（动力机械及工程专业论文）高压共轨柴油机模拟试验平台设计开发研究.pdf

u d c ： ad is s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fo e n g r e s e a r c ho n d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o f h i g h p r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e le n g i n e s i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r m c a n d i d a t e ：c h e ns h o u g a n g s u p e r v is o r ：a s s o c i a t ep r o f l ix u e n f i n a c a d e m icd e g r e ea p plie df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l it y ：p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 禽 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：随畜国f j 日期： 2 0 f0 年3 月ff 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文锰授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：f 糸莒r l j导师( 签字) ：夕易影 日期： 2d k 年弓月i 箩日2 0 l o 年弓月f 孓日 人 ， 哈尔滨l ：程大学硕+ 学位论文 摘要 高压共轨柴油机电控单元结构复杂，控制参数众多，控制策略繁琐的特 点使其开发调试工作变得十分困难。而采用硬件在环仿真技术可以减少电控 单元开发所需的柴油机台架试验，能快速、方便地实现电控系统的设计、开 发和调试。本文开发了一套可进行柴油机动态模型实时运算，并能模拟e c u 所需的各种输入输出信号的高压共轨柴油机模拟试验平台系统。 在分析模拟试验平台总体需求，充分满足高压共轨柴油机电控单元输入 输出接口要求和模拟柴油机工作精确性以及动态响应性的基础上，设计了以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 高速处理芯片为核心的实时仿真模块硬件平台，该平台采 用c a n 总线与外界进行数据通信。 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了包括高压共轨柴油机模型和控制系 统在内的全数字闭环仿真模型，通过对整个模型的全数字动态仿真验证了所 建立的数学模型的可行性，并在系统实时仿真模块上实现了以该模型为核心 的系统程序的编写。 基于l a b v l e w 软件设计了模拟试验平台p c 机监控系统。通过c a n 总 线，监控系统实现了柴油机动态参数数据的实时采集、参数曲线实时显示以 及数据保存等功能，并可以实现对仿真运行的实时控制。 高压共轨柴油机电控单元的硬件在环仿真实验结果表明，本文设计的高 压共轨柴油机模拟试验平台可以较好的仿真出柴油机的各种运行工况以及共 轨燃油系统的工作特性，对电控系统的控制效果实现了直观地判断和分析， 能够为e c u 的开发、标定提供较好的在线实时仿真环境。 关键词：硬件在环仿真；高压共轨：柴油机；d s p i 哈尔滨1 ：稃人学硕十学何论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fc o m p l e xs t r u c t u r e ，n u m e r o u sc o n t r o lp a r a m e t e r sa n dc o m p l i c a t e d c o n t r o ls t r a t e g y , t h ed e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n go fh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l d i e s e le c ub e c o m em o r ea n dm o r ed i 施c u l t u s i n gh a r d w a r e - i n l o o ps i m u l a t i o n t e c h n o l o g yc a l lr e d u c et h eb e n c ht e s t