基于ARM的发动机电控单元的设计与开发

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 8.05MB 74 页 15积分

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基于 ARM 的发动机电控单元的设计与

开发

摘要

近年来，随着国民经济的发展，交通运输事业得到了飞速的发展，城市车辆

剧增，但随之而来的能源供应短缺和环境污染日趋严重，同时环境保护和汽车排

放法规的要求越来越高，这些问题得到人们的广泛重视，采用气体燃料发动机是

解决这些问题一个很好的途径之一。气体燃料发动机以其排放低在全世界得到了

广泛的应用。因此，开发一个低排放的气体燃料发动机是一个非常有意义的课题。

本文所研究的主要内容是 LPG 发动机电子控制单元（ECU）软、硬件设计。发动

机电控单元是汽车电子产品中技术含量最高、最核心的部件，本文提出了一种新

型的 ECU 的研制方案，以 PHLIPS 公司的 32 位ARM 嵌入式微控制器 LPC2294

为主控制器，以实时操作系统 μC/OSⅡ 为软件的开发平台，实现发动机电控单元

的开发。

针对 ECU 的功能要求，本论文完成了 ECU 的原理图和 PCB 设计，包括

LPC2294 微控制器系统的硬件设计、输入电路设计、输出驱动电路设计和通讯电路

设计。由于 ECU 处在高温、振动和强电磁辐射的恶劣环境下运行，系统从硬件和

软件两个方面分别采取了多种抗干扰措施。

通过仿真调试和初步的试验测试，该系统工作稳定可靠，具有良好的实时性，

能够满足发动机功率和排放的要求，其性能达到了预期的效果。因此，本课题的

成功研制具有很强的实用性，而这一技术的应用和推广，将具有非常重要的社会

意义和良好的市场前景。

关键词：ARM μC/OSⅡ 电控单元微控制器实时操作系统

ABSTRACT

With the development of our country economy in recent years, traffic

transportation has developed rapidly, and the vehicles greatly increase, the result is that

the short of energy resource and environment is deeply destroyed, at the same time the

laws of environment protection and cars emission are made, these questions are paid

more attention by people. Gas engine is one of the ways to solve the questions. Gas

engine is widely used all over the world by its low emission. In a word, it is a very

significant research to develop a Gas engine of low emission.

The content of this paper is concluded the hardware and software design of LPG

engine ECU. ECU is the most import part of cars product. A new design of ECU is

provided in this paper. A 32 bits ARM controller LPC2294 of Philips is used as MCU,

and the software is realized based on real-time operation system μC/OSⅡ.

According to the request of ECU function, the paper has finished the design of

SCH and PCB, which includes the hardware design of the LPC2294 MCU, input circuit

design, output circuit design and communication circuit design. As ECU is running in

the environment of high temperature, vibration and electro magnetic interference, a lot

of methods are taken to resist interference from hardware and software respectively.

Proved by simulation and field test, the system works stably and responds in real-

time, which can quietly satisfy the request of engine power and emission. The

performance of the engine is realized as expectation. The success of the experiment has

high value, and its application and spread will greatly benefit to society and good

market foreground.

