发动机喷射过程控制 IP 核 技术领域 本发明涉及一种发动机的电子燃油喷射系统 (electronic fuel injection， EFI) 中的电子控制单元 (electronic control unit， ECU)， 例如用于船用或车用发动机。
背景技术 发 动 机 的 EFI 系 统 可 以 划 分 为 三 个 子 系 统， 分别是 ： 燃 油 传 送 子 系 统 (fuel delivery system)、 进气子系统 (air induction system) 和电子控制子系统 (electronic control system)。其中， 电子控制子系统包括 ECU、 各种传感器、 燃油喷射器总成 (fuel injector assembly) 等。
目 前， 发 动 机 EFI 系 统 中 的 ECU 一 般 选 用 单 片 机 (microcontroller， 微控制 器 )。该 ECU 中具有极其复杂的软件以便实现多种功能， 例如进行发动机的喷射过程控制 (injection process control， IPC) 的算法就与其他控制算法一同在单片机内实现。
随着发动机控制精度要求日益提高以及控制功能日益复杂， 单片机的运算处理能 力已难以胜任处理大量信息的要求。
发明内容 本发明所要解决的技术问题是提供一种发动机喷射过程控制 IP 核， 用于精确控 制电控喷油器 ( 电控喷油泵 ) 的电磁阀的激励时刻和激励时间。
为解决上述技术问题， 本发明发动机喷射过程控制 IP 核为现场可编程门阵列 (field programmable gate array， FPGA) 中的一个知识产权核 (intellectual property core， IP core， IP 核 )， 实现对发动机喷油电磁阀控制中控制脉冲的正确发送， 具体包括 ：
- 输入信号处理模块， 用于将输入信号转换为供其他模块直接使用的信号 ；
- 高压输出模块， 用于控制外部高压输出电路的选通 ；
- 缸选通模块， 用于对喷油缸进行选通 ；
- 斩波控制模块， 用于输出斩波电压。
传统的发动机的 EFI 系统中的 ECU 为单片机， 发动机的 IPC 模块为该单片机中的 一个软件模块。由于单片机需要实现包括 IPC 在内的多项功能， 并且单片机只具有串行计 算能力， 因此 IPC 模块的运算能力受到很大的限制。
本发明的整体思路是将发动机的 EFI 系统中的 ECU 设计为一个 FPGA 硬件， ECU 中 的每个功能模块设计为该 FPGA 中的一个个 IP 核。这样发动机的 IPC 模块就成为一个具体 的硬件——IPC 装置， 即该 FPGA 中的一个 IP 核。FPGA 硬件具有并行计算能力， 一方面可以 简化软件代码设计， 另一方面可使整个 IPC 装置功能架构清晰、 并增强了系统运行的可靠 性。
附图说明
图 1 是一种新型的发动机的 ECU 的系统框图 ；图 2 是本发明发动机的 IPC 装置的结构示意图一 ； 图 3 是本发明发动机的 IPC 装置的结构示意图二 ； 图 4 是本发明发动机的 IPC 装置的部分输入信号的示意图。具体实施方式
请参阅图 1， 一种新型的发动机的 EFI 系统中的 ECU 采用 FPGA 实现， 包括 ：
- 处理器 ；
- 总线 ；
- 数字时钟管理器 (digital clock manager， DCM)， 输出时钟信号 ；