so fd i e s e le n g i n e ，a n dc a nc o m p l e t e t h e d e s i g na n dd e b u g g i n go fe c uq u i c k l ya n de a s i l y t h i sp a p e rd e v e l o p e da s e to f h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e le n g i n es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw h i c h c a nr u nad y n a m i cm o d e lo fd i e s e le n g i n eo nar e a l - t i m eb a s i s ，a n ds i m u l a t ea l l s o r t so ft h ei n p u ta n do u t p u ts i g n a l se c ur e q u i r e d t os a t i s f yt h en e e df o rh a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t i o ns y s t e m ( h l s s ) i nd i e s e l e n g i n ec o m m o n r a i le c ud e v e l o p m e n tp r o c e s s ，ah i g hp r e s s u r ec o m m o n r a i l d i e s e le n g i n es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a lh a r d w a r ep l a t f o r mw a sd e v e l o p e db a s e do n t h eh i g h p e r f o r m a n c e3 2 - b i td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 12 ad i 西t a ld y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lf o rc l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mw a s d e s i g n e db a s e do nm a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e m o d e lw a sf e a s i b l ea n dv a l u a b l e t h es a m ei m p l e m e n t a t i o nw a se m b e d d e di nt h e d s pb yl a n g u a g ec t h ep cs u p e r v i s o r ys y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nl a b v i e w , w h i c hc a n s a m p l et h er e a l t i m ed a t ao fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r mt h r o u g hc a n b u sa n dd i s p l a y t h ec u r v e t h eh a r d w a r e i n 1 0 0 pe x p e r i m e n to nac e r t a i nd i e s e ls h o w e dt h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o n nc o u l dr u nar e a l t i m em o d e lo fd i e s e le n g i n e ，c o u l ds i m u l a t ea l l s o r t so f i n p u ta n do u t p u ts i g n a l sw h a tt h ee c un e e d s ，c o u l da n a l y s e a n dj u d g et h ec o n t r o l e f f e c to ft h ed i e s e le c ui n t u i t i v e l y i na l l ，t h eh i 鲈p r e s s u