天然气发动机控制器驱动软件设计.pdf

第 2 期 总第 1 9 9期 2 0 1 2年 4月 车用发动机 VEH I CLE ENGI NE No ．2 Se r i a l No． 19 9 Apr ． 2 01 2 天然气发动机控制器驱动软件设计 宋君花 ， 徐权奎 ，王 都 ，冒晓建 ，卓 斌 1 ．上海海能汽车电子有限公 司技术 中心 ， 上 海2 0 0 2 4 0 ；2 ．上海 交通 大学机械与动 力工程 学院，上海2 0 0 2 4 0 摘 要 分析 了天然气发动机电控 系统结构和功能 ， 开发 了天然气发动机 E C U 的驱 动软件 。设计 了天然气发动 机 E C U硬件抽 象层 ， 其 中可 配置 的输入输 出硬件抽 象可以实现 E C U 匹配不 同的传感器 。可配置 的发 动机运行 时 序对机械 系统具 有通用性； 实现 了 E C U通信程序 的复用 以及 对程序 空间 的合 理分 配。设计 的天然 气发 动机控制 器在天 然气发动机 台架上进行 了试验验证 ， 试验 结果表 明 E C U 驱动软 件稳 定可靠 ， 可 以实现 稳定 的控制功 能 ， 发 动机在 中高速 大负荷 工况经济性好 ， 适合 重型车的需求。 关键词 天然气发动机 ； 控 制器 ； 驱动软件 ；硬件抽象 ； 可配置 ；台架试验 中图分 类号 T K4 3 2 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 2 2 2 2 2 0 1 2 0 2 0 0 0 7 0 4 随着 石 油能 源 日益紧 张 以及 排放 法规 的不 断严 格 ， 全世 界都 在 积极 寻找 替 代 能 源 。天 然 气 因 为其 低成本 、 低污染以及高热效率成 为最具发展潜力和 最 清洁 的替 代能 源 。 国家 的“ 西 气 东输 ” 工 程 和 “ 节 能 减排 ” 计划 都将 大 大推动 天然 气发 动机 的发 展 ， 因 此研 究适 合 于天然 气 发动机 的电子控 制 系统具 有 十 分 重要 的意 义 。 驱动软件是整个发动机系统控制软件 的基础部 分 ， 它承担着整个系统软件 的调度和控制器输入输 出的工作 ， 即调度各功能软件模块， 指挥整个系统各 部件之间协调工作， 包括传感器 、 执行器、 控制器内 部 的 电路 模块 ， 同 时还 要 实 现 输 入 输 出功 能 。为 了 提 高软件 的可配 置性 、 可重 用性 和可 移植 性 ， 本 研究 根据系统特点， 开展 了基于天然气发动机控制器硬 件驱动软件 的研究 ， 包括 E C U抽象层 中的输入输 出接口硬件设计 、 通信程序和存储空间分配设计、 复 杂设备驱动等。 1 天然气 发动机系统及硬件功能 本 研 究 的天 然 气 发动 机 应 用 于 中重 型 商 用 车 ， 采用增压中冷 、 稀薄燃烧 、 单缸高能 点火的技术路 线 ， 具有稳态性能好、 易于实现等优点 。发动机 的电 控 系统结 构 见 图 1 。 天 然 气 发 动 机 控 制 器 E C U 采 用 微 处 理 器 MP C 5 6 3 4作 为 控 制 核 心 ， 其 硬 件 系 统 结 构 见 图 2 E 。控制器驱动软件 的主要 功能是 及 时采集 各种传感器和开关 的信号参数 ， 处理后传送给上层 控制 软件 ； 同时从 上 层控 制 软 件 接 收控 制 指 令 从 而 驱动执行器运行 ； 与系统监测软件通信 ； 与系统标定 软 件 通 信 ， 实 现 在 线 标 定 的 功 能 ； 与 诊 断 工 具 通 信 等 。 图 1 C NG发 动机 电控 系统结构 ECU 图 2 天然气发动机 E C U硬件系统结构 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 0 6 ；修 回日期 2 0 1 2 0 2 1 6 作者简介 宋君 花 1 9 8 2 一 ， 女 ， 博士 ， 主要研究方 向发动机电控技术 ； s o n g j u n h u a 2 0 3 1 6 3 ． c o rn。 车用发动机 2 0 1 2 年第 2期 2驱动软件 开发 本研究参照 AT UO S AR架构对天然气发 动机 控制器软件进行层次化 、 模块化划分[ 2 ] 。图 3示出 基于 ATUOS AR的 C N G 电控 系统软 件模 块 。 1 第 一 层 ， 微 控制 器 抽 象层 定 义 了微 控 制 器 驱动、 内存 驱动程 序、 I ／ O驱 动程序和通信驱 动程 序 ， 同时还可以模拟一些微控制器无法提供的功能； 2 第 二 层 ， E C U 硬件 抽 象 层 在 E C U 相 关 硬 件的基础上 ， 为 EC U提供 i ／ o硬件抽象接 口、 存储 硬件抽象接 口、 通信硬件抽象接 口等外 围设备 的驱 动程序 ； 3 第三层 ， 服务层 提供了各种服务 ， 例如网络 服务 、 内存管理 、 网络通信和操作 系统 ， 服务层在很 大程 度上独 立 于硬件 系统 ； 4 第 四层 ， 运行环境 通过对于 i ／ o、 内存和其 他基本服务的访问， 真正实现了应用程序和系统软 件之间的分隔 ， 是应用程序复用的基础 ； 5 第五 层 ， 应用 程序 层 包 含 空气管 理 、 燃料 管 理 、 点火正时控制 、 故障诊断控制 、 整车控制等发动 机控制和整车功能的控制策略相关的程序 。 