中心議題：

• 探究氣動發動機的電控係統設計
• 認識電控係統的核心微處理器

解決方案：

• 設計出氣動發動機電控係統的ECU軟硬件
• 建立基於CAN總線建立的通訊平台

引言

隨著環境汙染、能源危機等全球性問題的日益突出

，代用燃料汽車、電動汽車和混合動力汽車等低排放

、節能經濟型的汽車相繼湧現。它們有各自突出的優點，但同時也有相應的局限。而壓縮空氣動力汽車(Air-powered Vehicle)shiliyonggaoyayasuokongqizaifadongjiqigangneipengzhangzuogong
，tuidonghuosaizuogongduiwaishuchudongli，qudongqichexingshi。bujinyasuokongqilaiyuanfangbian，erqietahaijuyoujiegoujiandan、造價低廉
、清潔環保等眾多優點
；可以實現零排放
，是真正的環保汽車。
本課題將LF162MK改裝成由電控係統控製電磁閥噴射壓縮空氣的氣動發動機。本文進行了基於ATmcga16的氣動發動機電控係統設計
，該電控係統具有靈活、快速和準確等優點，能夠實現對氣動發動機各傳感器的實時測量和對執行器的控製以及PC機上的實時監控。

1 氣動發動機電控係統設計總體方案

氣動發動機電控係統設計包括硬件設計和軟件設計兩部分，係統主要完成以下任務：實時采集發動機狀態參數：實現對特征參數快速精確的計算；實時控製電磁閥噴氣定時和噴氣量；實現數據實時通訊。

氣動發動機電控係統的設計要從係統檢測和控製功能的需求出發，按以下要求進行設計：選擇適當的信號采集方式，選用合理的傳感器，準確地反映發動機各狀態參數；選用合適的控製芯片
，采用低功耗高性能的元器件，簡化電路，提高控製精度；采用模塊化設計方法；係統具有抗振動和抗幹擾性能；驅動模塊具有良好的可靠性和負載能力
；適應車載發動機實際工作環境。

2 氣動發動機電控單元硬件設計

電控單元(ECU)是整個氣動發動機電控係統的核心。它由微控製係統模塊
、輸入信號處理模塊、功率輸出執行模塊和通訊模塊等部分組成。ECU要完成的主要任務有：實時處理傳感器采集的數據，並將采集的數據經A／D轉換、濾波和整形放大，轉換成單片機可以讀取的標準信號；通過數學計算和邏輯判斷製定出控製命令驅動執行器(高速電磁閥)工作
，實現對噴氣定時、噴氣量的準確控製；實現CAN總線實時通訊任務
，從而使發動機保持最佳運行狀態。氣動發動機電控係統總體結構如圖1所示
，包括ATmega16
、信號處理電路、功率驅動電路、通訊電路及傳感器和執行器等，分別完成對氣動發動機的實時檢測、控製和監測的功能。 [page]
2．1 電控係統的核心微處理器

氣動發動機電控係統具有多控製參數、控製算法複雜及實時控製等特點。ECU作zuo為wei整zheng個ge電dian控kong係xi統tong的de核he心xin，它ta不bu但dan要yao對dui發fa動dong機ji各ge數shu據ju信xin號hao采cai集ji和he實shi時shi控kong製zhi，還hai要yao處chu理li各ge信xin號hao之zhi間jian的de關guan係xi以yi及ji噴pen氣qi定ding時shi和he噴pen氣qi量liang的de計ji算suan。另ling外wai，氣qi動dong發fa動dong機ji電dian控kong係xi統tong的de工gong作zuo環huan境jing惡e劣lie，要yao承cheng受shou強qiang烈lie的de振zhen動dong和he強qiang電dian磁ci幹gan擾rao等deng。本ben課ke題ti選xuan用yongATMEL公司開發的ATmega16作為主芯片，它是一款低能耗、低電壓
、高性能的AVR係列微處理器。它具有強大的數據處理功能、豐富的外圍接口和模塊化的功能設計
，完全可以滿足氣動發動機電控係統數據采集、處理、控製和通訊的需求。

