在發(fā)動機電子控制燃油噴射系統(tǒng)中，通過三通高速電磁閥的開啟時刻決定發(fā)動機的噴油正時；在一定的噴油壓力下，噴油器電磁閥通電時間的長短(即噴油脈寬" title="脈寬">脈寬)決定噴油量。因此，不但要對噴油器電磁閥開啟時刻進行精確控制，而且要對噴油器電磁閥通電時間脈寬進行準確控制，以達到對發(fā)動機的噴油正時和噴油量的精確控制。要解決噴油正時和噴油量的可控制性問題，首先要研發(fā)電控噴油器，而電控噴油器的關鍵技術之一就是高速電磁閥的開發(fā)。研發(fā)電磁閥的驅動電路和參數(shù)檢測試驗系統(tǒng)是開發(fā)新型電控噴油器的基礎和前提。
　　根據(jù)車用噴油器電磁閥驅動的特點，本文研制了以單片機PIC18F4450為下位機、PC機為上位機的多路車用電磁閥智能驅動及參數(shù)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有可編程設定電磁閥的驅動電壓、提升和保持電流大小、電磁閥驅動電流的寬度、頻率等功能；還能對電磁閥驅動的開啟延時時間和關閉延時時間等動態(tài)特性參數(shù)進行實時檢測。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)由外部輸入脈沖以及內部計算產生脈沖兩種方式驅動電磁閥，通過數(shù)據(jù)通訊在PC機上顯示電磁閥驅動的電流響應過程曲線。同時，根據(jù)車用電磁閥驅動要求和檢測的參數(shù)，對電磁閥進行診斷并輸出結果。該系統(tǒng)可用于高速電磁閥出廠檢測和標定。
1 硬件設計
　　為了實現(xiàn)電磁閥的驅動電壓、提升保持電流以及電磁閥工作脈寬和間隔可調，本系統(tǒng)采用了可編程的方式，如圖1所示。該系統(tǒng)的核心是PIC18F4450微控制器。PC機通過USB口向微控制器PIC18F4450傳送驅動電壓、提升保持電流等參數(shù)，然后微控制器根據(jù)相應的參數(shù)輸出脈沖以驅動電磁閥實現(xiàn)提升保持電路。同時，微控制器將采集到的電磁閥開啟延時時間、關閉延時時間以及電磁閥驅動電流波形等通過USB口傳往PC機以實現(xiàn)電磁閥特征的檢測。

1.1 高壓電源模塊
　　高壓電源對于電磁閥的驅動十分重要。高壓電源的電壓大小對電磁閥的響應、壽命等有很大影響。為了實現(xiàn)系統(tǒng)對可編程高壓電壓的要求，本系統(tǒng)采用基于UC3842的帶電壓反饋的PWM方式實現(xiàn)電壓從+24V到目標電壓V_out的提升。高壓電源模塊結構如圖2所示。高壓模塊輸出的電壓V_out經過R₁、R_L分壓后的反饋輸入到UC3842中，反饋電壓一直提升到2.5V為止，如式1所示。
　　
　　通過設置不同的分壓電阻R_L，高壓電源模塊即可以輸出不同電壓值的電源。本系統(tǒng)的分壓電阻R_L采用可編程的方式來實現(xiàn)。微處理器根據(jù)PC機傳來的所需驅動電壓V_out，根據(jù)式(1)計算出需要接入的電阻值，然后通過I²C總線設置數(shù)字電位器通道1為對應的電阻值R_L，高壓電源模塊即輸出相應電壓的電源。

1.2 電磁閥驅動模塊
　　電磁閥的驅動電路采用高低端控制方式，高端采用開關控制，低端采用PWM電流反饋閉環(huán)控制。這樣不僅可以實現(xiàn)電磁閥的電流提升和保持控制，而且在噴油器電磁閥關閉時，可實現(xiàn)噴油器電磁閥在關斷時產生的能量的回收，以提高蓄電池的工作時間，減小工作電流。每個電磁閥按照電磁閥的奇偶編號分為COM1和COM2兩組。以驅動六個噴油器電磁閥為例，驅動模塊工作原理圖見圖1。
　　電磁閥驅動電路的高端采用開關方式。根據(jù)電磁閥開啟觸發(fā)脈沖的不同，分為外部輸入脈沖信號和內部計算產生脈沖信號兩種方式。(1)當驅動信號為外部輸入脈沖時，微處理器的D口設置為輸入口方式，用于檢測輸入的脈沖信號。(2)當驅動信號需要微處理器自己計算產生時，微處理器的D口設置為輸出方式。微處理器根據(jù)輸入的發(fā)動機轉速、驅動脈寬以及電磁閥數(shù)量在D口上依次輸出所要求的脈寬和周期的方波信號。外部輸入的脈沖信號或PIC18F4450計算產生的方波信號分為奇偶兩組經過三端“或門”分別輸入PIC18F4450的CCP1、CCP2端口,其中CCP1、CCP2工作在輸入脈沖捕捉模式。PIC18F4450根據(jù)CCP端口以及D端口的狀態(tài)在B端口輸出高端控制脈沖outM1～OUTM6,經過驅動保護電路后用于控制MOSEFT管Q1～Q6的開關狀態(tài)。