基础 软件 应用层 圆圈圈圈国。 。 实时运行环境 霎 l 蕞 雾 硬件抽象层 l 硬件 l 硬件 l 存储 l 通信 l 抽象 l 抽象 I ／ O 硬件 抽象 ⋯撇层 匪 微 控 制 器 抽 象 层 I制 器 ll 动 l ； l 1 I驱 动 ⋯ l～ l⋯ I 图 3 基于 AT U0S AR的 C NG电控系统软件模块 3 硬件抽 象层设计 E C U 的抽 象 层 程序 是 指 上层 应 用 软 件 和微 控 制器抽象层软件之间的数据交互接 口。本研究基于 可配置的原则设计 了 E C U 的硬件抽 象层， 其 中包 括输入输出接 口硬件抽象设计、 通信程序设计和程 序存储空 间分 配等， 重 点关注 硬件抽 象层 的相关 内容。 3 ． 1 可 配置 的输入 输 出接 口硬 件抽 象设计 基 于 可重用 性 和可配 置原则设 计 了输入 输 出硬 件 抽象 ， 其 中包括 开关 输入 硬件抽 象 、 模 拟输 入输 出 硬件抽象 、 离散输出硬件抽象等。图 4示 出输入输 出硬件抽象层操作过程示例。应用软件层设置每个 物理量的输 出值 ， 传递给 AUTOS AR实 时运行环 境， 再通过 E C U 硬件抽 象层将此物理 量对应 的输 出对应 相应 的硬件 通 道 ， 然 后 通 过微 控 制 器 抽象 层 直接控制其硬件通道 的驱动， 从而完成从物理量到 硬件 通道再 到硬件 实 际输 出的过程 [ 3 ] 。 应 用 软 件 层 l 传 感 器 、 执 行 器 应 用 软 件 l 设置输出●T 获取状态 A U T O S A R 实时运行环境 象 G E c u 硬 件 抽 象 层 I 鏊 荐 箍 金 输 出 I l 饕 籀 输 出 I 读 ， 写 相 应 硬 件I T l‘ 读 取 ／ 设 l 通 道的 值 l I I 通 道 的 值 I ’ 微 控 制 器 抽 象 层 输 入 鼬l 输 入 I I 1 l A l E C U 硬件 模 拟 图 4输 入 输 出硬 件 抽 象 层 操 作 过 程不 例 3 ． 2 基 于软件 可重 用的 J 1 9 3 9通信 程序 调度 设计 C N G 电控系统 E C U 中涉及 C AN通信 、 C C P 通信、 J 1 9 3 9通信以及 S P I 通信等 ， 本研究只介绍基 于软件代码可重用的 J 1 9 3 9 通信程序 的开发。 根据 J 1 9 3 9 协议应用层 的定义 ， 大部分的参数 组 消息采 用定 时循环 发送 。在底 层通 信程 序设计 中 采用基于时间片的分时调度的策略， 设计 了 J 1 9 3 9 报文接收和发送程序。考虑到实际发动机控制系统 中参数允许响应时间以及整个系统控制器的资源利 用率 ， 对实际发动机控制参数 以及监测标定变量的 传输 ， 采用根据实际控制参数允许 响应时问不同的 原则 ， 把 C AN通信模块划分为 5个任务等级模块 1 0 ， 2 O ， 5 0 ， 1 0 0和 1 0 0 0 1 “D _ S ， 任务 的优先 级 随着每个 任务模块的实时性高低而逐渐降低 ， 形成 图 5所示 的实时多任务系统下的 C AN通信模块 的多任务程 序结构 ] 。同时还要根据实际控制参数 的实时性要 求 ， 合理分配不 同 C AN 数据帧的 I D号， 以确保数 据的实时传输 。此调度策略中需要根据任务的最小 执行周期以及参数 的响应需要来划分时间片 ， 确定 各个报文的发送周期。把各个任务划分为多个子任 务 ， 放到各个时间片中执行。 J 1 9 3 9的数据接收使用 C AN接 收中断方式进 行处理 ， 相应 的 C AN通 道接收 到新 的数据 帧时 ， E C U 硬件 的 C AN 控制模 块触 发一个 接 收 中断信号 的中断， C AN 中断 优先 级 低 于定 时器 的 中断 优 2 0 1 2年 4月 宋君花 ，等 天然气发 动机 控制器驱动软件设计 先级 。 图 5-『 1 9 3 9分 时 调 度 程 序 框 图 3 ． 3 基 于程序 功能 的程 序分 区设 计 现代发动机控制器的功能越来越强大 ， 发动机 电控软件需要具备完善 的监测标定功能 、 故 障诊断 功能 、 控制器下线检测功能等。电控软件 中主要包 含基础驱动程序 、 上下层接 口程序 、 发动机控制策略 程序 、 E C U标定程序 、 监测程序、 故 障诊断程序、 控 制参数常量等。同时考虑到控制器开发阶段、 发动 机匹配和试验阶段以及售后技术支持等不同阶段对 内存的访问程度和权限不同， 因此需要对控制器的 程 序存 储 空 间进 行合 理 的分 配 。 