专利名称：集成多种发动机控制ip核的控制单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机的电子燃油喷射(electronic fuel injection, EFI)系 统，例如用于船用或车用发动机，特别是涉及一种发动机的电子燃油喷射系统中的电子控 制单兀(electroni c control unit，ECU)。
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)禾口电子控制子系统(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 —般选用单片机(microcontroller，微控制器)。 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。例如对缸内燃烧过程控制时，必须在发动机燃烧过程极短时间 内(微秒级)采集并处理相关信息并进行逐缸控制。同时，作为特殊应用集成电路(application specific integrated circuit, ASIC)的单片机也有一些“先天”不足。例如单片机的生命周期和发动机的生命周期不一 致，可能导致单片机停产后给发动机维修带来不便；在电子控制子系统小批量生产时，这一 矛盾尤为突出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发动机的电子控制子系统的ECU，不仅具 有较快的运算速度，而且便于维修更换。为解决上述技术问题，本发明集成多种发动机控制IP核的控制单元采用现场可 编程逻辑门阵列(field programmable gate array，FPGA)，包括-处理器；_ 总线；-数字时钟管理器(digitalclock manager，DCM)，输出时钟信号；-发动机位置获取(engineposition 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(injectionprocess control, IPC)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(analogto digital control, ADC)模块，控制外部模数转换芯 片进行信号的模数转换；所述发动机位置获取模块、喷射过程控制模块、模数转换控制模块均支持中断工 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。
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所述处理器、数字时钟管理器、发动机位置获取模块、喷射过程控制模块、模数转 换控制模块、中断控制器均以知识产权核(intellectual property core, IP core，IP核) 的形式挂接到所述总线。本发明发动机的ECU可以利用FPGA的硬件并行计算能力，从而大大提高ECU的计 算速度。本发明发动机的ECU还将各功能模块相分离，并将各功能模块固化为FPGA硬件(IP 核)，以芯片级提供应用，从而使得整个系统呈现模块化和层次化，降低了软件实现的复杂 程度，有利于提升系统运行的稳定性，有利于加快开发调试和维修维护速度。
图1是本发明发动机的E⑶的系统框图一；图2是本发明发动机的E⑶的系统框图二 ；图3是本发明发动机的ECU中EPA模块的输入输出示意图；图4是本发明发动机的E⑶中IPC模块的输入输出示意图；图5是本发明发动机的E⑶中ADC模块的输入输出示意图；图6是本发明发动机的E⑶中DAC模块的示意图；图7是本发明发动机的ECU中看门狗模块的示意图；图8是本发明发动机的ECU中触点及拨码开关IP核的示意图；图9是本发明发动机的ECU中高速开关控制器IP核的示意图；图10是本发明发动机的ECU中高速开关控制器IP核以4路组合输出的示意图；图11是本发明发动机的ECU中继电器触点输出IP核的示意图。
具体实施例方式请参阅图1，本发明发动机的E⑶包括-处理器；-总线；-DCM，向各个IP核输出时钟信号；-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息；-IPC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；-ADC模块，控制外部AD (模数转换)芯片按不同的采集模式，将输入的模拟信号转 换为数字信号输出；所述采集模式包括按发动机角度同步模式、按时间同步模式和软件 触发同步模式；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，管理所有IP核产生的中断信号，并根据不同的优先级，发送中断信 号给处理器。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。图1中的各模块构成了本发明发动机的ECU的最基本系统。其中处理器进行运算处理，DCM为各个IP核提供所有相关时钟信号。