基于arm的汽车pi点火系统及点火方法
【专利摘要】本发明提供一种基于ARM的汽车PI点火系统及点火方法，本发明涉及汽车点火及点火提前角时刻的校准。所采用ARM核心控制器代替传统单片机控制，上位机上修改数据完成ECU内部存储器的数据传输与控制。本发明完成了ECU点火控制系统的硬件电路设计。硬件电路设计包括三大部分，传感器前向通道电路设计，微处理器点火的控制策略设计，点火执行器后向通道电路设计等。介绍了汽车电控点火系统主要的数据采集传感器和外围电路的功能。分析了发动机多点顺序点火控制策略、最优点火提前角的爆震控制策略以及控制系统抗扰设计。后向通道设计了点火执行机构的系统框图和点火线圈驱动电路。
【专利说明】基于ARM的汽车Pl点火系统及点火方法
[0001]
【技术领域】：本方法涉及从一种基于ARM的汽车PI点火系统及点火方法，本设计涉 及汽车发动机的热效率、改善燃油的经济性和降低有害气体排放。具体公开一种用32位 ARM处理器代替传统单片机完成的ECU的PI点火控制功能。
【背景技术】 [0002] ：目前，国内大多数汽车企业仍处于电子技术的起步阶段。只有少数厂 家，主要是在一些合资汽车上，开始研究和发展使用电子控制装置。由于ECU技术是各大汽 车企业核心商业机密，一直处于黑匣子状态。我国生产的中高档轿车的发动机虽然基本上 都采用了电控技术，但由于我国汽车工业早期实行技术引进策略，因此几乎没有电控发动 机自主知识产权，均属于引进国外电控发动机生产线或电控系统。
[0003] ECU点火的控制，通常包括点火时刻控制、爆震控制和点火能量的控制三个方面。 微处理器点火系统在增大点火能量的情况下，PI控制逼近最佳的点火提前角能有效提高发 动机的热效率，改善燃油的经济性，同时降低有害尾气排放。因为发动机汽缸内的油气混 合物燃烧需要一定的时间，所以在压缩冲程的油气混合物不应在上止点处点燃，点火时刻 应适当提前，使得混合物在活塞运行到上止点时得到充分燃烧，从而使发动机达到更大功 率。点火时刻一般用火花塞发出火花开始到活塞达到上止点位置这一段时间内曲轴转过的 角度来表示，形象的称作点火提前角。当点火提前角过大，混合物的整个燃烧过程在压缩行 程中完成，发动机汽缸内气体膨胀压力急剧升高，在当活塞达到上止点前即达到最大，使活 塞受到高压气体反冲，活塞被推动做负功，导致发动机功率下降，转速不稳定，甚至产生爆 震。当点火提前角过小，活塞达到上止点时才出现电火花，则混合物的燃烧主要在活塞做功 行程中进行，因而气缸内最高燃烧压力降低，热能量做有效功的比例相对减小，导致功率下 降。
【发明内容】
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[0004] 发明目的：本发明提供一种基于ARM的汽车PI点火系统及点火方法，其目的是解 决以往的方式所存在的弊端。
[0005] 技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0006] -种基于ARM的汽车PI点火系统，其特征在于：该系统包括微控制器、爆震电荷信 号转换电路、爆震信号带通滤波电路、爆震传感器外围电路、冷却水温传感器外围电路、曲 轴位置传感器外围电路、凸轮位置传感器电路和点火驱动电路；爆震传感器外围电路、冷却 水温传感器外围电路、曲轴位置传感器外围电路、凸轮位置传感器电路及点火驱动电路均 连接至微控制器；爆震电荷信号转换电路连接至爆震信号带通滤波电路，爆震信号带通滤 波电路连接爆震传感器外围电路。
[0007] 微控制器包括ADC电路、CLOCK电路、Timer电路、JTAG电路和DM电路；
[0008] 爆震电荷信号转换电路包括爆震微处理器AD521、第九电阻R9、第十电阻R10、上 可调电阻RG和下电阻RS，爆震微处理器内设置有运算放大器，运算放大器的输出端接至爆 震微处理器的第七脚，运算放大器的同相输出端接至爆震微处理器的第一脚，运算放大器 的反向输入端爆震微处理器的第三脚，第九电阻R9接至爆震微处理器的第二脚和第十四 脚，第十电阻RlO爆震微处理器的第一脚和第三脚，上可调电阻RG的两固定端接至爆震微 处理器的的第四脚和第六脚，上可调电阻RG的活动端接至爆震微处理器的第五脚，下电阻 RS连接至爆震微处理器的第十脚和第十三脚。
