基于Cyclone FPGA的電控汽油機(jī)噴油脈寬處理的設(shè)計(jì)方案

引言

甲醇汽油作為一種重要的替代燃料，在汽車工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。然而，甲醇本身富含氧，導(dǎo)致甲醇汽油的理論空燃比較小。電控汽油機(jī)在燃用不同比例的甲醇汽油時(shí)，電控燃油噴射系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能不能完全使發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，需要對電控單元輸出的噴油脈寬信號進(jìn)行擴(kuò)展處理，使得電控汽油機(jī)在燃用不同比例甲醇汽油時(shí)，空燃比能夠維持在理論空燃比附近，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文將詳細(xì)介紹基于Cyclone FPGA的電控汽油機(jī)噴油脈寬處理的設(shè)計(jì)方案。

1. 電控汽油機(jī)噴油脈寬調(diào)整的基本原理

電控汽油機(jī)的燃油噴油量可以通過以下公式計(jì)算：

M=μ?s?t?π2?(pi2?p02)2?(π?g?ρ)

其中：

• M 為電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴油量；

• μ 為噴油孔的流量系數(shù)；

• s 為噴油孔截面積；

• t 為噴油持續(xù)時(shí)間；

• g 為重力加速度；

• ρ 為燃油密度；

• pi 為噴油壓力；

• p0 為供油壓力。

由公式可知，通過改變噴油孔流量系數(shù)、噴油孔截面積、供油壓力和噴油壓力，以及噴油持續(xù)時(shí)間可以改變噴油量的大小。而噴油孔流量系數(shù)、噴油孔截面積、供油壓力和噴油壓力與噴油器本身的尺寸和參數(shù)相關(guān)，噴油持續(xù)時(shí)間對于噴油量來說是一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。因此，采用改變噴油持續(xù)時(shí)間來改變噴油量，噴油持續(xù)時(shí)間由汽車的電控單元（ECU）控制。

當(dāng)噴油器中使用中低比例甲醇汽油時(shí)，依靠電控燃油噴射系統(tǒng)所具有的自適應(yīng)控制功能，自行調(diào)節(jié)噴油脈寬，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)燃用高比例甲醇汽油時(shí)，其自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能不能滿足時(shí)就需要對脈寬進(jìn)行處理。

2. Cyclone FPGA簡介

Cyclone系列FPGA芯片是Altera公司于2003年推出的中等規(guī)模、低成本和高性價(jià)比芯片。它具有以下特點(diǎn)：

• 工藝：0.13μm工藝；

• 管腳數(shù)量：240個(gè)管腳；

• 內(nèi)核供電：1.5V；

• 嵌入式存儲器：由數(shù)十個(gè)M4K的存儲器構(gòu)成，每個(gè)M4K存儲器塊可以實(shí)現(xiàn)4068位RAM、200MHz高速性能、真正的雙端口存儲器、FIFO設(shè)計(jì)、ROM設(shè)計(jì)、混合時(shí)鐘模式等功能；

• 電源支持：內(nèi)核電壓與I/O口電壓分開供電的方式，支持多種I/O接口，符合I/O口標(biāo)準(zhǔn)，可以支持差分的I/O口標(biāo)準(zhǔn)。

Cyclone系列FPGA芯片具有高性能、低功耗和易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于電控汽油機(jī)噴油脈寬處理的設(shè)計(jì)。

3. 基于Cyclone FPGA的噴油脈寬處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于Cyclone FPGA的噴油脈寬處理系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：

1. 信號輸入模塊：用于接收電控單元輸出的噴油脈寬信號；

2. 周期測量模塊：用于測量輸入信號的周期；

3. 脈寬調(diào)整模塊：根據(jù)輸入的脈寬參數(shù)調(diào)整輸出信號的占空比；

4. PWM輸出模塊：輸出調(diào)整后的PWM信號，控制噴油器的噴油持續(xù)時(shí)間。

3.2 信號輸入模塊

信號輸入模塊的主要功能是接收電控單元輸出的噴油脈寬信號。該模塊通過FPGA的I/O接口接收信號，并將其傳遞給后續(xù)的處理模塊。

3.3 周期測量模塊

周期測量模塊的主要功能是測量輸入信號的周期。該模塊通過設(shè)置一個(gè)門控制信號flag，產(chǎn)生一個(gè)與被測信號周期相同的閘門。開始測量周期時(shí)，計(jì)數(shù)器置0，待flag=1且復(fù)位信號nrst=1時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到flag=0時(shí)，停止計(jì)數(shù)。此時(shí)得到計(jì)數(shù)器的值就是被測方波信號的周期。