r ec o m m o nr a i ld i e s e l e n g i n es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mc a np r o v i d eag o o do n l i n ee n v i r o n m e n t f o re c u d e v e l o p m e n t ，c a l i b r a t i o na n dt e s t k e yw o r d s ：h a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t i o n ；h i g hp r e s s u r ec o m m o n r a i ls y s t e m ； d i e s e le n g i n e ；d s p 哈尔滨下稃人学硕+ 学何论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 柴油机电控系统模拟试验平台研究现状l 1 2 1 硬件在环仿真简介2 1 2 2 国内外研究状况3 1 3 柴油机实时仿真模型的研究现状4 1 3 1 柴油机实时仿真模型4 1 3 2 高压共轨燃油系统实时仿真模型5 1 4 本文的主要工作6 第2 章模拟试验平台实时仿真模块硬件设计8 2 1 模拟试验平台总体结构设计8 2 2d s p 模块设计9 2 2 1d s p 芯片选型9 2 2 2 电源及复位电路设计1 1 2 2 3 晶振电路设计1 2 2 2 4j t a g 接口设计1 2 2 2 5 存储器扩展电路设计1 3 2 3 高速接口模块设计1 4 2 3 1 转速和判缸信号输出模块设计1 4 2 3 2 工作状态输出模块设计1 5 2 3 3 控制信号采集模块设计1 6 2 3 4 负载设定模块设计1 7 2 4c a n 总线通讯模块设计1 8 2 4 1f 2 8 1 2 内置e c a n 模块概述1 8 2 4 2c a n 通信模块硬件电路设计2 0 2 4 3 串行通信模块硬件电路设计2 1 哈尔滨t 程人学硕十学佗论文 2 5 硬件电路抗十扰设计2 2 2 6 本章小结2 3 第3 章高压共轨柴油机动态模型的建立及仿真2 4 3 1 柴油机数学模型2 4 3 1 1 建模方法的选择2 4 3 1 2 涡轮增压器模型2 6 3 1 3 柴油机本体模型2 9 3 1 4 柴油机动力学模型3 3 3 2 高压共轨系统模型设计3 4 3 2 1 高压共轨系统组成3 4 3 2 2 高压共轨系统模型设计3 5 3 3 动态模型快速建立与检测4 0 3 3 1 柴油机全数字动态仿真模型4 0 3 3 2 柴油机模型的仿真校验4 4 3 4 本章小结4 5 第4 章模拟试验平台实时仿真模块软件设计4 6 4 1 概j 苤4 6 4 1 1i ) s p 系统开发工具简介4 6 4 1 2 实时仿真模块软件总体结构设计4 7 4 2 主程序设计4 8 4 3 接口程序设计4 9 4 3 1 工作状态输出程序4 9 4 3 2 转速输出程序5 0 4 3 3 控制信号采集程序5 3 4 3 4 起动信号检测程序5 4 4 4 定时中断程序设计5 5 4 5c a n 总线通讯程序设计5 6 4 5 1e c a n 模块的初始化程序5 7 4 5 2c a n 通讯数据的发送和接收5 8 哈尔滨r ：程大学硕十学何论文 4 6 本章小结5 9 第5 章p c 机监控模块设计6 0 5 1 概述6 0 5 1 1l a b v i e w 软件简介6 0 5 1 2 智能c a n 接口卡简介6 0 5 2c a n 接口卡函数库的调用6 l 5 3 监控界面程序设计6 2 5 3 1 监控界面功能介绍6 2 5 3 2 监控界面程序框图设计6 4 5 4 本章小结6 8 第6 章系统联合调试及分析6 9 6 1 硬件在环仿真实验设计6 9 6 2 实验结果及分析7 0 6 2 1 输入输出信号校验7 0 6 2 2e c u 控制器参数标定7 l 6 3 本章小结7 6 结论7 7 参考文献7 9 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 4 致谢8 5 哈尔滨t 程人学硕 ：学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 柴油机电子控制技术提高了柴油发动机的燃油经济性、降低了排放及噪 声，同时也为柴油机发展中的多项新技术的引入奠定了基础。许多新技术， 如可变气门正时升程、可变进气系统、怠速熄火、停缸技术等的应用，使传 统发动机中相抵触的性能参数有了平行的提高。电子控制技术在柴油机中起 到了越来越重要的作用，已经成为柴油机应用和发展中必不可少的一个环节， 是当今柴油机发展的重要方向之一。