EPA模块获取发动机的正确的相位信号、转 速信号和对应转速传感器的检测结果，它将对应的信息提供给ADC模块和IPC模块。ADC模 块可以通过相位同步、软件触发同步或定时触发同步模式进行外部模拟量数据的采集，并 交由外部AD芯片进行模数转换后返回该ECU系统。IPC模块根据应用层(即该ECU硬件系 统之上的软件)要求，读取EPA模块输出的相位信号，实现对应缸的喷油正时信号的发出， 从而控制外部驱动电路，实现喷油器的喷射控制。在此基础上，本发明发动机的ECU还可以增加若干附加模块，请参阅图2。图2中 还包括数模转换控制(DAC，digital to analog control)模块、高速开关控制器、串行外围 接口(serial peripheral interface，SPI)模块、SRAM控制器、看门狗模块、继电器触点输 出模块、触点与拨码开关等模块，这些新增的模块也是以IP核的形式连接到该ECU系统之 中的总线。在图2中，处理器、DCM、EPA模块、ADC模块、IPC模块之间的协同工作关系同图 1介绍一致，用来完成基本的电子燃油喷射控制。其他各模块相互独立，可以新增一个或多 个，分别用于实现不同的扩展功能。DAC模块控制外围的DA转换芯片实现数模转换。高速 开关控制器，产生复杂PWM(脉宽调制)波形，控制电机、电磁阀等外部对象。SPI模块为标 准IP核，实现对SPI接口芯片控制。SRAM控制器为标准IP核，实现对SRAM芯片的控制。 看门狗模块，实现对控制器复位、程序检测等的看门狗功能。继电器触点输出模块，控制继 电器吸合、断开。触点及拨码开关模块，实现对开关量信号的读取。图1或图2所示的本发明发动机的ECU均为硬件。在硬件基础上可以运行软件， 所述软件由底层到高层包括驱动程序(device driver)、操作系统、用户应用软件等。这 些软件也被统一称为应用层。传统的发动机EFI系统中的ECU采用单片机，该单片机以软件方式处理各功能模 块的输入、输出、计算。本发明ECU采用FPGA，并将ECU的各功能模块均固化为FPGA的一个 个IP核。为了保证实时性，所有IP核均支持中断工作方式。显然本发明显著提升了 ECU 的运算速度。本发明ECU的硬件构成采用以总线互连为基础的扁平架构，即处理器和所有的IP 核均连接到同一级高速总线(例如PLB总线)上，以便提高整体响应速度。所有IP事务处 理均采用中断方式，结合中断控制器的优先级裁决处理，相比传统的查询方式提高了处理 效率。此外，利用FPGA的可编程逻辑可以方便的配置各IP核之间的直接通信接口，使得一 些处理可以不依赖处理器自动进行，这进一步减轻了处理器的运算任务。这些改进使得处 理器可以完成数据采集和控制处理之外的一些运算密集型任务。以xilinx公司的FPGA为例，本发明ECU中，处理器可以采用MicroBlaze软 核处理器(sofe-core processor)，总线可以采用PLB总线，DCM可以采用xinlinx EDK(Embedded Development Kit，嵌入式开发套件)开发套件中的DCM的标准IP核。DCM模块的功能是为整个系统提供所需的时钟输出，避免由各个IP核独立进行时 钟分频带来的相位偏差和资源浪费。例如可以直接采用FPGA厂商在EDK中提供的已有DCM 的IP核，通常厂商提供的DCM模块可以提供时钟的同步、移相、分频、倍频和去抖动等功能。中断控制器的功能是合理调度各个IP核的中断信号(中断请求)，并按照优先级 分配有限的处理器运算资源。例如可以直接采用FPGA厂商在EDK中提供的已有中断控制 器的IP核。
EPA模块实现发动机当前位置的获取，请参阅图3，其根据输入的曲轴信号、凸轮 轴信号和时钟信号，进行容错处理后转化为表征发动机当前位置的相位信号和发动机转速 信号并输出。EPA模块输出的表征发动机当前位置的相位信号包括首缸压缩上止点信号、 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。EPA模块输出的发动机转 速信号包括当前喷油缸、曲轴各齿间周期、凸轮轴各齿间周期、故障信号、中断信号。IPC模块将EPA模块输出的部分表征发动机当前位置的相位信号作为输入信号， 结合寄存器和BRAM(片内RAM)空间中的数据信息，计算并输出表征发动机喷油脉冲时刻、 长度和周期的发动机喷油脉冲控制信号。请参阅图4，IPC模块的输入信号包括两部分。第 一部分是表征发动机当前位置的相位信号，包括首缸压缩上止点信号、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、喷油正时信号缓冲区。第二部 分是处理器根据用户应用程序计算出的检测信息和标定量信息，这些信息存储在IPC模块 的寄存器和BRAM空间中，这些信息包括高压切换时间、高压选通真值表、当前喷油缸、缸 选通真值表、斩波切换时间、斩波电压阈值。IPC模块输出的发动机喷油脉冲控制信号将转 化为对应的硬件输出配置信号和选通信号，驱动和控制相关硬件的响应。IPC模块输出的发 动机喷油脉冲控制信号包括高压选通信号、缸选通信号、斩波电压比较值。