本 研究 结合 C NG E C U 软 件 功 能 的 分 析 、 存 储 区的类型以及具体的 MC U硬件设置， 将 E C U存储 区划分 为 以下几个 区 1 B OO s T程序区 用于微处理器的初 始化、 片选 ， E C U 的基 础 驱 动 程 序 驱 动 和 C P U 基 本 配 置 等 ； 2 应用程序 区 包含发动机控制策略程序 以 及整车功能控制程序等 ； 3 标 定数 据 区 包 含 上 层 标 定 数 据 和 底 层 标 定 数据 ； 4 标定程序镜像 标定操作 区 包含上层标 定数据镜像和底层标定数据镜像 ； 5 数 据初 始化 区程 序 、 监 测 程 序 、 E OL程 序 等数据的初始化 ； 6 故障诊断数据区 包含上层标定数据和底 层 标定 数据 ； 凸轮轴信号 7 故障诊断数据区备份 防止非法断电等导 致故 障码 和数 据被 破坏 ； 8 E O L数据区包含 E OL功能启用标志、 标 识码 、 修正 码 等 ； 9 E O L数据区备份 防止 E OL断 电时 E OL 程序烧写不成功， 可支持重新烧写程序 ； 1 0 标 定 程 序 区 包 含 C C P， J 1 9 3 9 ， I S O 1 5 7 6 5 ， I S O 1 4 2 3 0等标定 监测 程序 ； 1 1 断 电保 存 数据 区 用 于 断 电时保 存 发 动机 或整 车运行 过程 中故 障码 、 车辆 行 驶 里 程 以及 自学 习相关 的数 据 。 根 据 以上存 储 区的 划分 ， 结 合 实 际 的应 用 可 以 有效合理地分配 E C U 的存储空间。 4复杂设备驱动 复杂设备驱动主要实现发动机运行时序相关 的 功能 ， 包 括 发动机 运 行 时 序 的建 立 、 点火 驱 动 、 喷 嘴 驱 动 和判缸 控制 。 本研 究 设计 的 C NG发 动 机运 行 时 序可 以根 据 机械系统进行 灵活配置， 使得 E C U对 于不同的机 械 系统具 有 通用 性 ， 即 E C U 可 以适 用 4缸 机 、 6缸 机 ， 可 以适 用于不 同相 位关 系 的发动 机系统 ， 也 可 以 适用不同点火时序的发动机系统 。以点火时序的可 配置 为 例 ， 说 明 E C U 可 配 置 的 发 动 机 时 序 驱 动 设 计 。 将发动机的运行循环根据机械相位关系划分为 几个控制段 ， 对于 6 缸 四行程发动机 ， 一个完整工作 循环内共有 6个控制段 s e g me n t ， 每个时序控制段 为 1 2 0 。 曲轴转角 ， 以凸轮轴信号为例 ， s e g me n t的具 体 分 布见 图 6 。s e g me n t 的划 分 以 凸轮 轴 多齿 所 在 的控 制 段 为 起 始 ， 从 s e g me n t l至 s e g me n t 6 ， s e g me n t 的划分只和多齿的位置有关 ， 和各个控制段对 应的气缸号即点火 时序无关 ， 是由相位信号盘的机 械结构确定的。可配置点火时序的设计思路见图 7 。 日 庠 牵 『殴 s e 竺 I 竺 ．j ．j 时 序 控 制 段 鲤 些 lL 望 型 竺 l_ 3 X 14 x 图 6 6缸 四行程发动机控制段设计示意 确定 可配置 确定 图 7 可配 置点 火时序设 计示意 1 6 车用发动机 2 0 1 2年第 2 期 水套热负荷较高区域的传热系数要求。 由以上数据判断， 此冷却水套 的散热能力能够 满足发动机对可靠性 和耐久性的要求 ， 同时其流动 阻力 低 ， 具 有 良好 的节 油性 能 。 参考文献 I- 3 ] E 4 ] E l i 刘巽 俊 ， 陈 群 ， 李 俊 ， 等． 车 用 柴 油机 冷却 系统 r ] LJ J C F D分析[ J ] ． 内燃机学报 ， 2 0 0 3 ， 2 1 2 1 2 5 1 2 9 ． [ 2 ] 俞小莉 ， 武 亚娇 ， 黄瑞 ， 等． 轿车发动机冷却水套 流动 与传热 C F D计算 分析[ J ] ． 车 用发 动机 ， 2 0 1 0 3 5 0 5 5 ． 刘铁 钢． 柴油机冷却水套模拟 分析及 结构优化[ D ] ． 长 春 吉林 大学， 2 0 0 6 ． Adi t ya M u l e ma ne， Ra v i n dr a So ma n ．CFD Ba s e d Com p l e t e En g i n e Co o l i n g J a c k e t De v e l o p me n t a n d An a l y s i s [ C ] ． S AE P a p e r 2 0 0 7 0 1 4 1 2 9 ． 叶伊 苏， 辛 拮． 柴油机缸 内冷却液 流动 的数值 模 拟 [ J ] ． 