然而柴油机电子控制技术，特别是高压 共轨柴油机电子控制技术都集中掌握在国外少数几个公司手中，他们拥有完 整的柴油机电控系统开发平台，并采用最新的电控系统开发模式，可以达到 较快的开发速度和最优的资源利用率，符合当今市场对产品需求的多样性、 快速性要求的趋势【l 】。而目前我国柴油机电子控制技术与国外存在着较大的 差距，缺少与国外相媲美的有自主知识产权的电控系统开发平台，在一定程 度上制约了我国柴油机电控技术的发展。而国外电控系统开发平台价格极为 昂贵，引进国外优秀的电控系统开发平台及其开发模式对国内大多数中小型 企业而言无疑是一个很大的负担【2 】。因此，建立拥有自主知识产权的柴油机 电控系统开发平台，对促进我国柴油机电控技术的发展具有重要的理论意义 和实用价值，本课题也j 下是在这个背景下提出的。 1 2 柴油机电控系统模拟试验平台研究现状 随着社会对柴油机性能要求的不断提高，目前柴油机的电控喷油系统 ( e c u ) 己发展到了第三代产品，即电控共轨式喷油系统。这一系统采用高 压或超高压喷射，显著改善柴油机的微粒排放；实现喷射压力、喷油定时和 喷油量的灵活控制，降低n o x 和微粒排方文【3 1 。 随着柴油机电子控制系统日益复杂以及控制参数增多，导致系统研制开 发的难度也越来越大。如果按照电控系统传统的设计方案：即首先设计电控 单元，然后通过柴油机台架试验进行匹配测试，由测试结果修正电控系统参 哈尔滨一i ：科人学硕十学何论文 数及相应样机结构，然后再进行台架试验。这一系列的过程反复进行，不仅 开发周期长，耗费了大量的人力物力，而且电控系统设计时需大量的柴油机 实验数据，而一般的试验台架系统很难提供标准的动态工况，实际上由于条 件限制，进行大量动态试验也是不可能的【4 1 。 由此可以看出，要克服以上不足，加速e c u 的开发进程，关键就是要减 少e c u 调试对台架试验的依赖性。在这一趋势推动下，利用仿真技术，特别 是硬件在环仿真技术来虚拟化柴油机等硬件设备，将台架试验简化为在柴油 机模拟试验平台上进行硬件在环仿真试验，可以方便快捷得完成高压共轨柴 油机e c u 的开发。 1 2 1 硬件在环仿真简介 硬件在环仿真又称实时仿真、半物理仿真等，就是把实际的被控对象( 例 如车辆、发动机等) 或其他的系统部件用高速计算机上运行的实时仿真模型 来取代，而控制单元或其他系统部件则作为实物与之连接成为一个系统，对 电控系统或系统部件的功能进行测试和验证【5 】。硬件在环仿真技术充分利用 了计算机建模的简易、快速和低成本等优点，而且可以方便快捷地对系统的 模型部分进行仿真、变更，实现了在改变参数的同时就可详细观察系统性能 的变化，同时对系统中一些非重点考察对象，可直接将其硬件接入整个仿真 系统，配合其他模型的实时仿真运转，而不必花费过多的精力去对系统的全 部细节进行数学建模。因此，目前硬件在环仿真技术在动力、电子、航天航 空和船舶等领域都得到了广泛应用，特别是在电控系统的设计过程中，由于 其系统功能同益丰富，导致设计难度日益加大，而利用硬件在环仿真技术构 建的模拟试验平台则可以预先逐步检验电控系统设计的合理性和可靠性，大 大提高了电控系统的研制速度，减小了研制风险和提高设计成功率。因此， 硬件在环仿真技术被视为开发研制柴油机电控系统的最佳工具。 硬件在环仿真系统可以很方便地修正实时运行的软件模型，替换连入系 统的硬件环节，因此其具体的应用形式灵活多变，电控单元( e c u ) 、执行器、 传感器和被控对象( 柴油机) 等都有可能是仿真模型或者实物。本文研究的 硬件在环仿真系统的具体形式是：柴油机本体和共轨燃油系统为实时仿真模 型，连入e c u 实物，用于e c u 系统的开发与测试。 2 可以分为以下四种：第一种是a d i 公司专门为动态实时仿真设计的计算机系 统a d r t s ，它由高速计算机、基于v m e 总线的分布式处理器和一些高 速智能i o 系统组成，可通过a d i 的专用仿真软件进行编程开发；第二种 d s p a c e 公司生产的面向实时仿真和高速i o 处理的硬件系统，它采用基于 i s a 总线的p c 分布式处理器结构，以d s p 芯片作为高速运算单元，处理器 间通过双端口寄存器通讯，并具有智能i o 接口模块，软件开发以通用的c 语言为主；第三种是x p c t a r g e t 形式，采用普通的微机作为目标机( 处理器) 。 m a t l a b s i m u l i n k 对x p c t a r g e t 形式的支持是非常强大的，在s i m u l i n k 中有 常用的x p c 基本模块。x p c t a r g e t 形式采用一张x p c 系统盘起动计算机，并 把计算机引导到自己的操作系统( 实时内核) 中去。x p c t a r g e t 可以实现多 数的硬件在环仿真所需要的功能，但是x p c t a r g e t 形式的部分硬件和实验软 件都需要自己来选型和开发。