2．2 信號采集模塊

為wei實shi現xian發fa動dong機ji實shi時shi檢jian測ce和he控kong製zhi
，傳chuan感gan器qi必bi須xu能neng夠gou準zhun確que地di反fan映ying發fa動dong機ji的de各ge狀zhuang態tai參can數shu
，傳chuan感gan器qi的de選xuan型xing和he傳chuan感gan器qi信xin號hao處chu理li電dian路lu的de設she計ji對dui電dian控kong係xi統tong是shi至zhi關guan重zhong要yao的de。曲qu軸zhou／凸輪軸位置傳感器選用霍爾式傳感器
，它具有對磁場敏感、輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)大(da)和(he)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)長(chang)等(deng)優(you)點(dian)。油(you)門(men)位(wei)置(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)選(xuan)用(yong)電(dian)位(wei)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)，通(tong)過(guo)加(jia)速(su)踏(ta)板(ban)繞(rao)轉(zhuan)軸(zhou)的(de)轉(zhuan)動(dong)
，帶(dai)動(dong)電(dian)位(wei)器(qi)觸(chu)點(dian)的(de)移(yi)動(dong)，使(shi)其(qi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)在(zai)0．5～4．5V間發生變化。信號采集模塊的設計必須保證信號的實時性和準確性，所以在電路設計中要加入大量的濾波和抗幹擾元件。

傳感器所產生的信號分兩種：一種是數字信號，如曲軸／凸輪軸信號，經數字信號處理電路，進行濾波、放大和整形

，轉換成標準的方波信號，分別輸入到ATmega16的輸入捕捉(ICP1)引腳和外部中斷1(INT1)引腳。另一種是模擬信號
，如油門位置信號，經模擬信號處理電路進行濾波後，輸入到ATmega16的AD轉換輸入通道0(ADC0)引腳。

2．3 信號處理模塊

在ATmega16中集成了ADC功能模塊，它是8通道10位的逐次逼近A／D轉換器，0-VCC的ADC輸入電壓範圍。通過AD轉換器可以將模擬信號轉換成單片機可以處理的數字量
，並保存在ADC數據寄存器中。

ATmega16的外部中斷1，通過引腳INT1觸發。中斷可以由下降沿、上升沿
、低電平，或任意邏輯電平變化觸發中斷。當外部中斷使能並且配置為下降沿觸發

，隻要引腳電平為下降沿，中斷就會產生。

T／C1(Timer／counter1)是ATmega16的一個16位(wei)多(duo)功(gong)能(neng)定(ding)時(shi)計(ji)數(shu)器(qi)。它(ta)的(de)輸(shu)入(ru)捕(bu)捉(zhuo)單(dan)元(yuan)可(ke)用(yong)來(lai)捕(bu)獲(huo)外(wai)部(bu)事(shi)件(jian)，並(bing)為(wei)其(qi)賦(fu)予(yu)時(shi)間(jian)標(biao)記(ji)以(yi)說(shuo)明(ming)此(ci)事(shi)件(jian)的(de)發(fa)生(sheng)時(shi)刻(ke)，外(wai)部(bu)事(shi)件(jian)發(fa)生(sheng)的(de)觸(chu)發(fa)信(xin)號(hao)由(you)引(yin)腳(jiao)ICP1輸入。當該引腳上的邏輯電平發生了變化，輸入捕捉被激發：16位的TCNT1數據將被拷貝到輸入捕捉寄存器ICR1，同時引發一個中斷。