[0009] 爆震信号带通滤波电路包括滤波运算放大器、第四十二可调电阻R42、第四十三可 调电阻R43、第四十四电阻R44、第四十五电阻R45、第四十二电容C42和第四i^一电容C41 ; 滤波运算放大器的同相输出端通过第四十一电容C41和四十一可调电阻R41连接至爆震电 荷信号转换电路的爆震微处理器第七脚；第四十二电容C42串联第四十三可调电阻R43,第 四十三可调电阻R43串联第四十四电阻R44,第四十四电阻R44接至滤波运算放大器的反向 输入端，第四十五电阻R45 -方面接至第四十二可调电阻R42,另一方面接至滤波运算放大 器的反向输入端；第四十二电容C42也接至第四十二可调电阻R42,第四十二可调电阻R42 接至滤波运算放大器的同相输出端。
[0010] 冷却水温传感器外围电路包括NTC热敏传感器、电容、电阻及两个运算放大器，第 一个NTC热敏传感器接至第一个运算放大器的反向输入端，第二个NTC热敏传感器通过第 一冷却电容接至第一个运算放大器的反向输入端，第一冷却电阻一方面接至第一冷却电 容，另一方面接至第二冷却电阻，第二冷却电阻接至第一个运算放大器的同相输出端，第三 冷却电阻一方面连接第二冷却电阻，另一方面接至第二个运算放大器的反向输入端，第二 冷却电容一方面接至第一个运算放大器的同相输出端，另一方面通过第四冷却电阻接至第 二个运算放大器的反向输入端，第一个运算放大器的输出端通过第四冷却电阻接至第二个 运算放大器的反向输入端，第三冷却电容接至第一冷却电容和第二个运算放大器的反向输 入端；第一个运算放大器的反向输入端通过第五冷却电阻接至第二个运算放大器的正极， 第六冷却电阻一方面接至第二个运算放大器的同相输出端，另一方面连接第一冷却电容和 第四冷却电容，第四冷却电容接至微控制器，第五冷却电容一方面连接至第二个运算放大 器的同向输入端，另一方面通过第六冷却电阻接至微控制器，第七冷却电阻一方面接至第 二个运算放大器的同向输入端，另一方面通过第六冷却电阻接至微控制器。
[0011] 爆震传感器外围电路包括两个爆震运算放大器、第二二极管D2、第一电容C1、两 组双向稳压管和第一稳压二极管Dl ;第一爆震运算放大器的同向输入端接至冷却水温传 感器的第二个运算放大器的输出端；第一爆震运算放大器的反向输入端和输出端接至第 二二极管D2,第二二极管D2接至第二爆震运算放大器的同向输入端，两组双向稳压管并联 后与第一电容Cl并联，然后接至第二爆震运算放大器的同向输入端，第二爆震运算放大器 的反向输入端与输出端接至微控制器ADC的第十七脚U17,第一稳压二极管Dl接至微控制 器ADC的第十七脚U17。
[0012] 曲轴位置传感器外围电路包括两个曲轴位置传感器、曲轴运算放大器、多个电阻、 多个电容和双向触发二极管；第一曲轴位置传感器通过第一曲轴电阻接至曲轴运算放大 器的反向输入端，第二曲轴位置传感器连接第二曲轴电阻和第三曲轴电阻，第二曲轴电阻 与第一曲轴位置传感器共同连接至曲轴运算放大器的反向输入端，第三曲轴电阻接至曲轴 运算放大器的同向输入端，双向触发二极管两端分别接至曲轴运算放大器的同向输入端和 反向输入端，第四曲轴电阻一端接至曲轴运算放大器的反向输入端另一端通过第五曲轴电 阻接至微控制器HMER电路的第六脚J6,第一曲轴电容接至曲轴运算放大器的同向输入 端、反向输入端和负极，第二曲轴电容接至曲轴运算放大器的同向输入端和负极，第六曲轴 电阻接至曲轴运算放大器的同向输入端和负极，曲轴运算放大器的输出端接至微控制器 HMER电路的第六脚J6。
[0013] 凸轮位置传感器电路包括凸轮轴位置传感器、电阻和光电耦合器，凸轮轴位置传 感器通过第一凸轮电阻连接至光电耦合器，光电耦合器同第二凸轮电阻一起连接至微控制 器HMER电路的第五脚J5。
[0014] 在微控制器clock路上还连接有石英晶体振荡器和电容，石英晶体振荡器连接至 clock电路的第十四脚G14和第十五脚G15,两个电容分别连接至clock电路的第十四脚 G14和第十五脚G15。