在控制正常喷射过程的同时，IPC模块还可以根据程序设定进行电磁阀碰响实验 和故障诊断，检测电磁阀的结果由特定的寄存器记录并生成相应的中断信号用以和上层应 用程序进行交互。此时IPC模块额外增加的输入信号包括碰响试验使能信号、碰响试验脉 宽信号、碰响试验脉宽间隔信号、电磁阀诊断信息、电磁阀检测反馈信号。此时IPC模块额 外增加的输出信号包括电磁阀故障中断信号、电磁阀诊断结果信号。ADC模块，实现对外部AD转换芯片的控制，主要用于对压力信号，温度信号等模拟 量进行采集，将采集信号交由外部AD芯片进行模数转换后发送给应用层。请参阅图5，ADC 模块的输入信号包括来自EPA模块的首缸压缩上止点信号、处理后的曲轴信号；来自外部 AD(模数转换)芯片的串行数据；和来自应用层的工作模式设定。ADC模块的输出信号包 括输出给应用层的采样数字值、采样完成中断信号、采样过载错误中断信号；输出给外部 AD芯片的片选信号和时钟信号。ADC模块根据应用层的要求，对外部AD芯片进行不同同步 模式的数据采集，并进行对应的信号滤波。所述同步模式包括软件触发模式、定时采集模 式、角度同步模式，由所述“工作模式设定”信号确定。除以上EPA模块、IPC模块和ADC模块之外，本发明E⑶中涉及的看门狗、高速开 关控制器、DAC模块、继电器触点输出、触点及拨码开关等IP核都是根据外部控制芯片的不 同，开发不同的IP核，如果EDK内有对应的标准IP核，也可直接采用。这些IP核都较为简 单，以下作简单介绍。DAC模块的主要功能是控制外围DA(数模转换)芯片，实现数模转换，输出电流或 电压模拟量信号。请参阅图6，DAC模块包括DA控制输出模块及相应的控制寄存器。PLB上 的信号经过PLB接口模块转换后，存入控制寄存器DACR中。控制寄存器中的值包括DA的 输出使能、DA输出通路选择、DA的输出数据。DA控制输出模块读取控制寄存器中的值，产 生两路符合外部DA芯片时序的信号，输出至外围电路。DAC模块的输入信号包括-数据转换缓冲区定义一个数据寄存器，记录要转换的通道，转换数值，转换使能。-转换使能应用层通过发送转换使能命令给IP核，启动对应AD芯片进行数据转 换。以上信号通过应用层保存在DA寄存器内。DAC模块的输出信号包括-DA_SYNC同步信号DA芯片的工作使能和同步信号。-DA_SCLK时钟信号DA芯片与IP核通讯时钟信号。-DA_DIN数据信号DA芯片接受来自IP核的通讯串行数据。看门狗模块的主要功能是接受外围监控芯片的复位信号，对整个ECU系统进行复 位。请参阅图7，看门狗模块包括是脉冲产生模块、Pr0C_SyS_reSet模块和相应寄存器(控 制寄存器、状态寄存器)。看门狗模块的输入信号包括-清WDT信号该信号来自应用层，在看门狗限定时刻内给出的喂狗信号。-WDT使能信号来自应用层，是否使能WDT的定时看门狗复位功能。以上两个信号都保存在控制寄存器内。-WDT_Rst复位信号来自外部监控芯片，为复位请求信号。看门狗模块的输出信号包括-WDT_Impluse喂狗信号看门狗模块接受到清WDT信号后，该IP核发出有效时钟沿。-WDT_Ctrl使能信号根据系统设定，IP核发出对应电平信号，使能或者关闭外部 监控芯片的看门狗监控功能。-系统复位信号通过pr0C_SyS_reSet模块发出的对应复位信号，包括核(处理 器)复位、总线复位、外设(即各个IP核)复位等，该信号保存在状态寄存器内。看门狗模 块通过该寄存器相应位的状态，对核、总线、外设进行对应的复位或不复位动作。触点及拨码开关模块的主要功能是对触点开关、拨码开关等开关量的采集。请参 阅图8，触点及拨码开关模块包括分频模块、代码截取模块和相应寄存器(控制寄存器、状 态寄存器)。触点及拨码开关模块的输入信号包括-外围芯片使能信号应用层控制外围芯片是否工作，即控制片选CS引脚。IP核 内定义一个一位状态位，应用层通过配置该位，表示控制芯片CS是否选通。该信号保存在 控制寄存器内。-Reg_S0[23:0] :SPI通讯引脚，串行数据输出接口。-Switch_INT :MC33993 输出中断信号。触点及拨码开关模块的输出信号包括-触点及拨码开关状态缓冲区该IP核将接收到的信息保存到状态寄存器中，记 录各路触点和拨码开关的状态。-状态变化位在发出“状态变化中断信号”的同时，通过定义一个5位寄存器，记
录当前变化的哪路开关量。以上信号保存在状态寄存器内，方便应用层读取。
