基于FPGA的汽車油改氣電控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)
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1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)以FPGA為中心，主要包括以下部分：(1)信號(hào)采集部分：包括一系列的汽車傳感器，實(shí)時(shí)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)；(2)ECU模塊：系統(tǒng)的控制核心；(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：實(shí)時(shí)執(zhí)行ECU的控制指令，使發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作；(4)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)：完成上下位機(jī)之間異步串行通信，實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。
2 FPGA主要模塊實(shí)現(xiàn)
根據(jù)汽車電控單元的需求，設(shè)計(jì)選用的FPGA是ACTEL公司基于非易失性Flash技術(shù)的A3P250器件(100-VQFP)。器件采用了精細(xì)顆粒架構(gòu)VersaTile，具有250K系統(tǒng)門結(jié)構(gòu)，采用了130 nm的工藝技術(shù)，內(nèi)核電壓1.5 V，時(shí)鐘頻率48 MHz。A3P250是反熔絲的，抗輻射、耐高低溫、功耗低、速度快，應(yīng)用較廣。FPGA功能模塊描述語(yǔ)言主要包括時(shí)鐘邏輯模塊、A/D采樣控制模塊、模糊控制模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、PWM產(chǎn)生模塊、UART通信模塊等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊如圖2所示。
2.1 時(shí)鐘邏輯模塊
該設(shè)計(jì)中，外部輸入的時(shí)鐘為48 MHz，由于設(shè)計(jì)中需要多種不同的時(shí)鐘信號(hào)， 所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)可根據(jù)采集需要任意分頻的時(shí)鐘邏輯模塊，且必須準(zhǔn)確，才能保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)采用同步時(shí)序電路，它是基于時(shí)鐘觸發(fā)沿設(shè)計(jì)，對(duì)時(shí)鐘的周期、占空比、延時(shí)、抖動(dòng)提出了更高的要求。分頻器是FPGA設(shè)計(jì)中使用頻率非常高的基本單元之一。通過(guò)自主設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)鐘分頻的實(shí)現(xiàn)方法靈活性好，節(jié)省系統(tǒng)硬件資源，而且這種方式只消耗不多的邏輯單元就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘操作的目的。
2.2 采樣控制模塊
ADC0809轉(zhuǎn)換模塊程序流程圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號(hào)多數(shù)都來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸出信號(hào)，傳感器種類不一，致使信號(hào)特性也不同。各通道信號(hào)的幅度與頻率范圍有很大的不同，高精度的、大動(dòng)態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換芯片使設(shè)計(jì)更能滿足測(cè)量的需要， 特別是對(duì)寬頻帶弱信號(hào)的采集顯得尤其必要。本設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換模塊選用了ADC0809和AD1674芯片，ADC0809主要用于節(jié)氣門信號(hào)采集，兩片AD1674芯片主要用于實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)和設(shè)定轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集。
2.2.1 ADC0809轉(zhuǎn)換控制模塊
當(dāng)FPGA啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，掃描時(shí)鐘便開始工作，同時(shí)掃描周期計(jì)時(shí)器和采樣周期計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。48 MHz時(shí)鐘經(jīng)過(guò)FPGA分頻得到500 kHz的CLK作為ADC0809的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D的控制，采集過(guò)程完全按照A/D的工作時(shí)序。當(dāng)單次A/D采集完成，便立即更新地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。轉(zhuǎn)換完后將按照此次任務(wù)規(guī)定的采集參數(shù)進(jìn)入A/D芯片前的采集模擬電路建起，等待下次采樣周期到來(lái)。
評(píng)論