车用发动机 ， 2 0 0 8 增刊 7 6 7 8 ， 8 2 ． S i mu l a t i o n o f Co o l a n t Fl o w a n d He a t Tr a n s f e r f o r DL5 9 Na t u r a l Ga s En g i n e W a t e r J a c k e t GAo Yi n g ，GE Di ，LI Shu hu a ，ZH ANG Le i ，ZH ANG Zh e n 1 ．S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Au t o mo b i l e Dy n a mi c S i mu l a t i o n ，J i l i n Un i v e r s i t y ，Ch a n g Ch u n 1 3 0 0 2 2 ，C h i n a ； 2 ．Pe t r o Ch i n a P l a n n i n g E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 。Ch i n a Abs t r a c t Th e s i mu l a t i o n a n d c a l c u l a t i o n o f wa t e r j a c k e t f o r a n a t u r a l g a s e n g i n e we r e c a r r i e d o u t wi t h Fl u e n t s o f t wa r e ， a n d t h e f l o w f i e l d d i s t r i b u t i o n a n d p r e s s u r e l o s s o f c o o l a n t f r o m wa t e r j a c k e t o f c y l i n d e r b l o c k a n d c y l i n d e r h e a d we r e a c q u i r e d ．Th e t o t a l p r e s s u r e l o s s o f wa t e r j a c k e t wa s 4 3 ． 7 2 k P a ，t h e c o o l a n t v e l o c i t y o f c y l i n d e r b l o c k wa t e r j a c k e t wa s o v e r 0 ． 7 m／ s ，t h e c o o l a n t v e l o c i t y o f c y l i n d e r h e a d wa t e r j a c k e t wa s o v e r 0 ． 5 m／ s ， b o t h o f t h e m c o i n c i d e d wi t h t h e f l o w c r i t e r i o n ．Th e h e a t t r a n s f e r c oe f f i c i e nt s a t h i g h he a t l o a ds a r e a a l s o me t t he r e qu i r e me nt s ． Ke y wo r d sn a t u r a l g a s e n g i n e ；wa t e r j a c k e t ；f l o w f i e l d ；h e a t t r a n s f e r ；s i mu l a t i o n [ 编辑 袁 晓燕] 上 接 第 1 0页 r 3 ] A UTO S AR Ad mi n i s t r a t i o n ．S p e c i f i c a t i o n o f I ／ 0 Ha r - [ 5 ] d wa r e Ab s t r a c t i o n V2 ． 0 ． 2 [ M] ． [ S ． 1 ． ] A UTO S AR， 2 0 08 ． [ 4 ] Gw a n g mi n P a r k ， Da e h u n K u m， S u n g h o J i n ， e t a 1 ．I m p l e me n t a t i o n o f A UT OS A R i ／ o D i r v e r Mo d u l e s f o r a [ 6 ] S S P S S y s t e m[ C ] ／ ／ I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o n t r o l ，A u t o ma t i o n a n d S y s t e ms ． [ S ． 