[0015] 利用上述的基于ARM的汽车PI点火系统所实施的点火方法，其特征在于：
[0016] 本方法采用多路分支调用各功能模块，ECU主程序多点顺序点火，点火模块爆震率 反馈PI控制点火提前角等功能，电控系统根据传感器输出信号经过放大后的峰值电压Vp 作为爆震的评价指标，ECU检测到的爆震电压Vp-般随发动机转速而改变，每个采样周期， 当\大于爆震判断基准电压V。时，控制单元判断汽油机发生爆震，ECU对爆震次数累积计 数，当V/j、于爆震判断基准时，控制单元判断没有发生爆震，ECU对临近100次点火的爆震 比率进行计算，将爆震率数字量输入CPU，将实际数据和ECU储存器标定的数据进行比较， 判断爆震产生的强度，当爆震率大于理想爆燃率时，ECU点火程序根据误差e的大小PI调 节减小点火提前角，点火提前角控制在15°C A以内，当爆震率小于理想爆燃率时，ECU根据 误差e的大小PI调节加大点火角度从10°C A逐渐逼近15°C A ;
[0017] 基本点火提前角有发动机转速和负载经过ECU计算确定，基本点火提前角跟转速 和负载成非线性关系，引入比例积分环节控制修正量目的是为了提高控制速率，消除静态 误差，提高控制精度，PI调节器是线性调节器，PI控制是将实测爆震率N b作为输入量与理 想爆燃率Nb。进行比较构成控制偏差e，并将其比例、积分通过线性组合构成控制量优化点 火提前角，发动机提前角改变，使爆震率改变，就构成了反馈闭环控制，每个工作循环ECU 根据爆震强度准确快速地控制发动机在临爆状态下，达到最佳点火提前角的控制；
[0018] 爆震反馈PI控制点火提前角公式如（1)所示：
[0019]
【权利要求】
1. 一种基于ARM的汽车PI点火系统，其特征在于：该系统包括微控制器、爆震电荷信 号转换电路、爆震信号带通滤波电路、爆震传感器外围电路、冷却水温传感器外围电路、曲 轴位置传感器外围电路、凸轮位置传感器电路和点火驱动电路；爆震传感器外围电路、冷却 水温传感器外围电路、曲轴位置传感器外围电路、凸轮位置传感器电路及点火驱动电路均 连接至微控制器；爆震电荷信号转换电路连接至爆震信号带通滤波电路，爆震信号带通滤 波电路连接爆震传感器外围电路。
2. 根据权利要求1所述的基于ARM的汽车PI点火系统，其特征在于：微控制器包括ADC 电路、CLOCK电路、Timer电路、JTAG电路和DMA电路； 爆震电荷信号转换电路包括爆震微处理器（AD521)、第九电阻（R9)、第十电阻（RlO)、 上可调电阻（RG)和下电阻（RS)，爆震微处理器内设置有运算放大器，运算放大器的输出端 接至爆震微处理器的第七脚，运算放大器的同相输出端接至爆震微处理器的第一脚，运算 放大器的反向输入端爆震微处理器的第三脚，第九电阻（R9)接至爆震微处理器的第二脚 和第十四脚，第十电阻（RlO)爆震微处理器的第一脚和第三脚，上可调电阻（RG)的两固定 端接至爆震微处理器的的第四脚和第六脚，上可调电阻（RG)的活动端接至爆震微处理器 的第五脚，下电阻（RS)连接至爆震微处理器的第十脚和第十三脚。
3. 根据权利要求2所述的基于ARM的汽车PI点火系统，其特征在于：爆震信号带通 滤波电路包括滤波运算放大器、第四十二可调电阻（R42)、第四十三可调电阻（R43)、第 四十四电阻（R44)、第四十五电阻（R45)、第四十二电容（C42)和第四十一电容（C41);滤 波运算放大器的同相输出端通过第四十一电容（C41)和四十一可调电阻（R41)连接至爆 震电荷信号转换电路的爆震微处理器第七脚；第四十二电容（C42)串联第四十三可调电阻 (R43)，第四十三可调电阻（R43)串联第四十四电阻（R44)，第四十四电阻（R44)接至滤波 运算放大器的反向输入端，第四十五电阻（R45) -方面接至第四十二可调电阻（R42)，另 一方面接至滤波运算放大器的反向输入端；第四十二电容（C42)也接至第四十二可调电阻 (R42)，第四十二可调电阻（R42)接至滤波运算放大器的同相输出端。