- 发动机位置获取 (engine position acquisition， EPA) 模块， 根据输入的曲轴 信号和凸轮轴信号， 输出表征发动机当前位置的相位信号和发动机转速信号 ；
- 喷射过程控制模块， 根据输入的表征发动机当前位置的相位信号， 输出发动机喷 油脉冲控制信号 ；
- 模数转换控制 (analog to digital control， ADC) 模块， 控制外部模数转换芯 片进行信号的模数转换 ； 所述 EPA 模块、 IPC 模块、 ADC 模块均支持中断工作方式 ；
- 中断控制器， 对所有中断信号管理， 实现对处理器中断信号的输出。
所述处理器、 DCM、 EPA 模块、 IPC 模块、 ADC 模块、 中断控制器均以 IP 核的形式挂接 到所述总线。
本发明所述发动机的 IPC 装置即对应于上述发动机的 EFI 系统中的 ECU 中的 IPC 模块， 即一个 FPGA 中的 IP 核 ( 硬件 )。请参阅图 2， 本发明发动机的 IPC 装置包括 ：
- 输入信号处理模块 ； 该模块主要用于对输入信号的再加工， 即根据输入信号生 成可供其他模块直接使用的信号。 具体而言， 该模块将输入的第一缸压缩上止点信号、 各缸 压缩上止点信号、 处理后的曲轴信号、 高分辨率的微齿信号、 喷油正时模式信号、 喷油正时 信号缓冲区信号进行处理， 然后输出喷油正时起点信号、 喷油正时脉冲宽度信号、 喷油正时 阶段信号、 喷油缸信号。其中， 喷油正时起点例如指喷油脉冲的上升沿位置。
- 高压输出模块 ； 该模块的主要功能是提供高压控制部分外围电路中的电荷泵的 升压过程控制。通过该模块统一地制定升压方案和升压脉冲供给， 将各个缸的高压控制协 调一致。具体而言， 该模块将输入的高压切换时间信号、 高压选通真值表信号、 喷油正时起 点信号、 喷油正时脉冲宽度信号、 喷油正时阶段信号、 喷油缸信号进行处理， 然后输出高压 选通信号。
- 缸选通模块 ； 该模块的主要功能是对喷油缸进行选通。具体而言， 该模块根据输 入的缸选通真值表信号、 喷油正时起点信号、 喷油正时脉冲宽度信号进行处理， 然后输出缸 选通信号， 实现对喷油缸的喷油控制。
- 斩波控制模块 ； 该模块的主要功能是斩波控制。斩波的控制就是指在高压的升 压过程完成后， 切断 110V 的电压供给， 转而提供稳定的 24V 低压以进行流过电磁阀电流的 控制。具体而言， 该模块将输入的斩波切换时间信号、 斩波电压阈值信号、 喷油正时起点信 号进行处理， 然后输出斩波峰值和谷值信号， 该斩波峰值和谷值信号经过进一步处理后输 出斩波电压比较值信号。
图 2 中的输入信号包括 ：
- 第一缸压缩上止点信号 ： 该信号标识发动机工作循环的起点。
- 各缸压缩上止点信号 ： 该信号标识各缸压缩上止点。
- 处理后的曲轴信号 ： 标识曲轴转角信息的信号。
以上三个信号如图 4 所示。
- 高分辨率的微齿信号 ： 标识曲轴转角信息的精细信号， 例如精度为 0.1 度。
- 当前喷油缸信号 ： 判断当前喷油缸。
- 喷油正时信号缓冲区信号 ： 当前工作循环下各缸的喷油时刻和持续期 ( 包括预 喷、 主喷和后喷 )。
- 高压切换信号 ： 定义高压切换的时间。
- 斩波切换信号 ： 定义不同斩波阈值切换的时间。
- 斩波电压阈值信号 ： 定义不同的斩波阈值。
- 喷油正时模式信号 ： 喷油正时信号产生的模式信息， 定义不同的喷油正时时刻 计算方法。如通过第一缸压缩上止点与高分辨率微齿信号计算， 还可以通过第一缸压缩上 止点、 处理后曲轴信号与高分辨率微齿信号计算。
