基于FPGA的喷油脉宽处理系统的设计

摘要：由于电控汽油机在燃用不同比例甲醇汽油时受空燃比自适应调整的限制而不能正常运转的问题，提出利用FPGA技术将电控单元输出的喷油脉宽信号进行扩展处理，使得电控汽油机在燃用不同比例甲醇汽油时，空燃比能够维持在理论空燃比附近，从而使得电控汽油机能够正常运转。本系统采用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8N，在Quatus II开发环境中给出硬件设计和功能仿真。经过测试，系统满足对喷油脉宽信号的扩展处理要求且系统性能稳定。
关键词：喷油脉宽；FPGA；Vetilog；PWM

    当今世界面临着石油能源危机和环境污染两大问题。能源与环境问题已成为影响我国乃至世界经济和社会发展的重要因素。因此．积极寻求和发展清洁能源已成为各国的头等大事。改变石油短缺、污染严重的唯一方法，就是减少对石油的依赖，开发绿色高效清洁替代能源。
    随着我国经济的高速发展，汽车数量的快速增加，以及国际原油价格的飞涨，给我国石油需求和环境保护造成了巨大压力，节能减排任务形势严峻。甲醇汽油被看作是汽车的重要替代燃料，但是由于甲醇本身富含氧，致使甲醇汽油的理论空燃比较小。电控汽油机在燃用不同比例的甲醇汽油时，电控燃油喷射系统的自适应调节功能不能完全使发动机能够正常运转。因此需要将电控单元输出的喷油脉宽信号进行扩展处理，使得电控汽油机在燃用不同比例甲醇汽油时，空燃比能够维持在理论空燃比附近从而使发动机能够正常运转。

1 喷油脉宽调整思路
    电喷发动机的燃油喷油量可以用下式计算：
   
    式中M为电喷发动机的燃油喷油量；μ为喷油孔的流量系数；s为喷油孔截面积；t为喷油持续时间；g为重力加速度；ρ为燃油密度；pi为喷油压力；P0为供油压力。由式(1)可知通过改变喷油孔流量系数、喷油孔截面积、供油压力和喷油压力，以及喷油持续时间来改变喷油量的大小，而喷油孔流量系数、喷油孔截面积、供油压力和喷油压力与喷油器本身的尺寸和参数相关，喷油持续时间对于喷油量来说是一个独立的参数。因此采用改变喷油持续时间来改变喷油量，喷油持续时间由汽车的电控单元(ECU)控制。当喷油器中使用中低比例甲醇汽油时，依靠电控燃油喷射系统所具有的自适应控制功能，自行调节喷油脉宽，使发动机能够正常运转。当燃用高比例甲醇汽油时，其自适应调节功能不能满足时就需要对脉宽进行处理，如图1所示。

2 喷油脉宽调整的FPGA程序设计
2．1 Cyclone系列FPGA芯片简介
    Cyclone系列FPGA芯片是Altera公司于2003年推出的中等规模、低成本和高性价比芯片，具有0．13μm工艺，240个管脚，1．5 V的内核供电。内部所含的嵌入式存储器由数十个M4K的存储器构成。每个M4K存储器快具有很强的伸缩性，可以实现：4 068位RAM；200MHz高速性能；真正的双端口存储器；FIFO设计；ROM设计；混合时钟模式等功能。Cyclone器件的电源支持采用内核电压与I／O口电压分开供电的方式，支持多种I／O接口，符合I／O口标准，可以支持差分的I／O口标准。Cyclone器件可以支持最多129个通道的LVDS和RSDS其内部的LVDS缓冲器可以支持高达640 Mbps的数据传输速度，保证了信号的完整性，并具有更低的电磁干扰和电磁兼容性，及更低的电源功耗。
2. 2 系统流程图设计
    根据时序关系可以做出如图2所示流程图。在系统复位后，预置好脉宽参数，判断周期检测标志flag的情况从而启动计数器1工作，在获得输入信号周期后，根据输入的脉宽参数输出预置的pwm波形。

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    2．3 脉宽周期测量模块的描述及仿真
    该模块用于测量输入方波信号的周期，工作原理如图3所示。

    设置一个门控制信号flag(初始值为0)，产生一个与被测信号周期相同的闸门，开始测量周期时，计数器置0，待flag=1时，而且nrst=1时，计数器开始计数，直到flag=0时，停止计数。此时得到计数器的值就是被测方波信号的周期。
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      周期测量模块的仿真结果如图4所示，系统时钟clk_mhz的频率为100 MHz，输入信号s_in的频率为100 kHz，计数器结果为1 000。

2．4 脉宽可调信号输出模块的描述及仿真
    该模块用于输出占空比可调的方波信号，将周期测量模块得到的计数器的值进行左移N位操作(即进行除法运算)。N值由脉宽控制参数确定(本例N值为3)。然后根据脉宽控制参数，输出相应占空比的方波。
   
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     脉宽可调信号输出模块的仿真结果如图5所示，脉宽控制参数select=3，输出信号pwm_out的占空比应为37．5％。

2．5 实验结果及分析
    系统通过综合、仿真和下载，在上海星研电子科技有限公司生产EH2000 FPGA实验箱进行测试。测试时，clk_MHz设置为1MHz，输入信号s_in设置为8Hz。每次设置不同的脉宽参数获的10组输出信号占空比的值然后求其平均值得到实际的占空比值如表1所示。

3 结束语
    文中针对电控汽油机在燃用不同比例甲醇汽油时遇到的喷油脉宽调整问题，提出了基于FPGA的喷油器脉宽处理的设计方案。在Quatus II自带的仿真软件下可以观测到设置不同的脉宽控制参数可以达到输出信号的占空比可调。整个系统下载在实验箱上观测到实际占空比值可以满足对输入信号的脉宽展宽要求。