Key words: ARM, μC/OSⅡ, ECU, MCU, Real-time operation system

目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.....................................................................................................................1
§1.1 课题研究的背景、目的和意义...................................1
§1.2 发动机电控单元的发展趋势.....................................2
§1.3 目前国内外发动机电控单元的研究动态...........................3
§1.4 本课题研究的主要内容和关键技术...............................5
§1.5 本章小结....................................................5
第二章 发动机电控系统概述..........................................................................................6
§2.1 LPG 发动机与柴油机的主要区别.................................6
§2.2 LPG 发动机系统的组成.........................................6
§2.3 LPG 发动机的基本工作原理.....................................7
§2.4 电控系统主要部件简介........................................8
§2.5 控制对象介绍................................................8
§2.6 本文要实现的目标............................................9
§2.7 本章小结....................................................9
第三章 发动机电控单元的硬件设计............................................................................10
§3.1 ECU 处理芯片的选择[12].......................................10
§3.2 发动机电控单元的硬件系统设计................................12
§3.3 硬件控制策略...............................................13
§3.4 ECU 硬件主要单元电路设计....................................13
§3.4.1  LPC2294 微控制器电路.................................13
§3.4.2 电源电路..............................................14
§3.4.3 时钟电路..............................................14
§3.4.4 复位电路..............................................15
§3.4.5 JTAG 接口电路.........................................15
§3.4.6 传感器选择和输入电路设计..............................16
§3.4.7输出控制电路设计......................................22
§3.4.8 通讯电路设计..........................................23
§3.5 硬件抗干扰设计..............................................24
§3.5.1 控制系统的主要干扰源..................................24
§3.5.2 硬件抗干扰措施........................................25

§3.5.3 印制电路板抗干扰设计..................................26

第四章 μC/OS-II 的移植及应用平台的建立................................................................27

§4.1 实时操作系统的选择..........................................27

§4.2 μC/OS-II 概述..............................................28

§4.3μC/OS-II 移植...............................................28

§4.3.1 μC/OS-II 移植条件....................................29

§4.3.2 OS_CPU.H 移植.........................................29

§4.3.3 OS_CPU_A.ASM 移植.....................................31

§4.3.4 OS_CPU_C.C 移植.......................................34

§4.4 基于μC/OS-II 应用系统的建立...............................39

§4.5 小结.......................................................41

第五章发动机电控系统的软件设计............................................................................43

§5. 1 ECU 控制软件多任务机制介绍.................................43

§5.2 基于μC/OS-II 的系统设计....................................44

§5. 2. 1 任务划分原则........................................45

§5. 2. 2 控制软件的总体设计..................................45

§5.3 发动机怠速控制的软件实现...................................52

§5. 3. 1 PID 控制简介........................................52

§5. 3. 2 数字式PID 控制器的设计..............................53

§5. 3. 3 怠速控制程序........................................56

§5.4 软件抗干扰设计..............................................57

第六章发动机电控系统试验和结论............................................................................60

§6.1 试验条件....................................................60

§6.2 试验目标....................................................62

§6.3 试验过程和结论..............................................62

第七章全文总结及系统展望........................................................................................64

§7. 1 结论.......................................................64

§7. 2 进一步的发展方向...........................................64

附录...............................................................................................................................66

参考文献.........................................................................................................................69

