摘  要：介紹了一種基于FPGA的汽車(chē)油改氣電控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，采用自頂向下模塊化設(shè)計(jì)， 依據(jù)功能將FPGA劃分成幾個(gè)模塊，詳細(xì)論述了各模塊的設(shè)計(jì)方法和控制流程，給出核心模塊的狀態(tài)流程圖及時(shí)序仿真波形。經(jīng)在MATLAB和Quartus II環(huán)境下仿真和實(shí)際電路驗(yàn)證，系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期效果。
關(guān)鍵詞： FPGA；ECU；數(shù)據(jù)采集；通信；Visual C++

    隨著全球資源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境的惡化，汽車(chē)與環(huán)境的相容性研究已經(jīng)成為汽車(chē)發(fā)展研究的主題。天然氣汽車(chē)具有排放污染顯著降低、燃料經(jīng)濟(jì)性好、安全性高、發(fā)動(dòng)機(jī)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是未來(lái)最有前途的一種汽車(chē)燃料。在這種強(qiáng)大的市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)下，油改氣方案勢(shì)在必行，可以根據(jù)汽車(chē)外部采集的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分析、研究與設(shè)計(jì)。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)以FPGA為中心，主要包括以下部分：(1)信號(hào)采集部分：包括一系列的汽車(chē)傳感器，實(shí)時(shí)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)；(2)ECU模塊：系統(tǒng)的控制核心；(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：實(shí)時(shí)執(zhí)行ECU的控制指令，使發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作；(4)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)：完成上下位機(jī)之間異步串行通信，實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

2 FPGA主要模塊實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)汽車(chē)電控單元的需求，設(shè)計(jì)選用的FPGA是ACTEL公司基于非易失性Flash技術(shù)的A3P250器件(100-VQFP)。器件采用了精細(xì)顆粒架構(gòu)VersaTile，具有250K系統(tǒng)門(mén)結(jié)構(gòu)，采用了130 nm的工藝技術(shù)，內(nèi)核電壓1.5 V，時(shí)鐘頻率48 MHz。A3P250是反熔絲的，抗輻射、耐高低溫、功耗低、速度快，應(yīng)用較廣。FPGA功能模塊描述語(yǔ)言主要包括時(shí)鐘邏輯模塊、A/D采樣控制模塊、模糊控制模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、PWM產(chǎn)生模塊、UART通信模塊等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊如圖2所示。

2.1 時(shí)鐘邏輯模塊
    該設(shè)計(jì)中，外部輸入的時(shí)鐘為48 MHz，由于設(shè)計(jì)中需要多種不同的時(shí)鐘信號(hào)， 所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)可根據(jù)采集需要任意分頻的時(shí)鐘邏輯模塊，且必須準(zhǔn)確，才能保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)采用同步時(shí)序電路，它是基于時(shí)鐘觸發(fā)沿設(shè)計(jì)，對(duì)時(shí)鐘的周期、占空比、延時(shí)、抖動(dòng)提出了更高的要求。分頻器是FPGA設(shè)計(jì)中使用頻率非常高的基本單元之一。通過(guò)自主設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)鐘分頻的實(shí)現(xiàn)方法靈活性好，節(jié)省系統(tǒng)硬件資源，而且這種方式只消耗不多的邏輯單元就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘操作的目的。
2.2 采樣控制模塊
    ADC0809轉(zhuǎn)換模塊程序流程圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號(hào)多數(shù)都來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸出信號(hào)，傳感器種類(lèi)不一，致使信號(hào)特性也不同。各通道信號(hào)的幅度與頻率范圍有很大的不同，高精度的、大動(dòng)態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換芯片使設(shè)計(jì)更能滿(mǎn)足測(cè)量的需要， 特別是對(duì)寬頻帶弱信號(hào)的采集顯得尤其必要。本設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換模塊選用了ADC0809和AD1674芯片，ADC0809主要用于節(jié)氣門(mén)信號(hào)采集，兩片AD1674芯片主要用于實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)和設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集。

