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。