第一章绪论

§1.1 课题研究的背景、目的和意义

随着汽车市场的日趋成熟，消费者也把购车参考的重点逐渐从车价转移到汽

车性能、技术及安全性方面，而这方面核心恰恰是汽车电子的体现，再加上新的

汽车政策的出台，国家也开始重视汽车电子尤其是发动机电子的自我开发。汽车

电子与普通电子产品相比，应用环境不一样，对温度、气候等的适应能力要求更

高。同时，不同的汽车厂商对定制的汽车电子产品的要求也不一样。因此，汽车电

子制造商为此付出了相当大的投入，中国大陆汽车电子的基础本来就很薄弱，这

在很大程度上妨碍了汽车电子市场进一步扩大。发动机电控作为汽车电控中的重

要一环，为适应日趋严格的排放、安全法规，已受到国内外汽车厂商的高度重视，

并得到了空前发展。欧美日等国家已经制定了严格的排放限制，要求各汽车厂商

限期达标，否则不准销售。我国政府高度重视这一问题，采纳了欧洲排放标准Ⅱ

和欧洲排放标准Ⅲ，将对我国市场上的汽车实行严格的排放限制，目前已经在北

京等大城市实施欧Ⅲ。

随着汽车保有量增加，汽车尾气对大气污染更趋严重，各国制定的排放法规

日益严格，单靠改进内燃机的燃料系统已很难满足越来越严格的排放法规。再加

上石油供需矛盾加剧，代用燃料汽车技术今年来得到迅速发展。LPG 以其良好的

经济性、低污染排放及易储运等优点而成为汽车良好的代用燃料。国内外已形成巨

大的LPG 汽车市场，到 1995 年12 月世界 LPG 汽车保有量达 400 多万辆。据预测，

2010 年美国LPG 汽车年销售量为 200 万辆。80 年代以来，我国汽车保有量年增长

率为 13％，而汽车相对集中于大中城市，汽车尾气对城市空气造成严重污染，如

北京、上海、广州、杭州等城市的汽车尾气污染已成为首要的大气污染源，采用

LPG 为汽车燃料，是改善尾气排放的捷径。随着人们对环保工作的日益重视，

LPG 汽车的研究与推广工作在我国更为迫切和重要。

然而汽车发动机是一个复杂的机电控制对象，要很好的控制排放实属不易，

目前日韩厂商还有大部分尚未达标，这对于汽车工业刚刚起步的我国汽车行业就

更成为一个道难题，对发动机应用高性能的 ECU（Electronic Control Unit，电子

控制单元），已经成为我国乃至世界汽车行业解决这一难题的关键途径。尤其是

我国加入WTO，面临国外产品即将涌入中国的大环境下，开发具有自主知识产

权的ECU 具有重要意义汽车电子化的程度逐年增加，并已经被看作是衡量一个国

家汽车工业水平的主要标志。

基于ARM 的发动机电控系统的设计与开发

§1.2 发动机电控单元的发展趋势

第一阶段从50 年代到70 年代末期，主要是用电子装置改善部分机械部件的

性能。1960 年美国通用汽车公司采用了 IC 调节器。60 年代中期，汽车上开始采用

晶体管电压调节器和晶体管点火装置，接着又逐步实现其集成化。1967 年德国

BOSCH 公司公布了D-Jetronic 系统(速度密度方式)，并被各个公司所采用，于是

电子控制汽油喷射技术得到了发展。D-Jetronic 系统采用微机控制电磁式喷油器的

开启持续时间，该系统装配于VW1600 型轿车进入美国市场。

第二阶段从70 年代到90 年代中期，汽车电子控制技术初步开始形成。其主要

特点是在汽车大部分零件和汽车总体设计中，重视机电一体化的思想与技术。在

这一阶段中，大规模集成电路的广泛应用减小了电子产品的体积，特别是 8位、

16 位微处理器的广泛应用，更提高了电子系统的可靠性和稳定性。另外，应用电

子装置还解决了机械装置所无法解决的复杂的自动控制问题。1973 年美国通用

(GM)汽车公司采用集成电路(IC)点火装置。这种电路具有结构紧凑、可靠性高、成

本低，耗电少、不需冷却、响应性能好等优点。随后逐渐普及。1974 年美国通用汽

车公司开始装备加大火花塞电极间隙，增强点火能量的高能点火(HEI)系统。同时，

在分电器内装上点火线圈和点火控制电路，力图将点火系统做成一体。1976 年，

美国克莱斯勒公司首先创立了由模拟计算机对发动机点火时刻进行控制的控制系

