基于ＣＡＮ总线的电喷系统控制单元设计陈泉

基于ＣＡＮ总线的电喷系统控制单元设计陈泉

陈泉

（湛江德利车辆部件有限公司524094）

摘要：文章介绍了摩托车发动机电喷系统控制单元（ＥＣＵ）的工作原理，提出了一种基于ＣＡＮ总线的电喷系统控制单元（ＥＣＵ）的设计方案。介绍了该控制单元的硬件结构、软件的设计方法、系统微处理器外围串行接口（ＳＰＩ）与ＣＡＮ控制器通讯的过程，分析了该电喷系统控制单元设计的优点。

关键词：电喷系统；电子控制单元；ＣＡＮ总线

引用

随着中国摩托车保有量的增加和摩托车排放法规的日益严格，摩托车采用电子控制汽油喷射技术已是必然的趋势。以微处理器为控制核心的数字式电子控制因其灵活性、精确性、强有力的分析和处理能力推动了摩托车电喷技术的迅速发展。基于ＣＡＮ总线的电喷系统控制单元有别于传统的电喷控制单元，它既可以作为一个独立的发动机电喷数字式电子控制系统，也可以作为构建摩托车发动机电喷分布式测试系统的一个关键部分。

一、设计原理

1.1电喷系统控制单元工作原理

摩托车电喷控制系统从结构上来看，包括传感器、电子控制单元（ＥＣＵ）以及各种执行机构。其中ＥＣＵ是这一控制系统的核心，它根据节气门位置传感器计算出进气量，依据进气量和发动机转速计算出基本喷油持续时间，然后进行温度、电池电压的修正，得到最佳喷油持续时间以及点火提前角，精确地控制发动机运转。

控制单元（ＥＣＵ）启动之后，首先将ＲＯＭ（ＥＥＰ-ＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ）中的实时操作系统和应用程序读取并装载到内存ＲＡＭ中；之后，系统读取ＲＡＭ中的数据内容，控制逻辑算法根据传感器信号的变化作决策，向执行机构发出控制命令，构成一个完整的信号输入-信号处理-信号输出系统。ＥＣＵ的电路主要由输入信号处理电路、Ａ/Ｄ转换器、微处理器及其外围电路、输出信号控制电路，电源及外部存储器等组成。基于ＣＡＮ总线电喷系统的电子控制单元（ＥＣＵ）逻辑框图。

1.2硬件设计

ＥＣＵ主要完成以下的工作：1）处理传感器输入信号，转变为微处理器能接受的信号，实现点火喷油正时控制；2）存储控制程序和数据表格，分析输入信息、查ＭＡＰ图，实现循环喷油量、目标怠速控制；3）对发动机各种并发事件做出正确判断并及时响应，产生控制命令、诊断故障；4）产生各种参考电压。根据本文确定的ＥＣＵ总体设计方案，控制单元ＥＣＵ的微处理器选用公司推出的低功耗8位单片机ＰＩＣ16Ｆ76-Ｉ/ＳＯ.ＰＩＣ16Ｆ76-Ｉ/ＳＯ拥有精简指令集，执行速度为200ｎｓ。ＣＡＮ控制器采用公司的ＭＣＰ2510，总线驱动器采用ＰＣＡ82Ｃ250，总线隔离电路采用光耦6Ｎ317，模拟信号调理电路采用ＬＦ412。基于ＣＡＮ总线电喷系统的电子控制单元硬件结构。

信号调理电路主要完成对传感器信号放大和限幅的功能，将传感器电路输出的变化范围为2Ｖ左右的直流电压，调理为符合ＰＩＣＭｉｃｒｏ的Ａ/Ｄ接口的电压范围，既不能超过ＡＤ采样的量程，又要有相当的信号精度。单片机通过Ａ/Ｄ采样通道采集传感器的数据。对于数字信号，输入电路则对其进行电平转换后再输入微机。如曲轴位置传感器，其输出信号就是数字信号，输入电路对其输入电平（12Ｖ）进行处理，将其转换为能够被微处理器接收的电平（5Ｖ）。外围设备电路为ＰＩＣ16Ｆ76-Ｉ/ＳＯ最小系统运行所需要的必要外设。ＰＩＣ16Ｆ76-Ｉ/ＳＯ通过ＳＰＩ总线与ＭＣＰ2510进行数据交换，完成ＣＡＮ总线数据包的发送和接收，其接口电路。

