基于FPGA的汽车油改气电控系统的研究与设计

随着全球资源短缺、环境污染和生态环境的恶化，与环境的相容性研究已经成为发展研究的主题。天然气具有排放污染显著降低、燃料经济性好、安全性高、发动机寿命长等优点，因此被认为是未来最有前途的一种汽车燃料。在这种强大的市场需求驱动下，方案势在必行，可以根据汽车外部采集的数据对其进行分析、研究与设计。
1 系统总体结构
本系统以为中心，主要包括以下部分：(1)信号采集部分：包括一系列的汽车传感器，实时获取发动机各项参数；(2)ECU模块：系统的控制核心；(3)执行机构：实时执行ECU的控制指令，使发动机正常工作；(4)人机交互界面设计：完成上下位机之间异步串行通信，实时观测系统运行状况。图1为系统总体结构图。

2 主要模块实现
根据汽车电控单元的需求，设计选用的是ACTEL公司基于非易失性Flash技术的A3P250器件(100-VQFP)。器件采用了精细颗粒架构VersaTile，具有250K系统门结构，采用了130 nm的工艺技术，内核电压1.5 V，时钟频率48 MHz。A3P250是反熔丝的，抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快，应用较广。FPGA功能模块描述语言主要包括时钟逻辑模块、A/D采样控制模块、模糊控制模块、步进电机控制模块、PWM产生模块、UART通信模块等。系统设计模块如图2所示。

2.1 时钟逻辑模块
该设计中，外部输入的时钟为48 MHz，由于设计中需要多种不同的时钟信号， 所以必须设计一个可根据采集需要任意分频的时钟逻辑模块，且必须准确，才能保证整个系统的正常工作。同时采用同步时序电路，它是基于时钟触发沿设计，对时钟的周期、占空比、延时、抖动提出了更高的要求。分频器是FPGA设计中使用频率非常高的基本单元之一。通过自主设计进行时钟分频的实现方法灵活性好，节省系统硬件资源，而且这种方式只消耗不多的逻辑单元就可以实现对时钟操作的目的。
2.2 采样控制模块
ADC0809转换模块程序流程图如图3所示。数据采集系统的输入信号多数都来源于现场传感器的输出信号，传感器种类不一，致使信号特性也不同。各通道信号的幅度与频率范围有很大的不同，高精度的、大动态范围的A/D转换芯片使设计更能满足测量的需要， 特别是对宽频带弱信号的采集显得尤其必要。本设计中A/D转换模块选用了ADC0809和AD1674芯片，ADC0809主要用于节气门信号采集，两片AD1674芯片主要用于实际转速信号和设定转速信号的采集。

2.2.1 ADC0809转换控制模块
当FPGA启动数据采集时，扫描时钟便开始工作，同时扫描周期计时器和采样周期计时器开始计时。48 MHz时钟经过FPGA分频得到500 kHz的CLK作为ADC0809的驱动时钟，利用状态机实现对A/D的控制，采集过程完全按照A/D的工作时序。当单次A/D采集完成，便立即更新地址寄存器和数据寄存器。转换完后将按照此次任务规定的采集参数进入A/D芯片前的采集模拟电路建起，等待下次采样周期到来。