基于Cyclone FPGA的电控汽油机喷油脉宽处理的设计方案

引言

甲醇汽油作为一种重要的替代燃料，在汽车工业中的应用日益广泛。然而，甲醇本身富含氧，导致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正常运转。因此，需要对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。本文将详细介绍基于Cyclone FPGA的电控汽油机喷油脉宽处理的设计方案。

1. 电控汽油机喷油脉宽调整的基本原理

电控汽油机的燃油喷油量可以通过以下公式计算：

M=μ⋅s⋅t⋅π2⋅(pi2−p02)2⋅(π⋅g⋅ρ)

其中：

• 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。

由公式可知，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，以及喷油持续时间可以改变喷油量的大小。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。

2. Cyclone FPGA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。它具有以下特点：

• 工艺：0.13μm工艺；

• 管脚数量：240个管脚；

• 内核供电：1.5V；

• 嵌入式存储器：由数十个M4K的存储器构成，每个M4K存储器块可以实现4068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；

• 电源支持：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系列FPGA芯片具有高性能、低功耗和易于设计等优点，非常适合用于电控汽油机喷油脉宽处理的设计。

3. 基于Cyclone FPGA的喷油脉宽处理系统设计

3.1 系统总体设计

基于Cyclone FPGA的喷油脉宽处理系统主要由以下几个模块组成：

1. 信号输入模块：用于接收电控单元输出的喷油脉宽信号；

2. 周期测量模块：用于测量输入信号的周期；

3. 脉宽调整模块：根据输入的脉宽参数调整输出信号的占空比；

4. PWM输出模块：输出调整后的PWM信号，控制喷油器的喷油持续时间。

3.2 信号输入模块

信号输入模块的主要功能是接收电控单元输出的喷油脉宽信号。该模块通过FPGA的I/O接口接收信号，并将其传递给后续的处理模块。

3.3 周期测量模块

周期测量模块的主要功能是测量输入信号的周期。该模块通过设置一个门控制信号flag，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且复位信号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。

例如，系统时钟clk_mhz的频率为100MHz，输入信号s_in的频率为100kHz，计数器结果为1000。

3.4 脉宽调整模块

脉宽调整模块的主要功能是根据输入的脉宽参数调整输出信号的占空比。该模块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。然后根据脉宽控制参数，输出相应占空比的方波。

例如，脉宽控制参数select=3，输出信号pwm_out的占空比应为37.5%。

3.5 PWM输出模块

PWM输出模块的主要功能是输出调整后的PWM信号，控制喷油器的喷油持续时间。该模块将脉宽调整模块输出的占空比可调的方波信号传递给喷油器，从而实现对喷油持续时间的控制。

4. 系统设计与实现

4.1 系统复位与初始化

在系统复位后，预置好脉宽参数，并初始化各个模块的状态。确保系统能够正常开始工作。

4.2 周期测量模块的实现

周期测量模块的实现流程如下：

1. 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；

2. 开始测量周期时，计数器置0；

3. 待flag=1且复位信号nrst=1时，计数器开始计数；

4. 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。

4.3 脉宽调整模块的实现

脉宽调整模块的实现流程如下：

1. 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；

2. 根据脉宽控制参数，输出相应占空比的方波。

4.4 PWM输出模块的实现

PWM输出模块的实现流程如下：

1. 接收脉宽调整模块输出的占空比可调的方波信号；

2. 将该信号传递给喷油器，控制喷油器的喷油持续时间。

5. 系统测试与验证

在系统设计与实现完成后，需要对系统进行测试与验证，以确保其满足设计要求。测试主要包括以下几个方面：

1. 功能测试：验证系统是否能够正确接收输入信号，并输出调整后的PWM信号；

2. 性能测试：测试系统在不同输入信号频率下的周期测量精度和脉宽调整精度；

3. 稳定性测试：验证系统在长时间运行下的稳定性和可靠性。

测试结果表明，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。

6. 主控芯片型号及其在设计中的作用

在主控芯片方面，本设计采用了Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8N。该芯片具有以下特点：

• 中等规模：适用于中等复杂度的设计；

• 低成本：降低了系统的整体成本；

• 高性能：0.13μm工艺，240个管脚，1.5V的内核供电，200MHz的高速性能，能够满足喷油脉宽处理的高速实时性要求；

• 易于设计：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，方便与电控单元和其他外围设备进行连接。

在设计中的作用方面，Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8N作为系统的核心控制器，负责接收电控单元输出的喷油脉宽信号，进行周期测量、脉宽调整和PWM输出等处理。通过其强大的逻辑处理能力和高速的运算速度，实现了对喷油脉宽信号的精确控制，从而确保了电控汽油机在燃用不同比例甲醇汽油时的正常运转。

7. 结论

基于Cyclone FPGA的电控汽油机喷油脉宽处理设计方案，通过利用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，从而使发动机能够正常运转。系统采用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8N作为主控芯片，具有中等规模、低成本、高性能和易于设计等优点。经过测试验证，系统满足设计要求，性能稳定可靠。该设计方案为电控汽油机喷油脉宽处理提供了一种新的解决方案，具有重要的实际应用价值。