2.2.1 ADC0809轉(zhuǎn)換控制模塊
    當(dāng)FPGA啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，掃描時(shí)鐘便開(kāi)始工作，同時(shí)掃描周期計(jì)時(shí)器和采樣周期計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。48 MHz時(shí)鐘經(jīng)過(guò)FPGA分頻得到500 kHz的CLK作為ADC0809的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D的控制，采集過(guò)程完全按照A/D的工作時(shí)序。當(dāng)單次A/D采集完成，便立即更新地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。轉(zhuǎn)換完后將按照此次任務(wù)規(guī)定的采集參數(shù)進(jìn)入A/D芯片前的采集模擬電路建起，等待下次采樣周期到來(lái)。
2.2.2 AD1674轉(zhuǎn)換控制模塊
    AD1674是帶有內(nèi)部采樣保持的完全12位逐次逼近(SAR)型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持單極性和雙極性輸入兩種工作方式，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10 μs。根據(jù)實(shí)際工作需要，使用了雙極性輸入方式。AD1674在FPGA的時(shí)鐘信號(hào)clk、復(fù)位信號(hào)rst、狀態(tài)信號(hào)status及控制信號(hào)cs、k12x8、rc、a0的控制下采集數(shù)據(jù)。AD1674轉(zhuǎn)換器模塊是根據(jù)摩爾狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，完成對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)的采樣，F(xiàn)PGA計(jì)算出誤差和誤差變化率，然后查模糊控制表，最后將控制量變換到實(shí)際控制量上。根據(jù)實(shí)際工作需要，采用兩片AD1674，一片采集汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)，另一片采集汽車(chē)設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)。AD1674轉(zhuǎn)換模塊程序流程圖如圖4所示。

2.3 模糊控制模塊設(shè)計(jì)
    在怠速狀況下，盡量使汽車(chē)穩(wěn)定在最低轉(zhuǎn)速以節(jié)省資源并減少排放。設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的汽車(chē)ECU的模糊控制器，只需在線(xiàn)修改模糊控制規(guī)則表就可以做成不同精度和不同控制規(guī)則的模糊控制器，具有通用性，控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。模糊控制模塊由Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，可以隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和移植，非常靈活和方便。模糊控制模塊包含運(yùn)算模塊和模糊控制規(guī)則表模塊。
    運(yùn)算模塊主要是將采集到的汽車(chē)設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)g與采集到的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器反饋信號(hào)f進(jìn)行處理，計(jì)算出汽車(chē)轉(zhuǎn)速誤差e和轉(zhuǎn)速誤差變化率de。圖5所示為運(yùn)算模塊流程圖。

    模糊控制規(guī)則表模塊的功能是把輸入的精確量進(jìn)行尺度變換，變換到相應(yīng)的論域范圍；將已變換到論域范圍的輸入量進(jìn)行模糊化處理，主要是計(jì)算各個(gè)輸入量的隸屬度，為了簡(jiǎn)化處理，將輸入值進(jìn)行均勻量化。確定模糊控制的原則是必須保證模糊控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動(dòng)靜態(tài)特性達(dá)到最佳，既要迅速消除誤差，保證響應(yīng)的的快速性，又要防止產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，汽車(chē)轉(zhuǎn)速誤差為負(fù)大(NB)時(shí)，若誤差變化率為負(fù)中(NM)，這時(shí)汽車(chē)轉(zhuǎn)速還有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)。為了盡快消除已有的負(fù)大誤差，并抑制誤差進(jìn)一步變大，控制量的變化應(yīng)取負(fù)大(NB)，以盡快減小汽車(chē)的轉(zhuǎn)速。模糊控制規(guī)則表如表1所示。

    根據(jù)表1，模糊控制規(guī)則表用Verilog HDL描述如下：
    if ((e==NB)&&(de==NB)) u<=NB；
    else if((e==Z)&&(de==Z)) u<=ZE；
    ……
    總共49條控制規(guī)則，其中NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分別對(duì)應(yīng)一段輸入的誤差、誤差變化率的范圍。還可以對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率論域進(jìn)一步細(xì)分，得到更精確的結(jié)果，仿真結(jié)果如圖6所示。其中，out為輸出的控制量，可以看出變化規(guī)律與理論上模糊控制規(guī)則表一致。

