崔巖巖，霍亮生，李響

（北京工商大學機械工程學院，北京100048）

電子控制單元ECU（Electronic Control Unit），又稱“行車電腦”、“車載電腦”等。從用途上講則是汽車專用微機控制器，也叫汽車專用單片機。它和普通的單片機一樣，由微處理器（CPU）、存儲器（ROM、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）以及整形、驅(qū)動等大規(guī)模集成電路組成[1]。

電子控制單元的功用是根據(jù)其內(nèi)存的程序和數(shù)據(jù)對空氣流量計及各種傳感器輸入的信息進行運算、處理、判斷，然后輸出指令，向噴油器提供一定寬度的電脈沖信號以控制噴油量。電控單元由微型計算機、輸入、輸出及控制電路等組成。

在電子控制單元中CPU是核心部分，它具有運算與控制的功能，發(fā)動機在運行時，它采集各傳感器的信號，進行運算，并將運算的結果轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘枺刂票豢貙ο蟮墓ぷ?。它還實行對存儲器（ROM、、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）和其它外部電路的控制；存儲器ROM中存放的程序是經(jīng)過精確計算和大量實驗取的數(shù)據(jù)為基礎，這個固有程序在發(fā)動機工作時，不斷地與采集來的各傳感器的信號進行比較和計算。把比較和計算的結果控制發(fā)動機的點火、空燃比、怠速、廢氣再循環(huán)等多項參數(shù)的控制。

電子控制單元是汽車發(fā)動機的核心部件，其軟硬件的可靠性將直接影響發(fā)動機運行的穩(wěn)定性、排放性和車輛行駛的安全性，因此，ECU的性能檢測至關重要。ECU的檢測系統(tǒng)是將計算機仿真技術與汽車檢測技術相結合，實現(xiàn)發(fā)動機ECU工作環(huán)境的仿真模擬以及各輸出信號的采集與分析[3]。

其信號模擬部分可用于汽車的故障檢測，在懷疑某個傳感器出現(xiàn)故障時，可用ECU模擬系統(tǒng)相關信號代替原傳感器信號，檢測故障是否消失，并判斷故障所在。此外，還可進行ECU工作狀況的檢查以及學習ECU在發(fā)動機不同工況下對噴油和點火的控制方式。

1 系統(tǒng)硬件設計

發(fā)動機ECU測試系統(tǒng)可以根據(jù)需要模擬不同轉(zhuǎn)速下的曲軸位置信號，冷卻液溫度信號、進氣溫度信號、空氣流量信號、節(jié)氣門位置信號、氧傳感器信號等，并將這些信號輸入真車發(fā)動機ECU，再采集ECU輸出給執(zhí)行器的信號并加以分析。硬件結構如圖1所示。

控制器由飛思卡爾（Freescale）公司的MC9SDG128微控制器[2]擔任，該16位控制器擁有豐富的I/O接口以及SCI/SPI/IIC等總線控制器，操作信號通過串行接口發(fā)送和接收。MC9S12系列單片機是MC68HC12系列單片機的更新替代產(chǎn)品。這種單片機的中央處理器CPU12由以下三部分組成：算術邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。CPU外部總線頻率為8 MHz，內(nèi)部運算速度可達25 MHz。尋址方式有16種。內(nèi)部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為16位。它具有很強的高級語言支持功能。

圖1 硬件結構原理Fig.1Hardware construction principle

電源管理電路需產(chǎn)生+5 V以及±12 V穩(wěn)定電壓，為降低成本電源部分采用線性工頻變壓器，輸出端分別經(jīng)LM7812、LM7805和LM7912分別將電壓穩(wěn)壓至+12 V、+5 V和-12 V。

數(shù)控電位器采用的是X95840，它是InterSil公司出產(chǎn)的低噪聲、低功耗、兩線制8位數(shù)控電位器。DAC變換器采用的是AD5624，它是Analog Device公司12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，最高頻率可達5 MHz。運算放大器采用的是AD824，它是將DAC輸出的四路0~5 V電壓放大至-12~+12 V。

系統(tǒng)產(chǎn)生的信號需要經(jīng)過電平變換，轉(zhuǎn)換成RS-232電平，與計算機通信。這里采用MAX3232[6]為核心電平變換電路。其原理圖如圖2所示。

圖2 MAX3232電平變換電路Fig.2Level transform circuit

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的編寫和調(diào)試采用的是Microsoft公司的Visual C++軟件。Visual C++因其擁有方便易用的AppWizard、ClassWizard和豐富的可視化資源編輯工具，成為人機對話界面設計中使用最廣泛的平臺之一。Visual C++擁有強大的集成開發(fā)環(huán)境，在此環(huán)境中用戶可以方便的進行項目管理、編寫C++源程序、編譯、改錯，更重要的是，Visual C++還提供了一套MFC（Microsoft Foundation Classes）的程序類庫[4-5]。

其控制流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程Fig.3System processes

2.1 信號模擬

信號模擬是為發(fā)動機ECU產(chǎn)生各種必要的模擬信號，這些信號等效于汽車傳感器在不同工況下的輸出信號。系統(tǒng)提供兩種生成這些信號所需要數(shù)據(jù)的方法可供選擇。一種是由手動設置給出，一種是選擇關聯(lián)設置。關聯(lián)時，秒表開始計時，各信號參數(shù)根據(jù)汽車動力學在后臺計算。

