基于TMS320LF2407天然氣發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

近年來，數(shù)字信號處理器(DSP)芯片已經(jīng)廣泛用于自動控制、圖像處理、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、儀器儀表和家電等領(lǐng)域;DSP為數(shù)字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎(chǔ)。目前，應(yīng)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(shù)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(zhuǎn)換器、高性能的CAN模塊等，因此使用它可以降低開發(fā)難度，縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，有效地降低開發(fā)成本，具有很高的性價比。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000系列中最新的、集成度最高、性能最強(qiáng)的運(yùn)動控制DSP芯片。

天然氣作為動力能源是傳統(tǒng)燃料的理想替代品。各種天然氣發(fā)動機(jī)的專用電子控制系統(tǒng)不斷地涌現(xiàn)，使天然氣發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等各項(xiàng)性能不斷提高。天然氣專用發(fā)動機(jī)通過良好的控制可以比同等的汽油機(jī)和柴油機(jī)具有更低的排放，并且動力性能有很大的提高，因此選用高性能的DSP芯片設(shè)計(jì)好天然氣發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)是非常重要的。

2 TMS320LF2407芯片簡介

DSP芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。該芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的指令，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。

TMS320x24x系列數(shù)字信號處理器是TI(美國德州儀器)公司推出地一種面向數(shù)字馬達(dá)控制、嵌入式控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)開發(fā)的新型可編程DSP芯片。TMS320LF240x是x24x系列DSP控制器中的新成員，是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。LF240x的片內(nèi)程序存儲器為Flash EEPROM，包括LF2402、LF2406和LF2407三個型號。LF2407是x240x系列DSP控制器*能最強(qiáng)、片上設(shè)施最完備地一個型號，被廣泛用于代碼開發(fā)、系統(tǒng)仿真及實(shí)際系統(tǒng)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(zhí)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)時控制能力。

(2) 兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器;8個16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和逆變器等。

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

3 TMS320LF2407芯片在天然氣發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是選用單片機(jī)來控制，一是其運(yùn)行速度不高，達(dá)不到很好的實(shí)時控制，不能有效的起到在線檢測控制的效果;二是單片機(jī)的集成度較低，片上不具備運(yùn)動控制系統(tǒng)所需的專用外設(shè)，這就需要較多的元器件，增加了系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性。然而選用TI(美國德州儀器)公司的x240x系列DSP芯片，片上集成了專用的運(yùn)動控制外設(shè)電路，且其內(nèi)部的DSP核可提供更高的運(yùn)算速度、運(yùn)算精度和處理大量數(shù)據(jù)運(yùn)算的能力。DSP芯片能較好地滿足系統(tǒng)的實(shí)時性要求，能夠比較方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。

3.1控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的主要功能是通過兩個轉(zhuǎn)速傳感器和一個溫度傳感器，一個轉(zhuǎn)速傳感器測得信號來控制各缸的點(diǎn)火時間，另一個轉(zhuǎn)速傳感器測得信號來計(jì)算轉(zhuǎn)速，溫度傳感器是測量排放尾氣的溫度，通過測得的轉(zhuǎn)速和尾氣溫度來判斷發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況，再根據(jù)一些控制規(guī)則來調(diào)節(jié)電磁閥來控制天然氣和空氣的進(jìn)氣量，從而使發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，以提高天然氣發(fā)動機(jī)的動力性能。

控制系統(tǒng)采用TMS320LF2407的DSP芯片，系統(tǒng)的外圍元件很少，電路結(jié)構(gòu)很簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示：

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1)人機(jī)接口部分的設(shè)計(jì)：

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

HD7279A是一片具有串行接口的智能顯示驅(qū)動芯片，可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管和連接64鍵的鍵盤矩陣，無需外圍元件可直接驅(qū)動LED，單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能。電路如圖2所示：

HD7279A應(yīng)連接共陰式數(shù)碼管，應(yīng)用中無需用到的鍵盤和數(shù)碼管可以不連接。若不用鍵盤，則圖2中的連接到鍵盤的8只10K電阻和8只100K下拉電阻均可以省去。若使用了鍵盤，則電路中的8只100K下拉電阻均不得省略。若不用數(shù)碼管，則圖2中串入DP及SA-SG連線的8只0.2K電阻可省去，否則不能省略。實(shí)際應(yīng)用中8只下拉電阻和8只鍵盤連接位選線DIG0-DIG7的8只位選電阻應(yīng)遵從一定的比例關(guān)系，下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍。

HD7279A需要外接RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作，其典型值分別為R=1.5K,C=15pF，若芯片無法正常工作，要首先檢查此振蕩電路。

圖2 鍵盤和LED顯示

2)信號采集部分的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要采集天然氣發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和排氣溫度。

轉(zhuǎn)速傳感器采集的信號是脈沖信號經(jīng)過LF356放大，再經(jīng)過LM339比較器整形后，通過光電隔離送到DSP的I/O口，通過所得的脈沖信號個數(shù)來計(jì)算出轉(zhuǎn)速值。

排氣溫度在800度左右，因此溫度信號使用K型熱電偶采得，由AD590構(gòu)成熱電偶冷端溫度補(bǔ)償，經(jīng)過OP07放大后送到DSP的模擬信號端口。電路框圖如圖3所示：

圖3 轉(zhuǎn)速、溫度信號采集框圖

AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器，只需在其二端加上一定的工作電壓，則其輸出電流隨溫度變化產(chǎn)生線性變化，溫度每變化1℃，輸出電流變化1μA。采用AD590對熱電偶進(jìn)行溫度補(bǔ)償，根據(jù)不同的熱電偶的塞貝克系數(shù)，選取合適的電阻，使其讀數(shù)變化的電壓變化與熱電偶此時的冷端電動勢抵消，從而達(dá)到溫度補(bǔ)償。

3.2軟件設(shè)計(jì)

軟件采用匯編語言編寫，使用TI公司的CC2000開發(fā)環(huán)境，主程序主要是實(shí)現(xiàn)顯示功能和數(shù)據(jù)采集功能。主程序流程圖如圖4所示：

圖4 主程序流程圖

在控制程序中，將計(jì)算出的轉(zhuǎn)速和溫度與期望值比較，得出誤差和誤差變化率，再根據(jù)制定好的控制規(guī)則來調(diào)整燃?xì)夂涂諝獾碾姶砰y，從而改變?nèi)細(xì)夂涂諝獾倪M(jìn)氣量，以便輸出恒定的轉(zhuǎn)速。DSP芯片內(nèi)部具有電動機(jī)控制專用硬件機(jī)制，能夠直接產(chǎn)生PWM波形，這樣可以直接用來控制燃?xì)夂涂諝獾碾姶砰y。

4 結(jié)語

基于DSP芯片構(gòu)成的控制系統(tǒng)事實(shí)上是一個單片系統(tǒng)，因?yàn)檎麄€控制所需的各種功能都可由DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。因此，可以減小目標(biāo)系統(tǒng)的體積，減少外部元件的個數(shù)，增加系統(tǒng)的可靠性。對于那些性能和精度要求高、實(shí)時性強(qiáng)、體積小的場合，基于DSP芯片來構(gòu)成控制系統(tǒng)是具有很高性能價格比的實(shí)現(xiàn)方法。