    out對(duì)應(yīng)的是步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，用于后面生成脈沖信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是基于前端的模糊控制模塊輸出信號(hào)控制的，控制單元實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并與設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，開(kāi)大旁通氣道截面，增加進(jìn)氣量，缸內(nèi)的可燃混合氣增多，轉(zhuǎn)速上升；反之，轉(zhuǎn)速高于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，旁通氣閥關(guān)小，缸內(nèi)混合氣減少，轉(zhuǎn)速下降，最終使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近。步進(jìn)電機(jī)的控制程序是基于狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)的，程序流程圖如圖7所示。正轉(zhuǎn)st0->st1->st2->st3->st0，反轉(zhuǎn)st0->st3->st2->st1->st0。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采集到實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，與設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，得到誤差和誤差變化率，再去查模糊控制規(guī)則表，從而形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可見(jiàn)該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)跟蹤的性能和自我校正的功能。

    為了驗(yàn)證系統(tǒng)的效果，在MATLAB中搭建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖8所示。

    由圖8可知，一般情況下工作比較穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定速度的給定值在650 r/min到750 r/min之間，根據(jù)無(wú)負(fù)荷自動(dòng)變換，系統(tǒng)可以快速跟蹤其變化。當(dāng)有干擾時(shí)，加入階躍分別在100和155，可以看出經(jīng)過(guò)干擾以后，由于負(fù)荷的變化，轉(zhuǎn)速突然下降20 r/min，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調(diào)節(jié)后，很快就上升到原來(lái)的穩(wěn)定值。仿真結(jié)果表明：采用模糊控制方法不僅有效，而且降低轉(zhuǎn)速的波動(dòng)幅度，進(jìn)一步提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性，初步顯示了模糊控制的良好效果；同時(shí)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，為下一步實(shí)際應(yīng)用，改善汽車(chē)的排放性，提高燃?xì)饫寐蚀蛳铝肆己玫幕A(chǔ)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
2.4 PWM產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)
    噴氣PWM波脈寬產(chǎn)生是根據(jù)查表法實(shí)現(xiàn)的。FPGA采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算求出某時(shí)刻對(duì)應(yīng)的噴氣脈寬對(duì)應(yīng)的地址，輸出相應(yīng)的PWM波。
    為了適應(yīng)各種不同的噴氣設(shè)備，ECU出來(lái)的四路PWM波設(shè)計(jì)為根據(jù)實(shí)際情況可以隨時(shí)調(diào)整。特點(diǎn)為：(1)四個(gè)缸的工作頻率及占空比是一樣的，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，在汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下T0為10~35 ms。(2)頻率會(huì)根據(jù)油門(mén)的開(kāi)閉大小變化，不固定。(3)脈沖為-12 V電平。(4)特殊情況，在汽車(chē)轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000轉(zhuǎn)時(shí)，波形發(fā)生變化，脈沖有交錯(cuò)。根據(jù)燃?xì)獾氖褂眯Чl(fā)現(xiàn)只要把原先的脈寬T1適當(dāng)縮短，縮短的時(shí)間可調(diào)，就能達(dá)到最佳的效果。不過(guò)，脈沖的起始時(shí)間不能變；頻率是根據(jù)氣門(mén)的變化而變化的。在油改氣的時(shí)候，頻率不能變。
    PWM測(cè)量和減短仿真圖如圖9所示，圖中虛線(xiàn)豎條的時(shí)間間隔為1.310 75 ms，為了明顯起見(jiàn)，在圖中固定減去了1.5 ms輸出，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，這個(gè)值可以根據(jù)需要，通過(guò)電位器將電壓輸入至FPGA器件，根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

2.5 通信模塊以及仿真結(jié)果
    根據(jù)RS232異步串行通信的幀格式，在FPGA發(fā)送模塊中采用的每一幀格式為：1位開(kāi)始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，波特率為9 600 b/s。由設(shè)置的波特率可以算出分頻系數(shù)，具體算法為分頻系數(shù)X=CLK/(BOUND×2)。串行數(shù)據(jù)通信仿真圖如圖10所示。

    該系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，通過(guò)模糊控制為噴氣裝置產(chǎn)生了包含點(diǎn)火時(shí)間以及噴氣脈寬的PWM波，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)采集轉(zhuǎn)速信號(hào)和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度信號(hào)并通過(guò)UART傳送到上位機(jī)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。
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