2.2 信號采集和分析

系統(tǒng)采集發(fā)動機ECU的輸出信號，得到一組相關的測試數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制發(fā)動機ECU噴油脈沖信號和點火控制信號。還可以根據(jù)發(fā)動機ECU的輸出信號計算出頻率、峰-峰值、脈沖寬度、占空比等物理參數(shù)，給出發(fā)動機ECU的噴油時間、噴油量相對變化率、點火提前角等工作參數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)方法

計算機通過串行口向發(fā)動機ECU發(fā)送數(shù)據(jù)，采集到ECU噴油和點火輸出信號，通過串行口將這些數(shù)據(jù)傳給計算機，計算機接收數(shù)據(jù)并繪制圖形。

計算機根據(jù)應采集數(shù)據(jù)個數(shù)收集數(shù)據(jù)，編制成固定格式再發(fā)送。采集的數(shù)據(jù)存放在一個整型數(shù)組里，再轉(zhuǎn)換成VARIANT數(shù)據(jù)類型，計算機通過串口將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)動機ECU中。

數(shù)據(jù)格式：標識參數(shù)名+數(shù)據(jù)+標識參數(shù)名+數(shù)據(jù)……標識參數(shù)名+數(shù)據(jù)。

每兩位表示一個量，前一位指明參數(shù)，后一位給出數(shù)值。

2.4 測試軟件的主工作界面

幾乎所有的Windows應用程序都要借助于對話框來和用戶交流，本測試系統(tǒng)也是如此。對話框是Windows應用程序中常見的元素之一，是用戶與應用程序進行交互的最簡單且最常用的方式之一。一個完整的對話框主要是由對話框資源和對話框類構成，所以創(chuàng)建一個對話框就是創(chuàng)建對話框資源和對話框類的過程。創(chuàng)建對話框資源包括添加對話框模板、修改對話框?qū)傩?，并在對話框中添加各種控件；創(chuàng)建對話框類包括添加控件變量和添加控件消息處理函數(shù)[5]。

界面設計要遵循簡單直觀的原則，這樣操作人員用起來才會得手，減少求助，提高工作效率。本程序的編寫和調(diào)試采用的是Microsoft公司的Visual C++軟件。

測試系統(tǒng)的主界面如圖4所示，各種控制參數(shù)都很直觀的顯示出來，用戶可以直接對一些主要控制參數(shù)做連續(xù)調(diào)整，操作方便。

圖4 測試界面Fig.4Testing interface

2.5 串口通信參數(shù)設置

要實現(xiàn)計算機串行通信的功能，一種較為簡便的方法是使用MSComm（Microsoft Communication Control）通信控件[6]，它提供了標準的事件處理函數(shù)過程，是微軟公司開發(fā)的專門用于串行通信的控件。它是高級語言編寫的串行通信程序和PC串口之間的橋梁。本系統(tǒng)采用的就是這種方法。設置控件的屬性，添加控件的響應代碼，就可以使串口按照要求進行工作。在這個界面，可以進行串口號和波特率的設置。通信參數(shù)設置界面如圖5所示。

圖5 串口參數(shù)設置界面Fig.5Serial parameter settings interface

3 結果顯示

發(fā)動機油路中汽油壓力是一定的。因此噴油器通電時，單位時間的噴油量是一定的。發(fā)動機一個工作循環(huán)噴油量，可通過噴油持續(xù)時間來控制。由于電噴發(fā)動機噴油嘴是通過電磁閥來控制關閉，而發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高，噴油時間很短，噴油器響應快，因此ECU[8]給出的噴油信號是一個很短暫的脈沖信號，這個信號的時間寬度就是噴油脈寬。

點火控制信號實際上就是點火器中功率結晶管的通斷控制信號。它是ECU輸出到點火組件的點火命令信號，也是點火組件計算閉合角的基準信號。點火控制信號輸出后，在活塞位置達到存儲器所記憶的最佳點火時間時，點火控制信號消失，也就是發(fā)出了點火指令，如圖6所示。

圖6 輸出信號圖形Fig.6Output signal graphics

4 結束語

通過對桑塔納2000型[7]轎車發(fā)動機ECU實際測試表明，通過該系統(tǒng)可以方便的將各種信號傳遞到發(fā)動機ECU中，采集發(fā)動機ECU的輸出信號，還可以測試發(fā)動機ECU是否正常工作。其產(chǎn)生的各種傳感器信號可用于實際車輛檢測。此外還可以用于學習和演示不同環(huán)境不同工況下，ECU如何控制發(fā)動機工作。

[1]寇國璦，楊生輝，等.汽車電器與電子控制系統(tǒng)[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2]FreescaleSemiconductor，Inc.MPC564EVBUserManual[EB/OL].（2003-03）[2008-08-12].http://www.freescale.com

[3]麻友良.汽車電路構成與閱讀理解[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4]李翠霞.零基礎學Visual C++[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5]龔建偉.熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6]RAMABADRAN T V，GAITONDE S S.A tutorial on CRC computation[J].IEEE Micro，1998（8）:62-74.

[7]李憲民，等.桑塔納和桑塔納2000轎車的結構與維修[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[8]周建萍,岳繼光.基于小波分析的ECU仿真測試臺信號檢測[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2005（50）：51-52.ZHOU Jian-ping，YUE Ji-guang.Signal checking for ECU simulation testing platform based on wavelet analysis[J].Industrial Instrumentation&Automation，2005（50）：51-52.