第四种是以商品化的处理器模块配接自行设计 的专用接口模块构成多处理器系统，软件开发和硬件配置可自主灵活进行， 软件开发采用通用软件开发工具，如c 语言编译器、汇编语言编译器等，各 处理器的任务由设计者根据需要自行分配【6 。8 】。本课题基本采用第四种方案， 但是把处理器模块与专用接口模块合二为一，建立以t i 公司的高性能3 2 位 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器为核心的高压共轨柴油机模拟试验平台。实际 应用时，试验平台与柴油机e c u 连接，组成闭环开发或测试系统进行硬件在 环仿真实验。 在国内，清华大学汽车工程系的在这方面研究得较早，1 9 9 2 年研制出了 电控汽车发动机工况模拟系统，用于汽油机开发。北京理工大学1 9 9 7 年研制 成功用于增压柴油机的电控单元h i l s s 系统。1 9 9 9 年清华大学研制出了电控 柴油机实时控制仿真的应用系统。浙江大学也有用于电喷的柴油机电控硬件 在环仿真系统的相关研究。但总体上来说，国内相关研究的工程应用很少， 研究成果大多停留在论文和原理性样机程度上，相应的控制系统的实时仿真 装置的研究也大部分停留在此阶段上【9 】。 3 哈尔滨t 程人学硕+ 学位论文 1 3 柴油机实时仿真模型的研究现状 1 3 1 柴油机实时仿真模型 仿真目的不同导致建模时考虑的侧重点不同，对模型的要求也不一样。 面向控制分析的柴油机模型主要是用来对柴油机的电控系统进行设计、改良 和评估。用于控制分析的柴油机动态模型经过多年的发展，已经发展出各具 特色的柴油机动态模型的建模方法，但总的来说，柴油机动态模型主要可以 分为三个类型：线性模型、准线性模型和非线性模型1 0 l 。 线性模型是根据控制输入对控制输出的影响建立起来的，只能反映输出 与输入之间的关系，不能反映柴油机的工作机理，其构造简单，但精度低， 一般很少使用。 准线性模型主要由代数方程组成，如空气流动、扭矩产生、摩擦、温度 变化等都采用代数方程来描述，只有涡轮增压器和柴油机动力学模型采用微 分方程来描述。由相关的稳态实验得出柴油机功率输出、气体流动和工质温 升与增压压力、燃油流量、空燃比、柴油机转速的关系，涡轮与压气机采用 其稳态特性实验数据。该类模型的典型代表是均值发动机模型m v e m ( m e a n v a l u ee n g i n em o d e l ) ，简称均值模型。由于均值模型不考虑柴油机每一循环 当中各个参数的波动情况，而是直接以循环平均参数为状态变量，这样就大 大减少了模型的计算量，提高了系统的实时性。 非线性模型是基于发动机的循环模拟，考虑柴油机在稳态和瞬态条件下 运转时的热力学和流体动力学现象以及质量和能量守恒而建立起来的一组微 分方程，模型中也采用一些经验或半经验公式。非线性模型的建模方法的典 型代表有容积法( 也称为充排法) 和特征线法。其中特征线法主要用于柴油 机进、排气流动特性的研究，很少用于发动机的动态研究。而采用容积法建 立柴油机动态模型是将进、排气管和气缸分别简化成为一个个的控制容器， 控制容积内的工质状态只随时间变化， 反射，它由气体性质模型、燃烧模型、 组成【1 1 1 。 忽略进、排气系统的压力波的传播和 传热模型、经气门的流入流出模型等 在上世纪五十年代初期，柴油机模型的建立主要采用准线性法。l e d g e r 4 哈尔滨：i ：程人学硕十学位论文 和w a l m s l e y 通过采用准线性法，在一台复合型计算机上实现了涡轮增压柴油 机的仿真。而w i n t e r b o n e 等人用充排法建立了一个涡轮增压柴油机动态模型。 相对于准线性法对进、排气道不现实的预测，充排法的气道进气概念具有明 显的优点i l2 1 。 上世纪九十年代，h e n d r i c k s 建立了一台大型二冲程涡轮增压柴油机的动 态均值模型，该模型通过描述曲轴转速、进排气压力、空气质量流量和其他 几个可测的变量来体现过程的整体效果。这样就可以将看不见的柴油机内部 变量之间联系起来，也可以将这些内部变量与可测得的柴油机输入和输出变 量用简单的方法联系起来。对此模型严格的检验结果表明：在一段较长的运行 期内，甚至当供油量和负载迅速变化时，总是能得到可靠精确的结果。 近些年，k a o 和m o s k w a 提出了实时平均转矩模型和详细的热力学分缸 模型，并对两个模型进行了比较。m o s k w a 的平均转矩模型是准线性模型和 充排模型的结合体，它包括几个经验代数方程和一阶差分方程，方程中都需 要经验数据。平均转矩模型的子模型中都采用压力、温度和质量流量等的平 均值。在模型中，可由稳态或瞬态性能数据得出子模型方程中的系数常量， 然后用瞬态性能数据验证整个模型的正确性【1 3 】。 1 3 2 高压共轨燃油系统实时仿真模型 近年来，计算机技术的迅速发展，使得喷油系统的在线实时仿真成为可 能。