基于FPGA的噴油脈寬處理系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：由于電控汽油機在燃用不同比例甲醇汽油時受空燃比自適應(yīng)調(diào)整的限制而不能正常運轉(zhuǎn)的問題，提出利用FPGA技術(shù)將電控單元輸出的噴油脈寬信號進行擴展處理，使得電控汽油機在燃用不同比例甲醇汽油時，空燃比能夠維持在理論空燃比附近，從而使得電控汽油機能夠正常運轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)采用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8N，在Quatus II開發(fā)環(huán)境中給出硬件設(shè)計和功能仿真。經(jīng)過測試，系統(tǒng)滿足對噴油脈寬信號的擴展處理要求且系統(tǒng)性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：噴油脈寬；FPGA；Vetilog；PWM

當(dāng)今世界面臨著石油能源危機和環(huán)境污染兩大問題。能源與環(huán)境問題已成為影響我國乃至世界經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素。因此．積極尋求和發(fā)展清潔能源已成為各國的頭等大事。改變石油短缺、污染嚴(yán)重的唯一方法，就是減少對石油的依賴，開發(fā)綠色高效清潔替代能源。
隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，汽車數(shù)量的快速增加，以及國際原油價格的飛漲，給我國石油需求和環(huán)境保護造成了巨大壓力，節(jié)能減排任務(wù)形勢嚴(yán)峻。甲醇汽油被看作是汽車的重要替代燃料，但是由于甲醇本身富含氧，致使甲醇汽油的理論空燃比較小。電控汽油機在燃用不同比例的甲醇汽油時，電控燃油噴射系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能不能完全使發(fā)動機能夠正常運轉(zhuǎn)。因此需要將電控單元輸出的噴油脈寬信號進行擴展處理，使得電控汽油機在燃用不同比例甲醇汽油時，空燃比能夠維持在理論空燃比附近從而使發(fā)動機能夠正常運轉(zhuǎn)。

1 噴油脈寬調(diào)整思路
電噴發(fā)動機的燃油噴油量可以用下式計算：

式中M為電噴發(fā)動機的燃油噴油量；μ為噴油孔的流量系數(shù)；s為噴油孔截面積；t為噴油持續(xù)時間；g為重力加速度；ρ為燃油密度；pi為噴油壓力；P0為供油壓力。由式(1)可知通過改變噴油孔流量系數(shù)、噴油孔截面積、供油壓力和噴油壓力，以及噴油持續(xù)時間來改變噴油量的大小，而噴油孔流量系數(shù)、噴油孔截面積、供油壓力和噴油壓力與噴油器本身的尺寸和參數(shù)相關(guān)，噴油持續(xù)時間對于噴油量來說是一個獨立的參數(shù)。因此采用改變噴油持續(xù)時間來改變噴油量，噴油持續(xù)時間由汽車的電控單元(ECU)控制。當(dāng)噴油器中使用中低比例甲醇汽油時，依靠電控燃油噴射系統(tǒng)所具有的自適應(yīng)控制功能，自行調(diào)節(jié)噴油脈寬，使發(fā)動機能夠正常運轉(zhuǎn)。當(dāng)燃用高比例甲醇汽油時，其自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能不能滿足時就需要對脈寬進行處理，如圖1所示。

2 噴油脈寬調(diào)整的FPGA程序設(shè)計
2．1 Cyclone系列FPGA芯片簡介
Cyclone系列FPGA芯片是Altera公司于2003年推出的中等規(guī)模、低成本和高性價比芯片，具有0．13μm工藝，240個管腳，1．5 V的內(nèi)核供電。內(nèi)部所含的嵌入式存儲器由數(shù)十個M4K的存儲器構(gòu)成。每個M4K存儲器快具有很強的伸縮性，可以實現(xiàn)：4 068位RAM；200MHz高速性能；真正的雙端口存儲器；FIFO設(shè)計；ROM設(shè)計；混合時鐘模式等功能。Cyclone器件的電源支持采用內(nèi)核電壓與I／O口電壓分開供電的方式，支持多種I／O接口，符合I／O口標(biāo)準(zhǔn)，可以支持差分的I／O口標(biāo)準(zhǔn)。Cyclone器件可以支持最多129個通道的LVDS和RSDS其內(nèi)部的LVDS緩沖器可以支持高達(dá)640 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度，保證了信號的完整性，并具有更低的電磁干擾和電磁兼容性，及更低的電源功耗。
2. 2 系統(tǒng)流程圖設(shè)計
根據(jù)時序關(guān)系可以做出如圖2所示流程圖。在系統(tǒng)復(fù)位后，預(yù)置好脈寬參數(shù)，判斷周期檢測標(biāo)志flag的情況從而啟動計數(shù)器1工作，在獲得輸入信號周期后，根據(jù)輸入的脈寬參數(shù)輸出預(yù)置的pwm波形。