氣動發動機電控係統中，經處理電路處理過的曲軸位置和凸輪軸位置信號，接到ICP1和INT1引腳。當相應電平變化時就會觸發曲軸、凸tu輪lun軸zhou中zhong斷duan。凸tu輪lun軸zhou中zhong斷duan子zi程cheng序xu主zhu要yao是shi用yong來lai判pan斷duan壓ya縮suo上shang止zhi點dian位wei置zhi的de。在zai曲qu軸zhou中zhong斷duan函han數shu中zhong，完wan成cheng發fa動dong機ji轉zhuan速su計ji算suan，確que定ding噴pen氣qi定ding時shi，以yi及ji結jie合he油you門men位wei置zhi信xin號hao的deAD轉換值計算噴氣量等，並通過PA7引腳輸出信號控製執行模塊。
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2．4 功率驅動模塊

功gong率lv驅qu動dong模mo塊kuai就jiu是shi將jiang單dan片pian機ji輸shu出chu的de控kong製zhi信xin號hao轉zhuan換huan成cheng電dian磁ci閥fa的de控kong製zhi量liang，並bing實shi現xian對dui電dian磁ci閥fa執zhi行xing相xiang應ying操cao作zuo的de控kong製zhi。高gao速su電dian磁ci閥fa是shi整zheng個ge氣qi動dong發fa動dong機ji控kong製zhi係xi統tong的de執zhi行xing器qi，是shi整zheng個ge係xi統tong的de關guan鍵jian的de部bu件jian之zhi一yi。由you於yu噴pen射she高gao壓ya空kong氣qi，而er且qie要yao求qiu在zai高gao速su下xia完wan成cheng電dian磁ci閥fa的de開kai關guan動dong作zuo。因yin此ci，對dui它ta的de響xiang應ying時shi間jian要yao有you特te殊shu的de要yao求qiu。本ben課ke題ti選xuan用yongSP021高速電磁閥。
圖2所示的是電磁閥功率驅動模塊。其中，P7插座連接高速電磁閥，電磁閥線圈一端連接電源，另一端連接場效應管漏極。Q1是場效應管IRF540
，起放大作用。U6是可控製的光電耦合器件TLP521-1

，它廣泛應用於電路之間的信號傳輸，將ECU與負載隔離，可以增加電路的安全性，減小電路幹擾，簡化電路設計。當ECU發出驅動信號
，光耦導通
，穩壓二極管D10將場效應管Q1的柵極電壓穩定在12V，漏(lou)極(ji)電(dian)流(liu)增(zeng)大(da)，漏(lou)極(ji)電(dian)壓(ya)被(bei)拉(la)低(di)。此(ci)時(shi)，電(dian)磁(ci)閥(fa)線(xian)圈(quan)電(dian)流(liu)增(zeng)大(da)，線(xian)圈(quan)產(chan)生(sheng)強(qiang)大(da)的(de)電(dian)動(dong)勢(shi)
，電(dian)磁(ci)閥(fa)被(bei)打(da)開(kai)。而(er)當(dang)光(guang)耦(ou)截(jie)止(zhi)時(shi)，電(dian)磁(ci)閥(fa)關(guan)閉(bi)，線(xian)圈(quan)中(zhong)電(dian)路(lu)變(bian)化(hua)很(hen)大(da)，會(hui)產(chan)生(sheng)反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)。R20功率電阻和D11肖特基二極管IN5819與電磁閥並聯，防止場效應管被擊穿。

