军车电控单元ECU数据提取与远程传输究 正文1

军车电控单元ECU数据提取与远程传输的研究

摘 要

本文开发出一套实用的 ECU 硬件在环仿真系统，目的是向发动机电控系统提供一个理想的开发平台。作为一门新兴的应用技术， ECU 硬件在环仿真系统 (ECU HILSS) 可以看成是一套软硬件高度集成的实时仿真工具。它作为虚拟发动机的载体直接与 ECU系统相连，接受 ECU 的控制调节，并向 ECU 提供相应控制下的发动机实时运转工况 信息，这样就相应地减少了台架试验，在节省各种人力物力的同时，缩短了系统调试时间。

本文论述了电控发动机的数据提取与远程传输的原理，分析了国内外 ECU 硬件在环仿真系统的构建方案。在现有技术和实验室条件的基础上，构建了一种具有较好通用性和扩展性的发动机 ECU HILSS。该系统的硬件结构，采用 PC 机作为宿主计算机为硬件在环仿真提供方便易用的开发平台；基于虚拟仪器开发平台 LabVIEW 构建了发动机动态模型实时仿真系统；通过信号接口系统模拟发动机各个传感器信号并采集提取 ECU 的输出控制信号；宿主机和信号接口系统之间通过高速串口实现双向通信；利用 LabVIEW8.2 搭建上位机监控系统，实现了发动机动态数据提取、实时曲线显示、数据保存以及数据分析等功能。并且建立了电控发动机的动态平均值模型，详细描述了燃油及油膜、进气歧管空气质量流量、进气歧管压力子模型；并首次利用先进 TMS320F2812-DSP 芯片设计了信号接口系统，实现了ECU 输出的数据的提取和传感器信号的远程传输。

最后对 ECU HILSS 的整体联调，对实时仿真系统进行了部分功能的验证。经验证 ，本文研制的 ECU 硬件在环仿真系统合理可行，能够完成预定的功能，在进一步完善后可达到良好的实用性。

关键词：电控单元ECU；数据提取；数据的远程传输；LabVIEW

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第一章 绪论

一、ECU硬件在环仿真技术的应用背景

汽车数量与日俱增，汽车尾气排放对大气污染的程度日趋严重。从60 年代起，一些发达国家相继制定了限制汽车废气中CO、HC和NO 等有害气体排放量的汽车排放法规。 1973 年全球性石油危机发生后，人们逐渐认识到节约能源的重要意义，各国相 继制定了汽车燃油经济性法规和加强替代燃料发动机的研究。为减少机动车排放污染，保护大气环境，我国在 2007 年由国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局联合发布了新的国家机动车排放标准，新标准的排放控制水平相当于欧洲 III 号排放法规的水平。

发动机燃料喷射装置要求同时实现低排放、低油耗以及高动力性能的要求，不仅要控制燃料喷射量和点火正时随转速变化而变化，而且还必须控制燃油喷射量和点火正时随负载变化而发生模式较为复杂的变化，同时还必须对温度和进气管压力等因素进行补偿控制。微电子技术、自动控制技术的快速发展，使得发动机电控单元的软硬件技术也随之逐渐成熟，其性能、成本和可靠性等已能满足控制系统的实用要求，为实现发动机的全工况综合调控提供了有力的技术保障，发动机的电控技术己成为减少环境污染、节能降耗、达到国家排放标准的重要手段之一。

目前，国内的各大院校、研究机构和电子企业虽对汽车电子系统 ( 包括燃油电喷、防抱死系统等 ) 作过大量的研究探索工作，而且所研究的汽车电子装置可以实现其功能,但是由于研究条件限制，难以形成产业化，如北京理工大学、清华大学汽车工程研究所和汽车安全与节能国家重点实验室、浙江大学和长安大学等在汽车电控技术开发系统和台架试验作了大量研究和探索。需要指出的是：目前国内发动机的电控研究主要还是 集中在对发动机燃料供给系统（燃油、天然气或 LPG ）进行电控这一环节，研制其它系统的子控制，并将各电控系统进行有机的综合以及对整个动力 输出装置进行电控的研 究多数仍处于初始研究阶段。因此，本文所指的电控系统专用于发动机管理的电控系统，是一种狭义的电控系统。以发动机电控喷油系统为例，其大体组成如图 1所示。

从图 1可以看出，除基本机械元件外，电控系统主要包括传感器、控制单元和

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执行机构三个部分。传感器实时检测出发动机的运行状态和使用者的操作控制，并传递给控制单元，其提供的参数包括进气压力、机体温度、发动机转速、负荷和油门位置等信息。控制单元通常是包含了输入输出接口的单片机系统，它负责信息的采集处理和计算决策，根据发动机自身状态和环境条件按已储存的资料选择最佳运行案后将最终结果作为控制指令输出到执行器，此外它还可扩展出与其它控制系统进行通讯等功能。执行器则是根据控制器送来的执行指令，调节喷油量和喷油正时的相应机构，从而调节发动机的运行状态。

图1发动机电控系统简图

实践表明：与传统的发动机相比使用电控系统的发动机不仅能在输出功率和扭矩方面满足各种要求，而且油耗全面下降，电控汽油喷射发动机可以实现对发动机混合气空燃比及点火提前角的精确控制，从而可使功率提高5%~10%；燃油消耗率降低5%~15%；有害气体的排放量减少 20% 左右，可达到当前所执行的最严格的排放法规和燃油经济性法规的要求低速不稳定性和噪音得到改善；冷启动迅速；暖车时间缩短；加速性能好，同时还具备故障诊断和后备运行功能。这些优化的性能不仅充分展

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示了现代发动机发展的巨大潜力，而且也充分表明了发动机电控系统应用的必然趋 势。

随着汽车发动机的电控系统日益复杂，控制日益优化，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：首先设计电控单元，接着对原机型进行改造，然后通过台架试验进行匹配测试，由测试结果修正电控部分及相应样机结构，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，不利于电控系统紧跟市场需求，更新换代，而且有时周围的环境条件不能保证测试工况的实现，不易保证调试电控系统时所需工况的可重复性；此外电控系统设计时需大量的发动机实验数据，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，进行大量动态试验都是不可能的。

由此可以看出，要克服以上不足，加速 ECU 的开发过程，关键就是要减少ECU调试对台架试验的依赖性。在这一趋势推动下，利用计算机辅助设计 —— 计算机仿真技术，尤其是硬件在环仿真技术来虚拟发动机ECU的数据提取与远程传输，将台架试验简化为方便可靠的仿真过程也就成了发动机 ECU 开发的必然要求。

二、论文的研究背景和主要工作

实时仿真技术对计算机性能的要求较高，它用于汽车控制系统的设计和开发只是近几年随着计算机的快速发展而发展起来的，因此尽管一些国外公司和院校已将 ECU 硬件在环仿真系统作为开发发动机电控系统的工具，但是在这一领域公开发表的文献为数不多。

国内在发动机 ECU 硬件在环仿真系统方面的研究起步较晚，就现有文献来看，目前只有清华大学、北京理工大学、浙江大学等少数几所高校对有关 ECU 硬件在环实时仿真系统进行研究。由于实时仿真系统对构成硬件的性能要求很高，而国内硬件技术较为薄弱，缺乏现实的技术支持就难以实现整套系统的真正可行，因此以往所做的工作均处在原理性试验检测阶段，发表的相关论文大多以总体方案探讨为主，离实用还有很大差距。

本课题以北京吉普汽车有限公司生产的 BJ2020V 系列轻型越野汽车装备的

C498Q A型四缸、多点燃油喷射汽油机为发动机模型的原型，并采用西门子公司的

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