基于FPGA的汽車油改氣電控系統(tǒng)的研究與設計
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1 系統(tǒng)總體結構
本系統(tǒng)以FPGA為中心，主要包括以下部分：(1)信號采集部分：包括一系列的汽車傳感器，實時獲取發(fā)動機各項參數(shù)；(2)ECU模塊：系統(tǒng)的控制核心；(3)執(zhí)行機構：實時執(zhí)行ECU的控制指令，使發(fā)動機正常工作；(4)人機交互界面設計：完成上下位機之間異步串行通信，實時觀測系統(tǒng)運行狀況。圖1為系統(tǒng)總體結構圖。
2 FPGA主要模塊實現(xiàn)
根據(jù)汽車電控單元的需求，設計選用的FPGA是ACTEL公司基于非易失性Flash技術的A3P250器件(100-VQFP)。器件采用了精細顆粒架構VersaTile，具有250K系統(tǒng)門結構，采用了130 nm的工藝技術，內核電壓1.5 V，時鐘頻率48 MHz。A3P250是反熔絲的，抗輻射、耐高低溫、功耗低、速度快，應用較廣。FPGA功能模塊描述語言主要包括時鐘邏輯模塊、A/D采樣控制模塊、模糊控制模塊、步進電機控制模塊、PWM產生模塊、UART通信模塊等。系統(tǒng)設計模塊如圖2所示。
2.1 時鐘邏輯模塊
該設計中，外部輸入的時鐘為48 MHz，由于設計中需要多種不同的時鐘信號， 所以必須設計一個可根據(jù)采集需要任意分頻的時鐘邏輯模塊，且必須準確，才能保證整個系統(tǒng)的正常工作。同時采用同步時序電路，它是基于時鐘觸發(fā)沿設計，對時鐘的周期、占空比、延時、抖動提出了更高的要求。分頻器是FPGA設計中使用頻率非常高的基本單元之一。通過自主設計進行時鐘分頻的實現(xiàn)方法靈活性好，節(jié)省系統(tǒng)硬件資源，而且這種方式只消耗不多的邏輯單元就可以實現(xiàn)對時鐘操作的目的。
2.2 采樣控制模塊
ADC0809轉換模塊程序流程圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號多數(shù)都來源于現(xiàn)場傳感器的輸出信號，傳感器種類不一，致使信號特性也不同。各通道信號的幅度與頻率范圍有很大的不同，高精度的、大動態(tài)范圍的A/D轉換芯片使設計更能滿足測量的需要， 特別是對寬頻帶弱信號的采集顯得尤其必要。本設計中A/D轉換模塊選用了ADC0809和AD1674芯片，ADC0809主要用于節(jié)氣門信號采集，兩片AD1674芯片主要用于實際轉速信號和設定轉速信號的采集。
2.2.1 ADC0809轉換控制模塊
當FPGA啟動數(shù)據(jù)采集時，掃描時鐘便開始工作，同時掃描周期計時器和采樣周期計時器開始計時。48 MHz時鐘經過FPGA分頻得到500 kHz的CLK作為ADC0809的驅動時鐘，利用狀態(tài)機實現(xiàn)對A/D的控制，采集過程完全按照A/D的工作時序。當單次A/D采集完成，便立即更新地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。轉換完后將按照此次任務規(guī)定的采集參數(shù)進入A/D芯片前的采集模擬電路建起，等待下次采樣周期到來。
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