AVR單片機的天然氣發(fā)動(dòng)機系統設計

對原機的改造主要是燃料供應及噴射系統的改造，用一套完整的天然氣供給系統和電控系統來(lái)實(shí)現改造目的。所使用的天然氣是由高壓氣瓶（CNG）提供的壓縮天然氣， 出口壓力達到20 MPa。圖1所示為供氣系統示意圖。該設計實(shí)現了高壓天然氣的可靠存儲和壓力轉換，并可對供氣壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監測[1]。

圖1 CNG供氣系統示意圖

2 電控單元

電控單元選用Atmel公司的AVR單片機，利用單片機C語(yǔ)言進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，并且采用了多片式ECU設計。

（1） 多片式ECU

圖2 多片式ECU結構簡(jiǎn)圖

多片式ECU是指在一個(gè)電控單元ECU中使用多個(gè)單片機（MCU）。各個(gè)MCU分別承擔不同的工作內容。

圖2所示為多片式ECU的結構簡(jiǎn)圖?？紤]到控制系統的性能和特點(diǎn)，對3個(gè)MCU的任務(wù)做出如下分配：一個(gè)MCU專(zhuān)門(mén)負責點(diǎn)火，根據主MCU計算的數據和實(shí)際發(fā)動(dòng)機運行情況，精確控制點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火線(xiàn)圈的閉合時(shí)間，實(shí)現發(fā)動(dòng)機電子點(diǎn)火。另一個(gè)MCU專(zhuān)門(mén)負責燃氣噴射，根據主MCU計算的數據和實(shí)際發(fā)動(dòng)機運行情況，精確控制燃氣噴射時(shí)刻和噴射量，實(shí)現發(fā)動(dòng)機電控燃氣噴射。主MCU主要接收各種傳感器采集的數據并進(jìn)行計算，同時(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機的怠速控制和與監控系統進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，在怠速過(guò)程中完成對進(jìn)空氣量的準確控制，從而保證發(fā)動(dòng)機轉速的穩定，同時(shí)負責外界與發(fā)動(dòng)機之間的通信，實(shí)時(shí)地了解發(fā)動(dòng)機當前的狀態(tài)，為下一步發(fā)動(dòng)機控制提供良好的信息反饋。另外，分別將點(diǎn)火和噴射數據傳輸給點(diǎn)火和燃氣噴射的MCU，同時(shí)提供額外的控制功能。

作為發(fā)動(dòng)機ECU的核心部分，3個(gè)MCU必須采用功能強和運算速度高的單片機。針對本系統，采用3個(gè)Atmel公司AVR系列單片機組成多片式ECU控制系統，它們分別針對不同的對象各自分擔任務(wù)。如上所述，其中兩個(gè)ATmega8單片機，一個(gè)用于控制發(fā)動(dòng)機的電子點(diǎn)火，一個(gè)作為ECU主控單片機；另外一個(gè)ATmega128單片機控制發(fā)動(dòng)機的燃料噴射量[24]。

考慮到控制系統需要以及單片機的性能特點(diǎn)，在 多片式ECU中采用了兩個(gè)ATmega8單片機，其中用于控制發(fā)動(dòng)機電子點(diǎn)火的MCU引腳圖及其附屬電路如圖3所示。

圖3 用于點(diǎn)火控制的ATmega8單片機引腳圖

另一個(gè)作為ECU主控單片機，同時(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機的怠速和ECU與監控軟件的串口通信控制，引腳圖及其附屬電路如圖4所示。

圖4 主控ATmega8單片機引腳圖

另外考慮到燃氣噴射的復雜性，選用了AVR家族另一款存儲空間大、引腳多、性?xún)r(jià)比高的ATmega128單片機來(lái)控制發(fā)動(dòng)機的燃料噴射。圖5為用于噴氣控制的ATmega128單片機引腳圖及其附屬電路。