn)火能量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的著火情況。對(duì)于使用增壓、稀燃及替代燃料等新技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī),只有點(diǎn)火能量足夠高,才能可靠燃燒,達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)性和改善排放的目的。高能直接點(diǎn)火的關(guān)鍵是保證在任何工況下都能夠提供足夠的點(diǎn)火能量。電感儲(chǔ)能式點(diǎn)火系統(tǒng)控制點(diǎn)火能量的實(shí)質(zhì)是控制點(diǎn)火線圈在斷電時(shí)刻的初級(jí)電流,這是靠控制初級(jí)電路的通電時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。點(diǎn)火時(shí)刻初級(jí)電流所能達(dá)到的值,即初級(jí)斷開電流,與初級(jí)電路導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān),必須保證初級(jí)電路的通電時(shí)間來(lái)使初級(jí)電流達(dá)到點(diǎn)火能量的要求。但如果通電時(shí)間過長(zhǎng),點(diǎn)火線圈又會(huì)發(fā)熱并使電能消耗增大。因此,控制一個(gè)最佳的初級(jí)電路通電時(shí)間需兼顧上述兩方面的要求。 　　
　　綜上所述,對(duì)于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的高能直接點(diǎn)火系統(tǒng),為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求,需按點(diǎn)火順序、點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量的要求實(shí)現(xiàn)六個(gè)獨(dú)立點(diǎn)火線圈初級(jí)電路的適時(shí)通、斷電,即微控制器要完成多通道的復(fù)雜時(shí)序控制。 　　
2 ECU的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　如圖2所示,適用于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的高能直接點(diǎn)火電子控制單元以MC9S12DP256微控制器為核心,并由電源、輸入信號(hào)整形處理、驅(qū)動(dòng)放大電路和通訊電路等功能模塊構(gòu)成。

　　MC9S12DP256微控制器采用了高性能的16位處理器HCS12,可提供豐富的指令系統(tǒng),具有較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算能力;其內(nèi)256K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器具有在線編程能力,4K字節(jié)的EEPROM和12K字節(jié)的RAM可存儲(chǔ)各種控制參數(shù)。MC9S12DP256的低功耗晶振、復(fù)位控制、看門狗及實(shí)時(shí)中斷等配置和功能更有助于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[2>。 　　
　　MC9S12DP256豐富的接口資源為ECU輸入輸出功能的實(shí)現(xiàn)提供了方便。負(fù)荷信號(hào)(節(jié)氣門位置和進(jìn)氣壓力)、水溫信號(hào)、蓄電池電壓信號(hào)等系統(tǒng)模擬輸入信號(hào)由放大濾波電路處理后,利用MCU的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采集。通過MCU增強(qiáng)型串行通訊模塊SCI可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的通訊功能, 進(jìn)行點(diǎn)火系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和控制參數(shù)的匹配標(biāo)定。由一個(gè)16 位主定時(shí)器和8個(gè)可編程輸入捕捉/輸出比較定時(shí)通道構(gòu)成的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器提供了較強(qiáng)的定時(shí)控制功能,可充分滿足高能直接點(diǎn)火的復(fù)雜時(shí)序控制要求。在本系統(tǒng)中, 兩個(gè)定時(shí)通道設(shè)置為輸入捕捉功能,對(duì)經(jīng)過整形處理后的曲軸位置信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集處理;另六個(gè)定時(shí)通道設(shè)置為輸出比較功能,用于六個(gè)汽缸的點(diǎn)火線圈初級(jí)電路的通斷電控制。 　　
3 ECU的控制軟件設(shè)計(jì)
3.1 點(diǎn)火時(shí)序的控制方法
　　點(diǎn)火時(shí)序的控制以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置信號(hào)為依據(jù)。曲軸位置信號(hào)通過安裝于凸輪軸上的霍爾傳感器測(cè)量。如圖3所示,凸輪軸每轉(zhuǎn)一周,產(chǎn)生七個(gè)脈沖信號(hào),其中六個(gè)為各缸的點(diǎn)火基準(zhǔn)信號(hào),根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序,按1、5、3、6、2、4的缸號(hào)順序均勻排列,各基準(zhǔn)脈沖信號(hào)的上升沿設(shè)置在對(duì)應(yīng)各缸壓縮行程上止點(diǎn)前40°,相鄰基準(zhǔn)信號(hào)間相差120°的曲軸轉(zhuǎn)角。另一個(gè)附加的脈沖信號(hào)在一缸基準(zhǔn)脈沖信號(hào)后,其上升沿對(duì)應(yīng)于1號(hào)缸的上止點(diǎn),用于控制系統(tǒng)判定1號(hào)缸的位置,使點(diǎn)火系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作同步,稱為判缸同步信號(hào)。 　　
　　MCU利用定時(shí)器輸入捕捉與輸出比較功能的配合,采用延時(shí)計(jì)數(shù)法進(jìn)行點(diǎn)火線圈初級(jí)電路通斷電時(shí)序控制。如圖3所示,每缸基準(zhǔn)信號(hào)的上升沿通過MCU輸入捕捉定時(shí)器通道觸發(fā)中斷,并以此中斷信號(hào)作為一個(gè)控制周期的開始和點(diǎn)火時(shí)序控制的基準(zhǔn)。將每相鄰兩基準(zhǔn)信號(hào)間的時(shí)間作為一個(gè)控制周期(對(duì)應(yīng)曲軸120°轉(zhuǎn)角), 控制周期時(shí)間等于主計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘周期與兩基準(zhǔn)間計(jì)數(shù)值差的乘積,前者是由MCU預(yù)設(shè)的常數(shù),記作TC;后者可通過輸入捕捉通道測(cè)得,記作NG。若此時(shí)的點(diǎn)火提前角為θ,那么當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)出現(xiàn)時(shí),只要再過(40°-θ)就該進(jìn)行本缸點(diǎn)火,這一角度被稱為點(diǎn)火延遲角,對(duì)應(yīng)的時(shí)間被稱為點(diǎn)火延時(shí),對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值Nd?？筛鶕?jù)NG。值計(jì)算如下:

　　將主計(jì)數(shù)器的值加上延時(shí)計(jì)數(shù)值Nd后送到本缸點(diǎn)火線圈控制的輸出比較通道寄存器中,啟動(dòng)該通道的輸出比較功能,并預(yù)先規(guī)定該通道引腳為低電平。當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間到時(shí),該引腳就自動(dòng)翻轉(zhuǎn)為低電平,點(diǎn)火線圈初級(jí)電路斷電,從而實(shí)現(xiàn)了本缸點(diǎn)火。MCU的輸出比較功能可得到非常精確的時(shí)間間隔,并且對(duì)用戶程序沒有額外的負(fù)擔(dān)。

　　同理,在每個(gè)控制周期內(nèi),為了給即將工作的汽缸進(jìn)行點(diǎn)火能量的蓄積,還進(jìn)行了點(diǎn)火線圈初級(jí)電路通電的延時(shí)計(jì)數(shù)法控制。如圖3中所示,初級(jí)電路的通電時(shí)間要求為ton,則從本缸基準(zhǔn)信號(hào)出現(xiàn)到下一缸初級(jí)電路通電延時(shí)所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值Nt的計(jì)算如下:

　　
　　當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低,下一缸通電延遲時(shí)間大于控制周期時(shí)間(即 )時(shí), 則需在下一控制周期開始時(shí)首先進(jìn)行該缸通電延時(shí)控制,通電延時(shí)計(jì)數(shù)值為Nt1=Nt-NG,并設(shè)置該通道輸出比較中斷,以此中斷為基準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)火延時(shí)控制。其點(diǎn)火延時(shí)計(jì)數(shù)值為:

3.2 點(diǎn)火控制程序設(shè)計(jì)
　　點(diǎn)火控制程序由主程序和中斷服務(wù)子程序等多個(gè)模塊組成。主程序的主要功能是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況,通過邏輯運(yùn)算確定最優(yōu)的點(diǎn)火提前角及初級(jí)電路導(dǎo)通時(shí)間;中斷服務(wù)子程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)輸入信號(hào)的采集與處理,而其中輸入捕捉和輸出比較中斷程序是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)序控制的關(guān)鍵。 　　
　　圖4為點(diǎn)火控制主程序流程圖。ECU上電后,主程序首先執(zhí)行MCU的初始化操作,設(shè)置定時(shí)器計(jì)數(shù)周期、各輸入輸出功能和各中斷。初始化完成后,主程序進(jìn)入循環(huán)運(yùn)行狀態(tài),等待各中斷服務(wù)程序發(fā)生,檢測(cè)各輸入?yún)?shù),進(jìn)行故障查詢和處理。如系統(tǒng)狀態(tài)正常,則根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況確定最優(yōu)的點(diǎn)火提前角及初級(jí)電路導(dǎo)通時(shí)間。由于各缸點(diǎn)火時(shí)刻是通過程序控制進(jìn)行調(diào)節(jié)的,因此利用CPU內(nèi)部的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)點(diǎn)火控制數(shù)據(jù)表(點(diǎn)火脈譜)。這樣,點(diǎn)火提前角就能按發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速信號(hào)通過查數(shù)據(jù)表得到, 并可按不同工況進(jìn)行修正。如此便可使發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下均能提供最佳點(diǎn)火時(shí)刻。

　　
　　輸入捕捉和輸出比較的中斷服務(wù)程序流程圖分別如圖5和圖6所示。利用定時(shí)器輸入捕捉與輸出比較功能的配合,采用延時(shí)計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火線圈初級(jí)電路通斷電時(shí)序控制。在進(jìn)入曲軸位置信號(hào)上升沿觸發(fā)的輸入捕捉中斷后,首先完成判缸信號(hào)拾取、工作缸號(hào)確定及控制周期計(jì)數(shù)值計(jì)算等工作。然后進(jìn)行點(diǎn)火線圈的通斷電延時(shí)控制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),設(shè)置本缸的斷電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道,以及下一缸的通電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí),設(shè)置本缸的通電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道,并開輸出比較中斷。當(dāng)進(jìn)入輸出比較中斷時(shí),再以此中斷為基準(zhǔn),設(shè)置本缸的斷電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道。