4. 根据权利要求3所述的基于ARM的汽车PI点火系统，其特征在于：冷却水温传感 器外围电路包括NTC热敏传感器、电容、电阻及两个运算放大器，第一个NTC热敏传感器接 至第一个运算放大器的反向输入端，第二个NTC热敏传感器通过第一冷却电容接至第一个 运算放大器的反向输入端，第一冷却电阻一方面接至第一冷却电容，另一方面接至第二冷 却电阻，第二冷却电阻接至第一个运算放大器的同相输出端，第三冷却电阻一方面连接第 二冷却电阻，另一方面接至第二个运算放大器的反向输入端，第二冷却电容一方面接至第 一个运算放大器的同相输出端，另一方面通过第四冷却电阻接至第二个运算放大器的反向 输入端，第一个运算放大器的输出端通过第四冷却电阻接至第二个运算放大器的反向输入 端，第三冷却电容接至第一冷却电容和第二个运算放大器的反向输入端；第一个运算放大 器的反向输入端通过第五冷却电阻接至第二个运算放大器的正极，第六冷却电阻一方面接 至第二个运算放大器的同相输出端，另一方面连接第一冷却电容和第四冷却电容，第四冷 却电容接至微控制器，第五冷却电容一方面连接至第二个运算放大器的同向输入端，另一 方面通过第六冷却电阻接至微控制器，第七冷却电阻一方面接至第二个运算放大器的同向 输入端，另一方面通过第六冷却电阻接至微控制器。
5. 根据权利要求4所述的基于ARM的汽车PI点火系统，其特征在于：爆震传感器外 围电路包括两个爆震运算放大器、第二二极管（D2)、第一电容（Cl)、两组双向稳压管和第 一稳压二极管（Dl);第一爆震运算放大器的同向输入端接至冷却水温传感器的第二个运 算放大器的输出端；第一爆震运算放大器的反向输入端和输出端接至第二二极管（D2)，第 二二极管（D2)接至第二爆震运算放大器的同向输入端，两组双向稳压管并联后与第一电 容（Cl)并联，然后接至第二爆震运算放大器的同向输入端，第二爆震运算放大器的反向输 入端与输出端接至微控制器ADC的第十七脚（U17)，第一稳压二极管（Dl)接至微控制器 ADC的第十七脚（U17)。
6. 根据权利要求5所述的基于ARM的汽车PI点火系统，其特征在于：曲轴位置传感器 外围电路包括两个曲轴位置传感器、曲轴运算放大器、多个电阻、多个电容和双向触发二极 管；第一曲轴位置传感器通过第一曲轴电阻接至曲轴运算放大器的反向输入端，第二曲轴 位置传感器连接第二曲轴电阻和第三曲轴电阻，第二曲轴电阻与第一曲轴位置传感器共同 连接至曲轴运算放大器的反向输入端，第三曲轴电阻接至曲轴运算放大器的同向输入端， 双向触发二极管两端分别接至曲轴运算放大器的同向输入端和反向输入端，第四曲轴电阻 一端接至曲轴运算放大器的反向输入端另一端通过第五曲轴电阻接至微控制器TMER电 路的第六脚（J6)，第一曲轴电容接至曲轴运算放大器的同向输入端、反向输入端和负极，第 二曲轴电容接至曲轴运算放大器的同向输入端和负极，第六曲轴电阻接至曲轴运算放大器 的同向输入端和负极，曲轴运算放大器的输出端接至微控制器TIMER电路的第六脚（J6)。
7. 根据权利要求6所述的基于ARM的汽车PI点火系统，其特征在于：凸轮位置传感 器电路包括凸轮轴位置传感器、电阻和光电耦合器，凸轮轴位置传感器通过第一凸轮电阻 连接至光电耦合器，光电耦合器同第二凸轮电阻一起连接至微控制器TMER电路的第五脚 (J5)。
8. 根据权利要求2所述的基于ARM的汽车PI点火系统，其特征在于：在微控制器 clock路上还连接有石英晶体振荡器和电容，石英晶体振荡器连接至clock电路的第十四 脚（G14)和第十五脚（G15)，两个电容分别连接至clock电路的第十四脚（G14)和第十五脚 (G15)。
9. 利用权利要求2所述的基于ARM的汽车PI点火系统所实施的点火方法，其特征在 于： 本方法采用多路分支调用各功能模块，ECU主程序多点顺序点火，点火模块爆震率反馈PI控制点火提前角等功能，电控系统根据传感器输出信号经过放大后的峰值电压Vp作为 爆震的评价指标，ECU检测到的爆震电压Vp-般随发动机转速而改变，每个采样周期，当Vp 大于爆震判断基准电压V。