统。1977 年，美国通用汽车公司开始采用数字式点火时刻控制系统，称为迈塞

(MISAR)系统。该系统体积小，由中央处理器(CPU)、存储器(RAM/ROM)和模数

(A/D)转换器等组成。系统可以根据输入的水温、转速和负荷等信号，计算出最佳

点火时刻，是一种真正的电子控制系统。同年，美国福特汽车公司将这种发动机

上的电子控制系统扩展到能同时控制点火时刻、废气再循环和二次空气喷射的发

动机电子控制系统。之后，日本、欧洲一些国家也相继开发了自己的汽车电子控制

系统。1978 年发动机电子控制系统又增加了化油器的空燃比反馈控制和怠速转速

控制。1979 年德国Bosch 公司推出 LH 系统，美国通用汽车公司推出 C-4 系统，美

国福特汽车公司推出 EEC-3 系统。1979 年开发了能综合控制点火时刻、废气再循

环、空燃比和怠速转速，并具有自我诊断功能的电子式发动机集中控制系统。1980

年日本丰田汽车公司开发了能综合控制喷油、点火时刻和怠速转速，并具有自我

诊断功能的 TCCS 系统。日本三菱汽车公司开发了使用卡尔曼涡旋式空气流量计，

并具有自我诊断功能和后备电路的系统。1990 年以后美国通用、福特和克莱斯勒三

大汽车公司生产的汽车全部采用电控汽油喷射方式供油。欧洲和日本除出口东南

亚的汽车有化油器供油外，其它汽车均采用电控汽油喷射方式供油。

第一章绪论

第三阶段从90 年代中期预计到 2010 年，汽车电子控制技术作为工程技术已

经成熟。在这一阶段中，电子工业为汽车工业提供了大量更先进、灵巧的稳定电源

传感器和具有大容量内存的8位、16 位微处理器、32 位微处理器。汽车的总体设计

将在机电系统协调的基础上进行，并注重汽车机电一体化的整体设计。汽车电子

控制技术的重点将由解决汽车部件或总成的自动控制问题，开始向广泛应用计算

机网络与信息技术发展，使汽车更加自动化、智能化，并向解决汽车与社会融为

一体等问题转移。电子技术的应用范围越来越广，汽车电子设备的成本有的己占

汽车总成本的 1/3，如美国福特汽车公司生产的汽车上最多装有7个微处理器;日

本丰田汽车公司滑翔机牌汽车上己使用24 个微处理器；有的汽车上装有上百个各

类传感器;德国拜尔公司汽车的电子设备占总成本的 37%，美国福特汽车公司占

15%-20%。预计 21 世纪生产的轿车有 90%左右采用微机控制装置。在汽车工业发

达国家，汽车已进入了电子控制时代。目前，国产汽车电子技术的应用多数处于

初级阶段，只有中外合资企业生产的汽车采用电子控制装置，如北京切诺基牌、

一汽奥迪牌、上海桑塔纳牌汽车等。但随着我国轿车工业的发展，汽车电子控制新

技术必然会得到愈来愈广泛的应用。

§1.3 目前国内外发动机电控单元的研究动态

在国外，由博世、西门子VDO 合资组建的ETAS 集团已在市场耕耘多年，

ETAS 集团可为 ECU 从开发到运用和维修的整个生命周期提供一整套开发和诊断

工具，为各种电控单元提供软硬件开发工具，其工具包括了功能开发、实时原型

开发、自动代码生成和 ECU 标定以及诊断。不久前，美国的飞思卡尔半导体公司

与欧洲的意法半导体有限公司（ST）宣布结盟，共建技术队伍，共用技术平台，

共同开拓包括中国在内的亚太市场根据协议，两家公司将联合组建一支微控制器

设计团队，共同利用处理工艺技术，共享知识产权，其中涉及基于Power PC 的

32 位MCU、汽车和导航应用的基本IP、90nm 嵌入式闪存处理技术、高压Power

MOSFET 和IGBT 技术。联合设计的产品将使用Power PC 体系结构，并使用联合

处理工艺技术，从 90 纳米开始，生产MCU 并独立地将产品推向市场，确保产品

的双重来源，并更好地向客户提供这些器件。两家公司共同开发的新型微控制器，

将满足汽车行业对更高功率和智能增强的需求，推动汽车电子系统领域的控制密

集型产品的发展。目标应用包括发动机和传动控制的大流量解决方案、容错系统的

多重处理功能、先进的汽车控制和驾驶信息系统等。

目前，国外在 LPG 汽车发动机技术上的研究完全过渡到电控喷射阶段。由于