　　電磁閥低端驅動電路則通過PIC18F4450內部的比較器" title="比較器">比較器實現(xiàn)。PIC18F4450內部共有兩個可編程比較器C1、C2,每個比較器有八種可編程模式，本系統(tǒng)采用了其中三種，分別為011、100以及110模式。如圖3所示，驅動電流經過采樣電阻形成電壓后經過Cin口進入比較器的一端；比較器的參考電壓則根據(jù)工作模式的不同分為內部參考電壓模式和外部輸入?yún)⒖茧妷耗Ｊ?。其中，內部參考模?10如圖3中相應部分所示，其參考電壓Vref-H由PIC18F4450內部產生。參考電壓范圍為1.25V～3.59V,分辨率為0.156V，用于本系統(tǒng)的可編程電磁閥提升電流參考電壓。工作在模式011和模式100下的比較器則采用外部參考電壓模式。其中，比較器在模式011下工作時的比較結果直接輸出到引腳RE1、RE2上，比較器在模式100下工作時比較結果則不輸出，只是對內部寄存器置位。本檢測系統(tǒng)共采用兩種外部可編程比較電壓：Vref-L和Vref-OFF，分別用于電磁閥在保持電流工作模式和關閉時間檢測模式下的參考電壓。通過PIC18F4450與數(shù)字電位器間的I²C通訊，數(shù)字電位器的通道2可以輸出可編程的參考電壓作為比較器C1、C2的參考電壓。
　　電磁閥的低端工作時序如圖4所示。其流程如下：(1)系統(tǒng)初始化完畢后，設置CCP為上升沿捕捉模式，允許CCP中斷。(2)捕捉到CCP中斷后，打開低端驅動；設置比較器工作模式為110，設置內部參考電壓為Vref-H作為提升參考電壓，允許比較器中斷；設置CCP為下降沿捕捉中斷。(2)比較器中斷中，電磁閥已經達到設定的提升電流后，設置數(shù)字電位器的通道2輸出電壓為保持參考電壓Vref-L。關閉電磁閥低端驅動。(3)延時一段時間后，改變比較器工作模式為011模式，電磁閥進入PWM反饋控制的保持電流階段。(4)CCP捕捉到下降沿中斷后，設置比較器工作模式為011，關閉高低端驅動;設置數(shù)字電位器的通道2輸出電壓為關閉參考電壓Vref-OFF。(5)比較器中斷后，設置CCP為上升沿中斷，允許CCP中斷。

1.3 檢測模塊
　　本系統(tǒng)檢測模塊分為電磁閥的提升關閉響應時間檢測模塊和電磁閥驅動電流曲線檢測模塊兩部分。對于電磁閥響應時間的檢測，利用PIC18F4450內部的TIMER1定時器即可以實現(xiàn)。如圖4所示，當CCP產生上升沿中斷時，記錄TIMER1的計數(shù)值T0。當達到提升電流時，比較器產生中斷，記下此時TIMER1的計數(shù)值T1。當CCP產生下降沿中斷時，記下此時TIME1的計數(shù)值T2。當比較器又產生中斷時，記下TIMER1的計數(shù)值T3。則：
　　提升響應時間=(T₁-T₀)×T　　　　(2)
　　驅動脈寬=(T₂-T₀)×T　　　　　　(3)
　　關閉響應時間=(T₃-T₂)×T (4)
　　其中， T為TIMER1的周期。
　　模擬信號的檢測是采用PIC18F4450的A/D轉換模塊來實現(xiàn)的。PIC的ADC模塊選通其中的一路模擬輸入進行A/D轉換。需要采集的模擬量包括驅動電流以及參考電壓。為了以較高的速度采集兩路驅動電流以及參考電壓且不影響USB數(shù)據(jù)通訊，模擬信號的采集采用間斷的方式。如圖4所示，采集T0～T4這一段時間的波形。在采集的同時記下開始采集的時間以及結束采集的時間作為PC機顯示波形的時間軸。當ADC轉換完成后即啟動微處理器與PC機的通訊。參考電壓的采集則在每次設定完參考電壓后及時采集，用于PC機的顯示以及確定參考電壓是否設置正確。
1.4 通訊模塊
　　由于需要實時檢測電磁閥的驅動電流波形，微控制器與PC機之間的數(shù)據(jù)通訊量較大，因此本系統(tǒng)采用USB通訊的方式。PIC18F4450內部帶有USB通訊模塊，可以實現(xiàn)高達12Mbps的數(shù)據(jù)通訊速率，完全滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊要求。
2 軟件設計
　　高速電磁閥檢測模塊的軟件主要由電磁閥驅動程序、數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集程序以及上位機、下位機間的通訊程序組成。電磁閥驅動程序主要實現(xiàn)利用內部或者外部觸發(fā)提升保持電流以驅動高速電磁閥。數(shù)據(jù)采集程序則完成電磁閥的電流波形采集以及提升、關閉時間等檢測功能。通訊程序則實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)從微處理器通過USB接口上傳到PC機以進行采集加工的功能。下面分別就這些功能的實現(xiàn)進行闡述。
2.1 電磁閥驅動程序設計
　　電磁閥驅動程序主要用于實現(xiàn)電磁閥的提升保持電流驅動。程序是利用中斷方式實現(xiàn)的。主程序如圖5所示。主程序用于確定是內部還是外觸發(fā)脈沖方式，并將相應的IO口置位，然后等待中斷。圖6和圖7則是CCP中斷處理程序流程及比較器中斷處理程序流程，采用帶反饋的PWM實現(xiàn)圖4所描述的提升保持電流驅動并檢測提升、關閉響應時間。