其中，ＳＣＫ为ＳＰＩ总线时钟，ＰＩＣ16Ｆ76-Ｉ/ＳＯ的ＳＰＩ接口连接ＭＣＰ2510的ＳＩ、ＳＯ、ＳＣＫ，ＲＡ4与ＲＡ1分别控制ＭＣＰ2510的芯片复位和片选。ＩＮＴ接受ＭＣＰ2510的中断请求。

二、系统软件设计

ＥＣＵ控制系统软件要有效地控制发动机的运行，必须满足两个要求：一是软件具有完备性，即系统软件能够准确地判断发动机的实际运行工况，并能针对某种具体情况做出正确的控制。二是具有良好的实时性，即控制软件能够实时正确地采集发动机的各种信号、更新控制量并且实时地输出控制信号。电控单元控制系统软件设计依据系统化、模块化的原则。

2.1主程序流程

初始化模块向程序中用到的寄存器赋初始值，检测进气压力、节气门开度、蓄电池电压和缸体温度等信息，采集数据，辨识系统状态，建立程序模块的工作顺序，执行相应功能，查ＭＡＰ表得到喷油脉宽和点火提前角，并给出修正。在系统运行的过程中，ＥＣＵ检测到发动机出现异常，会根据检测到的异常数据向上位机发出数据异常警报。

2.2点火喷油控制程序流程图

电喷系统的ＥＣＵ根据由传感器提供的节气门开度信息和转速信息确定基本喷油量和基本点火提前角等，然后根据如缸体温度、进气温度等信息对基本喷油量和基本点火提前角进行修正，得出最终的喷油量和点火提前角等数据。点火喷油控制程序是系统程序设计的核心。控制单元ＥＣＵ点火喷油控制程序流程。

2.3ＣＡＮ接受中断流程

当ＥＣＵ检测到发动机出现异常，会根据检测到的异常参数范围向上位机发出数据异常警报，主动向上位机发出数据帧，该数据存放在缓冲区，在没有收到上位机数据请求的时候，该缓冲区的数据会不断的被新的数据刷新，以保证该节点数据的实时性，中断流程。

2.4ＳＰＩ接口通信

ＰＩＣ16Ｆ76-Ｉ/ＳＯ通过ＳＰＩ接口和ＭＣＰ2510进行数据交换。ＭＣＰ2510与微控制器的串行外设接口（ＳＰＩ）直接相连。外部数据和命令通过ＳＩ引脚传送到器件中，而数据在ＳＣＫ时钟信号的上升沿传送进去。ＭＣＰ2510在ＳＣＫ下降沿通过ＳＯ引脚发送操作的指令字节。以ＰＩＣ16Ｆ76-向ＭＣＰ2510发送读指令为例，来说明ＳＰＩ接口通信过程。在读操作开始时，ＣＳ引脚将被置为低电平。随后读指令和8位地址码（Ａ7～Ａ0）将被依次送入ＭＣＰ251。在接收到读指令和地址码之后，ＭＣＰ2510指定地址寄存器中的数据将被移出通过ＳＯ引脚进行发送。每一数据字节移出后，器件内部的地址指针将自动加一以指向下一地址。因此可以对下一个连续地址寄存器进行读操作。通过该方法可以顺序读取任意一个连续地址寄存器中的数据。通过拉高ＣＳ引脚电平可以结束读操作。

结束语

基于ＣＡＮ总线的电喷系统控制单元ＥＣＵ工作稳定性强、可靠性高且具有体积小、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点，而其成本低廉，器件均为常规元件，有较高的工程价值。该ＥＣＵ拥有ＣＡＮ接口，既可以作为一个独立的摩托车电喷控制系统，也可以作为构成摩托车分布式电喷控制单元测试系统的一个关键部分。ＣＡＮ的上层协议都可以在软件中实现，使得该ＥＣＵ接口灵活，不受上层协议的限制[8]。

参考文献：

[1]熊东.摩托车电喷控制系统的研究2016

[2]颜伏伍.摩托车排放新标准实施的技术对策研究2017

[3]郗相.电控发动机开发系统的研究2016

[4]刘益.摩托车微电子数控点火器基本结构及原理2016