时，控制单元判断汽油机发生爆震，ECU对爆震次数累积计数，当 V/J、于爆震判断基准时，控制单元判断没有发生爆震，ECU对临近100次点火的爆震比率进 行计算，将爆震率数字量输入CPU，将实际数据和ECU储存器标定的数据进行比较，判断爆 震产生的强度，当爆震率大于理想爆燃率时，ECU点火程序根据误差e的大小PI调节减小 点火提前角，点火提前角控制在15°CA以内，当爆震率小于理想爆燃率时，ECU根据误差e 的大小PI调节加大点火角度从10°CA逐渐逼近15°CA; 基本点火提前角有发动机转速和负载经过ECU计算确定，基本点火提前角跟转速和负 载成非线性关系，引入比例积分环节控制修正量目的是为了提高控制速率，消除静态误差， 提高控制精度，PI调节器是线性调节器，PI控制是将实测爆震率Nb作为输入量与理想爆燃 率Nb。进行比较构成控制偏差e，并将其比例、积分通过线性组合构成控制量优化点火提前 角，发动机提前角改变，使爆震率改变，就构成了反馈闭环控制，每个工作循环ECU根据爆 震强度准确快速地控制发动机在临爆状态下，达到最佳点火提前角的控制； 爆震反馈PI控制点火提前角公式如（1)所示：
式中：e为最佳点火提前角，单位为°CA; Utl为基本点火提前角，由发动机的转速和负荷确定； Kp为比例系数； Nb为实测到得爆震率； Nb。为理想爆燃率； Ti为积分时间常数； e为实际爆震率与理想爆燃率的误差（e=Nb-NJ; 主程序运行时调用若干功能模块，完成了C语言与汇编语言的调用，ECU软件设计对输 出端口定义，便于功能的扩展和系统的更新。在ADS中编写程序，编译生成二进制的bin文 件，NorFlash模式下烧写到NandFlash存储器中，NandFlash存储器支持程序掉电非遗 失。
10.根据权利要求9所述的点火方法，其特征在于：从传感器输入的信号首先进入前向 通道电路，输入的信号都要经过输入回路处理才能变成E⑶的输入脉冲信号；爆震传感器 采集的信号经爆震电荷信号转换电路、爆震信号带通滤波电路、爆震传感器外围电路输入 ECU的模拟量接口AINl;NTC热敏传感器采集经水温传感器外围电路输入ECU的模拟量接 口AINO;曲轴位置传感器外围电路和凸轮位置传感器电路输入ECU数据寄存器GPBO、GPBl 接口；E⑶后向通道设计为多点电控点火分配4个寄存器GPB5、GPB6、GPB7、GPB8传送点火 数据；点火信号经过驱动电路放大，实现每个气缸内点火线圈的点火； ARM开发板上K2到K5管脚出厂设置为低电平有效，用K2到K5管脚分别控制4个气缸 点火，实现1缸一3缸一4缸一2缸的点火次序，GPB[10:0]是11位通用IO口，气缸一内的 点火线圈对应核心板DM存储器的的K2引脚，气缸二内的点火线圈对应核心板ChipSelect 存储器的L5引脚，气缸三内的点火线圈对应核心板DM存储器的K7引脚；气缸四内的点火 线圈对应核心板DM存储器的GPB8引脚； 主函数中定义GPBCON寄存器的控制位功能，二进制码从第11位到第18位依次设置为 01010101，配置K2到K5为多点顺序点火输出端口；端口上拉寄存器GPBUP配置端口是否禁 用，ARM9处理器IO口都是多功能端口，屏蔽掉无用位防止功能设置的跳转和误操作；GPBUP 设置相应二进制位为〇时，向上拉连接到相应的端口引脚功能是启用的；设置相应二进制 位为1时；向上拉连接到相应的端口引脚功能是禁止的；数据存储寄存器GPBDAT配置端口 输出数据，GPB相应的管脚设置为0时信号输出，设置为1时管脚无数据； 1缸点火信号接K2引脚GPBDAT[10:0]第6位二进制位使能上拉，给管脚K2输出点火 信号； 3缸点火信号接K7引脚GPBDAT[10:0]第8位二进制位使能上拉，给管脚K7输出点火 信号； 4缸点火信号接K5引脚GPBDAT[10:0]第9位二进制位使能上拉，给管脚K5输出点火 信号； 2缸点火信号接L5引脚GPBDAT[10:0]第7位二进制位使能上拉，给管脚L5输出点火 信号。
【文档编号】F02P5/152GK104500309SQ201410514483
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】乔旭, 刘大鹏, 关荣喜, 刘宝平, 关怀忠, 罗勉军, 杜金洋, 万家龙 申请人:辽宁际华三五二三特种装备有限公司