本文研究的对象是高压共轨柴油机，由于高压共轨喷油系统在国外也是 近些年才发展成熟起来的，国内才刚刚有起步性的研究。而且柴油机高压共 轨燃油系统的原理和结构与传统的电控喷油系统有着很大的区别，因此建立 它的在线实时仿真模型可以参考的资料非常少，难度比较大。 通常来说，高压共轨燃油系统仿真都由电磁类模型、容器类模型( 柱塞 腔、共轨腔等) 、运动件模型( 针阀、控制阀等) 和管类通道模型( 高压油 管等) 等组成。在处理高喷油压力仿真时，有以下几种处理方法：1 ) 采用常 规的特征线法；2 ) 使用有限容积法；3 ) 考虑到高压共轨管与喷油器之间的高 压油管长度不足以引起压力波动而采用简化或忽略压力波动和压力损失的方 法计算【1 4 1 。以上各种模型的原理相似，只是具体的处理算法和采用的软件工 具有所不同，经实验对比，都能较好的达到仿真效果。 5 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 上文所介绍各种建模方法都是基于燃油的流动方程进行共轨系统建模仿 真，即使简化为燃油一维非定常的层流流动，但仍然需要求解微分方程组和 复杂的边界条件。对于硬件在环实时仿真来讲，仍然显得过于复杂，无法满 足系统实时性的要求。然而如果直接采用为m a p 图模型，又过于简化，且需 要大量的实验数据，也无法进一步有效研究油压的控制策略。因而，设计出 一种符合e c u 硬件在环仿真实验的柴油机共轨燃油系统的简化模型是非常 必要的。 由于本文柴油机模型采用的均值模型直接以循环平均参数为状态变量， 因此本文所建立的共轨燃油系统模型也是以柴油机各个循环间共轨系统平均 参数的变化为研究对象，对需要流体流动特性部分采用经验公式进行仿真， 这样就在保证计算精度的同时，大大减少了模型的计算量，保证了系统的实 时性。 1 4 本文的主要工作 本课题来源于实际工程项目“高压共轨柴油机电控系统开发”对半物理仿 真平台的需求。课题的目标是开发出一套可进行柴油机动态模型实时运算， 并能模拟出高压共轨柴油机e c u 所需的各种输入输出信号的柴油机模拟试 验平台，使其在实验室环境下能够完成对高压共轨柴油机e c u 的开发、测试 和标定。本文完成的主要工作如下： 1 、在广泛阅读国内外相关文献资料的基础上，对构建高压共轨柴油机模 拟试验平台的可行性和实用性进行分析论证，完成了模拟试验平台的总体结 构设计。 2 、在完成d s p 芯片的选型、通讯总线的选择以及各功能子模块的设计 的基础上，实现了高压共轨柴油机模拟试验平台实时仿真模块硬件电路的设 计与开发。 3 、针对康明斯公司生产的i s b e l 8 53 2 高压共轨柴油机，建立了用于在 线实时仿真的柴油机动态模型，并利用m a t l a b s i m u l i n k 软件进行了柴油机 模型的全数字动态仿真以验证模型可行性。 4 、在完成模拟试验平台实时仿真模块软件总体结构设计的基础上，编写 了系统程序，主要包括主程序、控制信号采集程序、起动信号检测程序、转 6 哈尔滨i ：群人学硕卜学何论文 速输出程序、定时中断程序以及c a n 总线通讯程序等。 5 、利用基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具l a b v i e w 建立了 p c 监控模块，该模块能够及时传递并随时修改柴油机相关参数，还能够实时 监测柴油机动态模型在e c u 控制下的状态指标。 6 、进行硬件在环仿真实验，完成了对模拟试验平台输入输出信号的校验， 实现了对高压共轨柴油机e c u 控制参数的标定。 7 哈尔滨1 ：稃火学硕十学位论文 第2 章模拟试验平台实时仿真模块硬件设计 整个高压共轨柴油机模拟试验平台主要包括试验平台实时仿真模块的硬 件电路设计、柴油机动态模型的软件实现以及p c 监控模块的设计等三方面 的工作。本章主要阐述高压共轨柴油机模拟试验平台实时仿真模块硬件电路 设计。 2 1 模拟试验平台总体结构设计 本文所研究的高压共轨柴油机模拟试验平台实际上是一个实时计算采集 控制系统，其主要由实时仿真模块和p c 机监控模块两部分组成，基本结构 如图2 1 所示。 e c u 实时仿真模块 匝 l 负载输入 堕型造“丽 p c y 信墨- 广一 t w v 信岂l 整形电路 曲麴整蕉鱼量 唼。喾 气温度l “ p c 监控模块 p c 机 留 。卜 0 i l 一 u s b c a n 接口卡 高压j 轨柴油机模拟试验平台 图2 1 系统组成框图 实时仿真模块是整个平台的核心部分，其主要功能是：在实现柴油机的 动态模型的实时仿真计算的同时进行实时高速的数据传输。它主要由d s p 模 块、高速接口模块( 其中包括转速输出模块、工作状态输出模块、控制信号 采集模块和负载设定模块等) 以及c a n 总线通讯模块等组成。