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2.2 數(shù)據(jù)采集程序設計
　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集電磁閥側特性，包括提升及關閉響應時間、驅動脈寬、驅動電流波形等。其中，提升及關閉響應時間驅動脈沖可以根據(jù)CCP、比較器中斷時的計時器值結合式(2)、式(3)、式(4)計算出來。進入微處理器中斷時，記錄T0、T1、T2、T3的值，存入緩沖區(qū)中。電流波形采集則利用PIC18F4450的A/D轉換模塊來實現(xiàn)。為了保證數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目煽啃裕胁杉臄?shù)據(jù)均采用雙緩沖區(qū)的形式。其中，一個緩沖區(qū)為USB模塊自帶的1KB RAM，另外的一個從PIC18F4450的RAM劃出1KB作為緩沖區(qū)。采集的數(shù)據(jù)一般寫入USB RAM中，只有當USB模塊在USB通訊區(qū)間來不及傳送USB RAM中的數(shù)據(jù)時，采集的數(shù)據(jù)才被寫入PIC18F4450的RAM中。
2.3 通訊軟件設計
　　為了使大量的數(shù)據(jù)能夠高速地從MCU傳送到PC機，本系統(tǒng)采用USB通訊方式。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速可靠傳送，本系統(tǒng)采用具有錯誤檢測以及數(shù)據(jù)重傳功能的塊傳輸模式。系統(tǒng)采用多端點(endpoint)的USB傳送方式，其中端點1用于傳送T0～T3，端點2用于傳輸A/D轉換的結果。
　　軟件主要包括外設" title="外設">外設(18F4450)固件程序(firmware)、PC上位機的驅動程序以及應用程序。固件程序包括系統(tǒng)初始化以及傳輸完成中斷處理程序。
　　系統(tǒng)初始化用于USB模塊的設置。傳輸完成中斷分為IN令牌中斷和OUT令牌中斷。通過主機每5ms發(fā)出IN令牌，當外設處于如圖4所示的數(shù)據(jù)采集區(qū)間時，外設使用NAK表示忙。當外設完成數(shù)據(jù)采集，處于USB通訊區(qū)間時，外設的USB模塊將USB RAM中保存的數(shù)據(jù)送往主機，響應IN令牌。當主機發(fā)出一個ACK 信號表示數(shù)據(jù)接收無誤時，清空USB RAM用于保存下一次檢測數(shù)據(jù)。如果這是一個多包傳輸，那么主機將發(fā)多個IN令牌直到主機所期望的所有數(shù)據(jù)傳輸完畢。
　　PC上位機的驅動程序則采用Microchip公司PIC18F4450 USB通用驅動程序MCHPUSB DRIVER來實現(xiàn)。應用程序通過Win32 函數(shù)DeviceIoControl()調用I/O控制碼(IOCTL)來訪問外設。通過主機每隔5ms調用OCTL_USB_BULK_WRITE函數(shù)向PIC18F4450發(fā)送一個控制碼，當接收到外設的ACK信號后，上位機緊接著用OCTL_USB_BULK_READ 控制碼從外設中讀出數(shù)據(jù)。在傳輸完成后的剩余時間內，應用程序完成數(shù)據(jù)的處理和顯示功能。
　　該高速電磁閥驅動以及參數(shù)檢測系統(tǒng)在某型號的噴油器電磁閥上得到了應用。圖8為在驅動電壓為110V、提升電流設置為17A、保持電流設置為7A、發(fā)動機轉速為1500rpm、驅動脈寬為2.0ms的情況下檢測到的驅動電流的波形。試驗證明，該系統(tǒng)可以用于各種車用高速電磁閥的檢測。