例如，系統(tǒng)時(shí)鐘clk_mhz的頻率為100MHz，輸入信號s_in的頻率為100kHz，計(jì)數(shù)器結(jié)果為1000。

3.4 脈寬調(diào)整模塊

脈寬調(diào)整模塊的主要功能是根據(jù)輸入的脈寬參數(shù)調(diào)整輸出信號的占空比。該模塊將周期測量模塊得到的計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行左移N位操作（即進(jìn)行除法運(yùn)算），N值由脈寬控制參數(shù)確定。然后根據(jù)脈寬控制參數(shù)，輸出相應(yīng)占空比的方波。

例如，脈寬控制參數(shù)select=3，輸出信號pwm_out的占空比應(yīng)為37.5%。

3.5 PWM輸出模塊

PWM輸出模塊的主要功能是輸出調(diào)整后的PWM信號，控制噴油器的噴油持續(xù)時(shí)間。該模塊將脈寬調(diào)整模塊輸出的占空比可調(diào)的方波信號傳遞給噴油器，從而實(shí)現(xiàn)對噴油持續(xù)時(shí)間的控制。

4. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)復(fù)位與初始化

在系統(tǒng)復(fù)位后，預(yù)置好脈寬參數(shù)，并初始化各個(gè)模塊的狀態(tài)。確保系統(tǒng)能夠正常開始工作。

4.2 周期測量模塊的實(shí)現(xiàn)

周期測量模塊的實(shí)現(xiàn)流程如下：

1. 設(shè)置一個(gè)門控制信號flag（初始值為0），產(chǎn)生一個(gè)與被測信號周期相同的閘門；

2. 開始測量周期時(shí)，計(jì)數(shù)器置0；

3. 待flag=1且復(fù)位信號nrst=1時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；

4. 直到flag=0時(shí)，停止計(jì)數(shù)，此時(shí)得到計(jì)數(shù)器的值就是被測方波信號的周期。

4.3 脈寬調(diào)整模塊的實(shí)現(xiàn)

脈寬調(diào)整模塊的實(shí)現(xiàn)流程如下：

1. 將周期測量模塊得到的計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行左移N位操作（即進(jìn)行除法運(yùn)算），N值由脈寬控制參數(shù)確定；

2. 根據(jù)脈寬控制參數(shù)，輸出相應(yīng)占空比的方波。

4.4 PWM輸出模塊的實(shí)現(xiàn)

PWM輸出模塊的實(shí)現(xiàn)流程如下：

1. 接收脈寬調(diào)整模塊輸出的占空比可調(diào)的方波信號；

2. 將該信號傳遞給噴油器，控制噴油器的噴油持續(xù)時(shí)間。

5. 系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)完成后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行測試與驗(yàn)證，以確保其滿足設(shè)計(jì)要求。測試主要包括以下幾個(gè)方面：

1. 功能測試：驗(yàn)證系統(tǒng)是否能夠正確接收輸入信號，并輸出調(diào)整后的PWM信號；

2. 性能測試：測試系統(tǒng)在不同輸入信號頻率下的周期測量精度和脈寬調(diào)整精度；

3. 穩(wěn)定性測試：驗(yàn)證系統(tǒng)在長時(shí)間運(yùn)行下的穩(wěn)定性和可靠性。

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)滿足對噴油脈寬信號的擴(kuò)展處理要求，且系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

6. 主控芯片型號及其在設(shè)計(jì)中的作用

在主控芯片方面，本設(shè)計(jì)采用了Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8N。該芯片具有以下特點(diǎn)：

• 中等規(guī)模：適用于中等復(fù)雜度的設(shè)計(jì)；

• 低成本：降低了系統(tǒng)的整體成本；

• 高性能：0.13μm工藝，240個(gè)管腳，1.5V的內(nèi)核供電，200MHz的高速性能，能夠滿足噴油脈寬處理的高速實(shí)時(shí)性要求；

• 易于設(shè)計(jì)：支持多種I/O接口，符合I/O口標(biāo)準(zhǔn)，可以支持差分的I/O口標(biāo)準(zhǔn)，方便與電控單元和其他外圍設(shè)備進(jìn)行連接。

在設(shè)計(jì)中的作用方面，Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8N作為系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)接收電控單元輸出的噴油脈寬信號，進(jìn)行周期測量、脈寬調(diào)整和PWM輸出等處理。通過其強(qiáng)大的邏輯處理能力和高速的運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)了對噴油脈寬信號的精確控制，從而確保了電控汽油機(jī)在燃用不同比例甲醇汽油時(shí)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

7. 結(jié)論

基于Cyclone FPGA的電控汽油機(jī)噴油脈寬處理設(shè)計(jì)方案，通過利用FPGA技術(shù)將電控單元輸出的噴油脈寬信號進(jìn)行擴(kuò)展處理，使得電控汽油機(jī)在燃用不同比例甲醇汽油時(shí)，空燃比能夠維持在理論空燃比附近，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8N作為主控芯片，具有中等規(guī)模、低成本、高性能和易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過測試驗(yàn)證，系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定可靠。該設(shè)計(jì)方案為電控汽油機(jī)噴油脈寬處理提供了一種新的解決方案，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。