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。

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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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