由于实时仿 真模块对系统实时性要求严格，运算量大，在整个计算过程中包括了大量的 赢一 伦 匡亘 鼢 磊一 加骂圃翮匝急 哈尔滨i ：稗大学硕十学位论文 乘法、累加、三角函数等数字信号处理的基本运算，而一般的计算机系统只 能通过累加计算，利用软件顺序地实现各条指令，这将占用了大量的机器周 期而使之不能完成实时运算这一任务，因此本文采用的运算芯片是具有高速 并行处理特点的数字信号处理器( d s p ) 。d s p 芯片一改传统的冯诺依曼结 构，采用了程序存储区及其总线与数据存储区及其总线相分开的哈佛结构， 同时在硬件上设置了乘法累加器，可在单个指令周期内完成乘法累加运算， 这些特点都大大提高了系统的运算速度，从而保证了整个系统实时性。 p c 机监控模块能够及时传递并随时修改柴油机相关参数，同时还能实时 监测柴油机动态模型在e c u 控制下的状态参数。监控界面采用具有革命性的 图形化开发环境l a b v i e w 软件编写。监控界面通过u s b c a n 智能接口 卡与实时仿真模块实现c a n 总线通讯。由于c a n 总线通信协议具有很高的 数据安全性和高达1 m b p s 的通信速率，完全符合系统对数据传输的要求。 实际应用中，试验平台通常与柴油机e c u 连接，组成闭环开发或测试系 统，如图2 1 所示。其中作为高压共轨柴油机模拟试验平台开发测试对象的 e c u 主要由喷油器电磁阀( t w v ) 和油轨压力控制阀( p c v ) 及其功率驱动 电路，传感器信号处理电路，微控制器以及其他接口电路等几部分组成。 2 2d s p 模块设计 d s p 模块电路设计主要包括电源电路设计、复位电路设计、晶振电路设 计、j t a g 接口设计及存储器扩展电路设计等。 2 2 1d s p 芯片选型 要实现模拟试验平台的实时仿真模块的实时运行，首先就应选取合适的 d s p 芯片。现有的d s p 芯片存在多种型号和种类，其主要供应商包括美国的 t i 公司、a d 公司、a t & t 公司和f r e e s c a l e 公司【1 5 1 。由于各个公司d s p 产品的 适用场合不尽相同，在具体构建一个d s p 应用系统时需从以下几个方面进行 考察： 1 ) d s p 芯片的系统特点。每种d s p 都有自己比较适合的应用领域，在系 统设计时必须根据系统的特点进行选择。 9 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 2 ) d s p 芯片的算法格式。数字信号处理算法有多种，不同的系统、不同 的算法对算法的格式和处理的精度要求不同。浮点算法是相对较复杂的常规 算法，利用浮点数据可以实现大的数据动态范围，浮点d s p 在实现浮点算法 方面比定点d s p 容易，但成本和功耗高。所以考虑到成本、功耗等问题，定 点d s p 在实际应用中使用更为广泛。 3 ) 系统开发的难易程度。对于研究和样机的开发，一般要求系统工具能 便于开发，因此选择d s p 时需要考虑的因素有软硬件开发工具以及相应的技 术支持情况。 4 ) d s p 芯片的生命周期、价格、市场使用环境和供货情况【1 6 1 7 1 。 综合考虑以上各种因素，虽然t i 公司最新推出了t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 等浮点 d s p ，但考虑到产品的成熟度、成本以及开发难易程度等因素，本文还是选 择目前比较成熟、具有相当集成度的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 定点d s p ( 本文以后均简 称为f 2 8 1 2 ) 作为主处理器，以其为核心来构建高压共轨柴油机模拟试验平台 实时仿真模块。f 2 8 1 2 是t i 公司c 2 0 0 0 系列d s p 中一款性价比较高的器件，该 芯片即具备数字信号处理器卓越的数据处理能力，又像单片机那样具有适于 控制的片内外设和接口，十分适合本系统的使用。其主要特点如下： 1 ) 采用高性能的静态c m o s 技术，主频高达1 5 0 m h z ( 时钟周期可达 6 6 7 n s ) ； 2 ) 高性能的3 2 位c p u ( c 2 8 x ) ，支持1 6 位1 6 位以及3 2 位x 3 2 位的乘法加 法运算，采用哈佛总线结构模式，具有快速的中断响应和中断处理能力，兼 容c c + + 语言以及汇编语言； 3 ) 片内集成高达1 2 8 k x l 6 位的f l a s h 存储器和1 8 k x l 6 位的s r a m ； 4 ) 高速外设接口( x i n t f ) 最多可扩展1 5 m x l 6 位存储器，有编程等待 状态、读写信号选通时序可编程及3 个独立片选信号； 5 ) 3 个外部中断，外设中断模块( p i e ) 可以支持4 5 个外设中断； 6 ) 改进的e c a n 2 0 b 接口模块； 7 ) 多种串行通信接口( 