- 高压选通真值表 ： 可以控制多个高压模块， 通过该真值表， 定义各个高压模块选 通的数值。
- 缸选通真值表 ： 控制 3 片三八译码器， 最多控制 20 缸喷油信号。通过该真值表， 定义各个缸的选通值。
图 2 中的输出信号包括 ：
- 高压选通信号 ： 通过输出该信号控制高压电源的通断。
- 缸选通信号 ： 用于选通某一缸喷油器进行喷油的控制信号。
- 斩波电压比较值 ： 根据输入的电压斩波限制值， 输出对应的控制信号给外围 AD 模块。
图 2 所示为构成本发明发动机的 IPC 装置的最基本系统， 其主要实现了对电控喷 油器的电磁阀激励时刻和激励时间的控制。对电磁阀的控制分为两个阶段 ： 高压打开阶段 和低压维持阶段。高压打开阶段， 输入高电压， 使得流过电磁阀线圈电流增大， 保证电磁阀 及时响应、 快速打开。低压维持阶段， 输入低电压， 使得电磁阀维持开启状态。在高压和低 压输入后， 都必须保证流过电磁阀的电流分别维持在不同的阈值范围内， 通过 IPC 装置在 这两个阶段分别输出不同的斩波电压比较值， 给外围比较电路， 实现斩波控制， 保证电流波 动在一定的范围内。各个缸喷油的选通， 通过缸选通模块确定。
为保证最多 20 缸的喷油能力， 本发明发动机的 IPC 装置还可设置多个高压模块， 通过高压选通信号， 确定当前使用哪个高压模块， 产生高电压提供给电磁阀。
在图 2 的基础之上， 本发明发动机的 IPC 装置还可以增加电磁阀检测模块， 实现对 电磁阀的碰响实验和检测， 如图 3 所示。
其中新增加的电磁阀检测模块的主要功能就是对电磁阀进行检测。 通过外围电路 截获的电磁阀电流值经转化后变为电压值比较的结果以反馈的形式输入至喷射过程控制 模块。通过和两个标定量 Tl 和 Th(Tl 表明流过电磁线圈的电流， 上升到指定电流值的最短 时间， 如果小于该时间， 则判定电磁线圈短路 ； Th 表明流过电磁线圈的电流， 上升到指定电流值的最长时间， 如果大于该时间， 则判定电磁线圈断路。 ) 比较， 以确认这个反馈的升压值 达到额定要求的时间是否在规定范围内。如果不在规定范围内， 则产生一个中断信号同时 将对应的缸和短断路信息写入错误寄存器中。
具体而言， 所述电磁阀检测模块将输入的喷油正时起点信号、 电磁阀诊断信息信 号、 电磁阀检测反馈信号进行处理， 然后输出电磁阀参考电压值、 电磁阀故障中断信号、 电 磁阀诊断结果信号。所述电磁阀参考电压值进入比较器， 与斩波控制模块输出至比较器的 斩波峰值和谷值信号进行比较后， 比较器输出斩波电压比较值。
图 3 中新增加的输入信号包括 ：
- 喷响试验使能信号 ： 来自应用层， 起动相关碰响功能函数。
- 喷响试验脉宽信号 ： 定义喷响试验对应电磁阀的控制脉宽。
- 喷响试验脉宽间隔信号 ： 定义喷响试验对应电磁阀的动作的间隔时间。
- 电磁阀诊断信息信号 ： 该缓冲区内保存通过标定得到的两个时间基准值 Tl 和 Th， 电磁阀检测比较值。这三个值用于电磁阀诊断碰响实验相关信息缓冲区。
- 电磁阀检测反馈信号 ： 来自外围电路的反馈脉冲信号， 标志电磁阀电流到达指 定值的时刻。 图 3 中新增加的输出信号包括 ：
- 电磁阀故障中断信号 ： 在诊断过程中， 检测出电磁阀故障 ( 短路或断路故障 ) 后， 发出中断信号， 提供给上层应用程序。
- 电磁阀诊断结果信号 ： 表示电磁阀诊断结果。
综上所述， 本发明发动机的 IPC 装置为 FPGA 中的一个 IP 核， 其可以完全取代传统 单片机的软件模块， 并具有硬件架构清晰、 软件代码简单、 系统运行可靠的优点。