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-Switch_Ctrl 片选信号。-Switch_SI[23:0] :SPI通讯引脚，数据输入信号。-Switch_Clk =SPI 通讯始终引脚。高速开关控制器的主要功能是让FPGA发出PWM(脉宽调制)信号，然后通过外部 功率驱动器件驱动电机、油泵、电磁阀等部件工作。请参阅图9，高速开关控制器包括高速开 关寄存器及PWM控制输出模块。PLB总线上的信号经由PLB接口存入高速开关寄存器中。 PWM控制输出模块根据高速开关寄存器中的值，产生4路PWM高速开关信号输出。该高速开关控制器IP核可以工作在两种模式下单路控制模式及四路组合输出 模式；并且可以输出两种不同的波形。高速开关控制器的输入信号包括-PWM信号输出通道选择根据工作模式，IP控制任一通道的工作，各通道启动关 闭互相独立。各路的输出启动关闭控制在PWM方波输出控制寄存器中设置。-PWM模块工作模式该信号由上层软件设定。上层软件可在工作模式中设定各路 PWM通道的输出波形，各通道的启动、关闭方式、相位差等。以上两种信号通过应用层设定保存在高速开关寄存器内。高速开关控制器的输出信号包括-PWM_outl 根据工作模式设定，输出相应波形，各通道互相独立。当该路信号关闭 时，输出电平为低电平。-PWM_out2 根据工作模式设定，输出相应波形，各通道互相独立。当该路信号关闭 时，输出电平为低电平。-PWM_out3 根据工作模式设定，输出相应波形，各通道互相独立。当该路信号关闭 时，输出电平为低电平。-PWM_out4 根据工作模式设定，输出相应波形，各通道互相独立。当该路信号关闭 时，输出电平为低电平。高速开关控制器的工作模式定义_单路控制模式在该模式下，各输出通道的启动、关闭由上层软件单独控制，各 路通道互相独立。在工作模式中分别设置各通道的输出波形。-多路组合输出控制模式在该模式下，软件控制多路路PWM通道同时启动和同时 关闭。要求在工作模式中设置各通道的输出波形，及各通道的相对相位差。请参阅图10，这是以4路为例对多路组合输出控制模式进行说明的示意图。当4 路组合输出时，各路之间就会有相应的相位差，al、a2、a3分别表示第2路、第3路、第4路 输出信号与第1路输出信号之间的相位差继电器触点输出模块的主要功能是是对继电器吸合或断开的控制。请参阅图11， 继电器触点输出模块包括分频模块、数据处理模块和相应寄存器(控制寄存器、状态寄存 器)O继电器触点输出模块的输入信号包括-输出使能应用层发送命令给IP核，在对应寄存器位置位，告知IP核有进行对 应某路继电器进行吸合和断开。-输出数据缓冲区定义一个寄存器，通过应用层写入，要对某路继电器进行何种动作。以上两种信号都通过应用层保存在控制寄存器内。继电器触点输出IP核的输出信号包括_RE_SClk:外部控制芯片时钟信号。-RE_DIN[7:0]输出给外部芯片的数据；-RE_STB 信号同步。综上所述，本发明发动机的ECU摆脱了传统的单片机及其复杂的软件，转而采用 IP核构架的FPGA，通过将各个功能模块独立形成为硬件的IP核，不仅大大提高了计算速 度，减轻了 FPGA中处理器的负担，而且便于维护和管理，有利于对该ECU进行进一步的调
试ο以上所提供的各个IP核的结构、输入输出等均为示例性质，在本发明所公开的思 想基础上，本领域的一般技术人员可以做出等同替换，这些均应属于本发明的保护范围之 内。
权利要求
一种集成多种发动机控制IP核的控制单元，其特征是，采用现场可编程逻辑门阵列，包括 处理器； 总线； 数字时钟管理器，输出时钟信号； 发动机位置获取模块，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； 模数转换控制模块，控制外部模数转换芯片进行信号的模数转换；所述发动机位置获取模块、喷射过程控制模块、模数转换控制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、数字时钟管理器、发动机位置获取模块、喷射过程控制模块、模数转换控制模块、中断控制器均以知识产权核的形式挂接到所述总线。
2.根据权利要求1所述的集成多种发动机控制IP核的控制单元，其特征是，还包括如 下模块中的一个或多个-数模转换控制模块，控制外部数模转换芯片实现信号的数模转换；-高速开关控制器，产生脉宽调制信号控制外部对象；-串行外围接口模块，对外部的串行外围接口芯片进行控制；-SRAM控制器，对外部的SRAM芯片进行控制；_看门狗模块，实现对所述电子控制单元进行复位、检测；-继电器触点输出模块，控制外部继电器吸合、断开；-触点与拨码开关模块，实现对开关量信号的读取；所述数模转换控制模块、高速开关控制器、串行外围接口模块、SRAM控制器、看门狗模 块、继电器触点输出模块、触点与拨码开关模块均以知识产权核的形式连接到所述电子控 制单元中。
全文摘要
本发明公开了一种集成多种发动机控制IP核的控制单元，采用FPGA，包括处理器；总线；DCM，输出时钟信号；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；IPC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；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。本发明利用FPGA硬件，从而大大提高计算速度。
文档编号F02D41/26GK101936234SQ20101023364
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者凌励逊, 姜春宇, 张岳, 王昌庆, 金江善 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所