国外的排放法规非常严格，都非常重视对排放的要求，所做的一些研究也基本上

基于ARM 的发动机电控系统的设计与开发

是针对降低污染排放的。以美国加州的排放法规为最严历，其中加州大气保护局

(CARB)于1990 年创造性地提出了分阶段分层次实行的标准，过渡降低排放车辆

(TLEV)、低排放车辆(LEV)、超低排放车辆(ULEV)及零排放车辆(ZEV)。低排放车

辆标准于1997 年开始实施，规定当年加州 25％的新车必须达到这一标准，2％的

新车达到超低排放车辆标准，以后逐年增加。就电控喷射汽油车而言，要达到超

低排放车辆标准是非常困难的，所以光靠改进内燃机燃烧系统已很难满足在排放

法规上的要求。由于 LPG 的清洁排放性能被广泛的研究和应用，一方面将用于汽

油机的电控喷射技术移植到LPG 发动机上来；另一方面着手对发动机进行改进，

以适应燃用 LPG 来达到更高的排放要求。国外的研究人员在气体喷射和液态喷射、

单点喷射和多点喷射以及采用闭环的空燃比控制和三元催化装置方面做了广泛的

研究。

在国内，国际半导体产业知名企业德国英飞凌科技有限公司在天津与天津大

学设立了一个研究开发汽车电子先进技术的联合实验室。该实验室不单针对日益

蓬勃的中国汽车市场，也是英飞凌构建全球创新价值链的重要环节。基于英飞凌

单片机的电动汽车主控制器以及车载智能信息单元，已成功投入到天津电动汽车

示范运行。电喷摩托车ECU 已达到国际领先水平，目前已进入产业化准备和推广

阶段。联合实验室已启动了世界先进的“基于32 位微处理器的轿车发动机电子控

制单元”研发，该项目重点围绕基于国际标准体系结构的发动机控制单元软硬件

构架，开展高水平的研发工作。这个电子控制单元将会使轿车发动机降低油耗并

减少二氧化碳排放量。江奎科技有限公司自主研发的汽车电子产品——多功能汽

车发动机电控单元快速开发平台 UECU(Universal Electronic Control Unit)，日前通

过了技术鉴定。江奎科技有限公司自成立后，与江苏大学紧密合作，通过一年多

的研制，终于开发出硬件结构和功能基本与国际同步的汽车电子产品。

嵌入式软件是产业创新的重要驱动力，也决定着每一款车是否具有潜在价值，

市场分额是否有可能增长。在国外 BOSCH 公司己经从传统的结构化设计方法转向

基于ERCOS 操作系统实现的面向对象的开发方法。全球也己开始推行 OSEK/

VDX (Open Systems and the Corresponding Interfaces for Automotive

Electronics/Vehicle Distributed Executive)，OSEK/VDX 规范从实时操作系统

（Real-Time Operating System, RTOS）、软件接口、通讯和网络管理等方面对汽车

的电子控制软件开发平台作了较为全面的定义与规定。在国内的相关研究也取得

了较大进展，上海交通大学在MC68332 单片机平台上设计了适用于发动机控制

系统的实时多任务操作系统，浙江大学针对车用嵌入系统的特点，进行了通用实

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基于ARM的发动机电控单元的设计与开发摘要近年来，随着国民经济的发展，交通运输事业得到了飞速的发展，城市车辆剧增，但随之而来的能源供应短缺和环境污染日趋严重，同时环境保护和汽车排放法规的要求越来越高，这些问题得到人们的广泛重视，采用气体燃料发动机是解决这些问题一个很好的途径之一。气体燃料发动机以其排放低在全世界得到了广泛的应用。因此，开发一个低排放的气体燃料发动机是一个非常有意义的课题。本文所研究的主要内容是LPG发动机电子控制单元（ECU）软、硬件设计。发动机电控单元是汽车电子产品中技术含量最高、最核心的部件，本文提出了一种新型的ECU的研制方案，以PHLIPS公司的32位ARM嵌入式微控制...

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