2 个u a r t 、1 、- s p i 及1 个m c b s p ) ； 8 ) 适用于运动控制和电机控制的事件管理器( e v a 和e v b ) ； 9 ) 高性能低功耗，当c p u 主频为1 5 0 m h z 时内核电压仅为1 9 v ，i o 引脚 电压为3 3 v ； l o 哈尔滨r ：挥人学硕十学位论文 1 0 ) 先进的仿真性能，具有实时分析功能且支持硬件仿真，开发工具包 括d s p 集成环境( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ，c c s ) 和j t a g 仿真器； 1 1 ) 支持i q m a t h 库调用，可轻松地在f 2 8 1 2 芯片上实现精确的浮点运算且 计算速度快【1 8 , 1 9 】。 2 2 2 电源及复位电路设计 由于f 2 8 1 2d s p 要求采用双电源为c p u 、f l a s h 、a d c 以及i o 口等外 设供电。而且为了保证上电过程中所有模块具有正确的复位状态，要求处理 器上电掉电还要满足一定的次序要求。在上电过程中，首先应保证所有模块 的3 3 v 电压先供电，然后再提供1 9 v 电压，只有这样才能够保证在所有i o 状态确定后内核才上电，使处理器模块上电完成后处于一个正确的复位状态。 考虑到f 2 8 1 2 对上电顺序的严格要求，本文采用了t i 公司专用于d s p 供电 的电源管理芯片t p s 7 6 7 d 3 0 1 。t p s 7 6 7 d 3 0 1 为双路低压差电源调整器，可以 通过控制转换使能端从而控制输出电压的顺序【2 0 1 。 图2 2基于t p s 7 6 7 d 3 01 的d s p 电源电路 基于t p s 7 6 7 d 3 0 1 的d s p 电源电路如图2 2 所示，为了提高可靠性，外 部+ 5 v 电源经过电感滤波后输入t p s 7 6 7 d 3 0 1 电源芯片，将3 3 v 固定输出调 整器的使能引脚2 e n 接地。这样，在上电时2 0 u t 引脚就会输出3 3 v 电压。 此时，该引脚电压可使三极管2 n 2 2 2 2 饱和导通，从而把可调输出调整器的 第一路使能引脚1 e n 拉为低电平，然后再选择合适的取样电阻配置1 0 u t 引 脚输出为1 9 v ，这样就解决了两路不同电压输出以及它们的上电次序问题。 哈尔滨i ：袢人学硕十学何论文 最后，将两路调整器的复位输出引脚相连并通过一个1 0 k q 的上拉电阻与 3 3 v 电源连接起来，并接到f 2 8 1 2 的复位输入引脚，这样，只要两路输出电 压中任何一路电压下降到其门限电压以下，就会产生一个2 0 0 m s 的低电平脉 冲来复位f 2 8 1 2 2 。 由于本文选用的电源芯片自带电源监控及复位管理功能，因此在设计 f 2 8 1 2 复位电路时，只需再加上一个手动复位电路即可，电路如图2 3 所示。 ，矿 r 2 1 0 k r s i s l 匕c l 雨i ： 、1 0 u f 图2 3 手动复位电路 2 2 3 晶振电路设计 y l g n d 图2 4 晶振电路 f 2 8 1 2 的锁向环( p l l ) 模块主要用来控制d s p 内核的工作频率，可由外 部提供一个参考时钟输入，经过p l l 倍频或分频后提供给d s p 内核。f 2 8 1 2 d s p 有4 位倍频位，能够实现0 5 1 0 倍的倍频。图5 为本文设计的晶振电路， 选用的外部晶振频率为3 0 m h z 。 2 2 4j t a g 接口设计 在d s p 系统开发过程中，为了完成系统的集成与调试，必须使用硬件仿 真器( 主要包括x d s 5 1 0 和x d s 5 6 0 ) 。硬件仿真器通过边界扫描接口( j t a g ) 检测器件内部的寄存器、状态机以及引脚状态，从而实现对d s p 的仿真通讯 和内部f l a s h 的烧写操作。扫描仿真解决了传统电路仿真存在的电缆过长时 会引起的信号失真及仿真插头的可靠性差等问题，使得在线仿真成为可能， 给调试带来极大方便【2 2 1 。j t a g 仿真接口电路如图2 5 所示。 1 2 哈尔滨下程人学硕十学位论文 i il i l l 譬暑暑i ；宣i 宣葺宣置i 萱i i 高i 宣i i ；i i 宣宣i 葺i i ；i i i i i 宣；i 置暑i 葺暑暑i 宣i 置暑宣高皇i ；i i 嗣 1 0 k1 0 k 图2 5j t a g 仿真接口电路 2 2 5 存储器扩展电路设计 a 蚰 6 1 7 4 1 4 0 3 9 o a l 2 a 3 a 4 5 6 a 7 8 9 a 1 0 a 1 1 a 1 2 a 1 3 a 1 4 1 5 ，c 置 ，w e ，o e 厂a b 肥 譬譬譬 f 0 0 f 0 l 口0 2 玉，0 3 i 0 4 l ，0 5 工，