1 ． ] [ s ． n ． ] ， 2 0 0 8 1 451 - 1 45 6． J u n h u a S o n g， J u n x i Wa n g ， Ha n g b o Ta n g ，e t a 1 ． Re s a r c h o f Di e s e l Hy br i d El e c t r i c Ve h i c l e Ha r dwa r e Sy s t e m [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Au t o mo t i v e ，2 0 0 9 ， 1 0 4 5 2 3 - 5 2 8 ． 王都 ， 宋君花 ， 冒晓建， 等． 基于 电控 调压 器的压缩 天 然气发动机 电控 系统[ J ] ． 农 业机 械 学报 ， 2 0 0 9 ， 4 0 3 46 5 O． De s i g n o f Dr i v e r S o f t wa r e f o r CNG En g i n e Co n t r o l l e r S ONG J u n h u a ，XU Qu a n k u i ，WANG Du ，MAO Xi a o j i a n ，Z HU0 Bi n 1 ．Te c h n o l o g y Ce n t e r ，S h a n g h a i Hi g h E n e r g y Au t o mo t i v e El e c t r o n i c Co ．，Lt d ． ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，C h i n a ； 2 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，Ch i n a Ab s t r a c t Th e s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n o f c o mp r e s s e d n a t u r a l g a s CNGe n g i n e wa s a n a l y z e d ． The dr i ve r s of t wa r e of CNG EC U wa s d e v e l o p e d ．Th e h a r d wa r e a b s t r a c t i o n l a y e r o f ECU wa s d e s i g n e d ．Th e c o n fi g u r a b l e i n p u t ／ o u t p u t h a r d wa r e a b s t r a c t i o n wa s d e s i g n e d t o ma t c h ECU wi t h d i f f e r e n t s e n s o r s ．Th e c o n f i g u r a b l e i g n i t i o n s e q u e n c e c o u l d ma k e E CU u n i v e r s a l f o r d i f f e r e n t m e c h a n i c a l s y s t e ms ．Th e r e u s e o f c o mmu n i c a t i o n p r o g r a m a n d t h e r e a s o n a b l e a l l o c a t i o n o f p r o g r a m s p a c e we r e r e a l i z e d ． F i n a l l y，t h e d e s i g n e d c o n t r o l l e r wa s t e s t e d o n a CNG b e n c h ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d r i v e r s o f t wa r e i s s t a b l e a n d r e l i a b l e ， whi c h r e a l i z e t he s t a bl e c o nt r o1 ．W i t h t h e s of t wa r e，CNG e n gi ne ha s a go o d f ue l e c on omy a t me d i u m a n d hi gh s p e e d．whi c h me e t s t h e de ma n d o f he a v y - dut y v e hi c l e ． Ke y wo r d sCNG e n g i n e ；c o n t r o l l e r ；d r i v e r s o f t wa r e ；h a r d wa r e a b s t r a c t i o n ；c o n f i g u r a b l e ；b e n c h t e s t [ 编辑 潘 丽丽]