基于數字信號處理器的天然氣發(fā)動(dòng)機控制系統設計

1 引言

近年來(lái)，數字信號處理器(DSP)芯片已經(jīng)廣泛用于自動(dòng)控制、圖像處理、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )設備、儀器儀表和家電等領(lǐng)域;DSP為數字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎。目前，應用最廣泛的DSP芯片是TI(德州儀器)公司的產(chǎn)品，TMS320C2000系列是該公司的適合于數字控制的一種DSP。這種系列DSP芯片具有完美的性能并集成了閃存、高速A/D轉換器、高性能的CAN模塊等，因此使用它可以降低開(kāi)發(fā)難度，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，有效地降低開(kāi)發(fā)成本，具有很高的性?xún)r(jià)比。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000系列中最新的、集成度最高、性能最強的運動(dòng)控制DSP芯片。

天然氣作為動(dòng)力能源是傳統燃料的理想替代品。各種天然氣發(fā)動(dòng)機的專(zhuān)用電子控制系統不斷地涌現，使天然氣發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、排放性等各項性能不斷提高。天然氣專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機通過(guò)良好的控制可以比同等的汽油機和柴油機具有更低的排放，并且動(dòng)力性能有很大的提高，因此選用高性能的DSP芯片設計好天然氣發(fā)動(dòng)機控制系統是非常重要的。

2 TMS320LF2407芯片簡(jiǎn)介

DSP芯片是一種具有特殊結構的微處理器。該芯片的內部采用程序和數據分開(kāi)的哈佛結構，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線(xiàn)操作，提供特殊的指令，可以用來(lái)快速地實(shí)現各種數字信號處理算法。

TMS320x24x系列數字信號處理器是TI(美國德州儀器)公司推出地一種面向數字馬達控制、嵌入式控制系統和數字控制系統開(kāi)發(fā)的新型可編程DSP芯片。TMS320LF240x是x24x系列DSP控制器中的新成員，是為了滿(mǎn)足控制應用而設計的。LF240x的片內程序存儲器為Flash EEPROM，包括LF2402、LF2406和LF2407三個(gè)型號。LF2407是x240x系列DSP控制器*能最強、片上設施最完備地一個(gè)型號，被廣泛用于代碼開(kāi)發(fā)、系統仿真及實(shí)際系統中，其主要特點(diǎn)：

(1) 采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗;30MIPS的執行速度使得指令周期縮短到33ns(30MHz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。

(2) 兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器;8個(gè)16位的脈寬調制(PWM)通道。適用于控制交流感應電機、無(wú)刷直流電機、步進(jìn)電機和逆變器等。

(3) 10位A/D轉換器最小轉換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉換器或一個(gè)16位通道輸入的A/D轉換器。

3 TMS320LF2407芯片在天然氣發(fā)動(dòng)機控制系統中的應用

傳統的控制系統是選用單片機來(lái)控制，一是其運行速度不高，達不到很好的實(shí)時(shí)控制，不能有效的起到在線(xiàn)檢測控制的效果;二是單片機的集成度較低，片上不具備運動(dòng)控制系統所需的專(zhuān)用外設，這就需要較多的元器件，增加了系統電路的復雜性，降低了系統的可靠性。然而選用TI(美國德州儀器)公司的x240x系列DSP芯片，片上集成了專(zhuān)用的運動(dòng)控制外設電路，且其內部的DSP核可提供更高的運算速度、運算精度和處理大量數據運算的能力。DSP芯片能較好地滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求，能夠比較方便實(shí)現復雜的控制算法。

3.1控制系統的硬件設計

控制系統的主要功能是通過(guò)兩個(gè)轉速傳感器和一個(gè)溫度傳感器，一個(gè)轉速傳感器測得信號來(lái)控制各缸的點(diǎn)火時(shí)間，另一個(gè)轉速傳感器測得信號來(lái)計算轉速，溫度傳感器是測量排放尾氣的溫度，通過(guò)測得的轉速和尾氣溫度來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機的運行情況，再根據一些控制規則來(lái)調節電磁閥來(lái)控制天然氣和空氣的進(jìn)氣量，從而使發(fā)動(dòng)機的轉速恒定，以提高天然氣發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性能。

控制系統采用TMS320LF2407的DSP芯片，系統的外圍元件很少，電路結構很簡(jiǎn)單，系統結構簡(jiǎn)圖如圖1所示：

圖1系統結構簡(jiǎn)圖

1)人機接口部分的設計：

主要設計8位LED顯示和20鍵鍵盤(pán)，一是為了轉速和排氣溫度的顯示，一是點(diǎn)火角度的輸入和調整。采用了一種鍵盤(pán)和數碼管的智能控制芯片HD7279A和DSP芯片相連，只需用DSP的4個(gè)I/O口，能夠有效的減少硬件電路，提高系統可靠性。由于TMS320LF2407的I/O口輸出都是3.3V，和HD7279A引腳相連時(shí)可以加鉗位電路。