2．5 通訊模塊

氣動發動機的控製係統是極其複雜的，不僅包括轉速、油門位置等信號的采集處理
；還要對電磁閥的噴氣定時和噴氣量完成精確控製等等。另外，氣動汽車上還包括ABS、空kong調tiao係xi統tong和he車che輛liang燈deng光guang等deng模mo塊kuai
，這zhe些xie模mo塊kuai需xu要yao實shi時shi共gong享xiang車che輛liang的de數shu據ju
，以yi達da到dao整zheng車che的de最zui優you控kong製zhi。傳chuan統tong的de電dian氣qi控kong製zhi設she計ji策ce略lve已yi經jing不bu能neng滿man足zu當dang今jin電dian氣qi控kong製zhi網wang絡luo的de需xu要yao
，而erCAN總線的數據通訊具有突出的可靠性、實用性和靈活性等特點。氣動發動機電控係統通訊平台如圖3所示。它具有布線成本低
、通訊速率高和數據傳輸精度高等優勢。 CAN節點原理框圖如圖4所示。本文采用TJA1040高速CAN總線收發器作為CAN協議控製器和物理總線之間的接口，選用Mierochip公司推出的MCP2515作為CAN總線控製器，它符合CAN2．0B技術規範並帶有符合工業標準的SPI串行接口。ATmega16通過同步串行接口SPI與MCP2515之間完成高速的全雙工的同步數據傳輸，MCP2515通過CAN物理接口芯片TJA1040連接到CAN總線上，完成氣動發動機電控係統與PC機等的CAN通訊。
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3 氣動發動機電控單元軟件設計

軟件設計是氣動發動機ECU開發的核心。軟件設計應遵循模塊化和標準化的原則，具有可擴展性；haiyaojuyoulianghaodekangganraonengli，keyishixianziwozhenduanhebaohu，baozhengfadongjiwendingyunxing。qidongfadongjidiankongxitongshiduishijianyaoqiuhenyangedexitong
，taduipenqiyouhenqiangdeshishihejingquedeyaoqiu，zhuyaotongguozhongduanchengxudechufaheqiantaolaishixian。xitongderuanjianshejiliuchengturutu5所示。控製軟件由初始化模塊、中斷模塊和主控模塊組成。初始化模塊主要完成對電控係統狀態參數的設置和配置寄存器等任務
；中斷模塊執行計算轉速和判斷壓縮上止點及控製電磁閥噴氣等任務
；主控模塊完成信號處理、確定噴氣定時和噴氣量以及CAN通訊等。
4 電控係統調試及總結

多次調試和試驗證明，本文設計的氣動發動機電控係統的ECU軟硬件能夠準確檢測出發動機的不同轉速等各參數
；功率驅動模塊工作可靠

，具有良好負載能力
；基於CAN總(zong)線(xian)建(jian)立(li)的(de)通(tong)訊(xun)平(ping)台(tai)能(neng)夠(gou)實(shi)時(shi)監(jian)控(kong)發(fa)動(dong)機(ji)參(can)數(shu)與(yu)狀(zhuang)態(tai)，完(wan)成(cheng)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)。試(shi)驗(yan)還(hai)表(biao)明(ming)噴(pen)氣(qi)壓(ya)力(li)對(dui)氣(qi)動(dong)發(fa)動(dong)機(ji)轉(zhuan)速(su)有(you)很(hen)大(da)影(ying)響(xiang)，在(zai)對(dui)氣(qi)動(dong)發(fa)動(dong)機(ji)電(dian)控(kong)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)完(wan)善(shan)時(shi)，需(xu)要(yao)擴(kuo)展(zhan)噴(pen)氣(qi)壓(ya)力(li)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)，以(yi)保(bao)證(zheng)噴(pen)氣(qi)壓(ya)力(li)穩(wen)定(ding)在(zai)合(he)適(shi)的(de)值(zhi)，減(jian)少(shao)由(you)於(yu)壓(ya)力(li)波(bo)動(dong)對(dui)發(fa)動(dong)機(ji)運(yun)行(xing)造(zao)成(cheng)的(de)不(bu)良(liang)影(ying)響(xiang)。冷(leng)卻(que)水(shui)溫(wen)、penqiwenduhegangneiyalidengcanshuyeduifadongjiyunxingjuyouyidingyingxiang，xuyaoduizhexiecanshujinxingshishijiance，yibianduipenqidingshihepenqiliangdengkongzhicanshuxiuzheng
，shifadongjiyunxingdegengjiawendingheyouhua。