Марченко А.П., Рязанцев М.К., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Том 3. Комп’ютерні системи керування ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

360

поліпшення запуску в умовах низьких температур шляхом опти-

мального вибору циклової подачі палива й випередження запалювання;

забезпечення на експлуатаційних режимах потрібного складу го-

рючої суміші (a) за рахунок узгодження паливоподачі й повітропостачан-

ня, що є інструментом успішного вирішення всіх наведених вище задач

комплексного керування;

покращення діагностування КСК й двигуна в цілому за результа-

тами вимірювань параметрів робочого процесу та контрольних параметрів

у визначених зонах.

6.2.2. Функціональний аналіз та вибір електронного забезпечен-

ня КСК ДВЗ

Таке забезпечення здійснює БСІ (блок синтезу інформації), який

входить до будь-якої КПСК, КБУ, як це показано на їхніх схемах, наведе-

них вище, в главах 3, 4.

Принципова схема БСІ наведена на рис. 6.3.

Сигнали датчиків на вході в БСІ піддаються вхідний обробці у відпо-

відному функціональному перетворювачі (для цифрових сигналів, напри-

клад, j, n, кисню, параметрів запалювання) або в АЦП (для аналогових си-

гналів, що потрібно для узгодження з вхідними параметрами мікро-ЕОМ.

Сигнал датчика детонації обробляється в спеціальній мікро-ЕОМ і потім

подається у головну мікро-ЕОМ. На основі вхідних сигналів головний мік-

рокомп’ютер розраховує за програмою, що зберігається в її пам’яті, для

даного теплового стану двигуна й експлуатаційного режиму оптимальну

кількість вприскуваного палива, КВЗ, фази паливоподачі, параметри повіт-

ропостачання тощо. Потім керуючі сигнали проходять обробку вихідних

сигналів, діють на виконавчі пристрої – форсунки, комутатор підсистеми

запалювання тощо.

Проаналізуємо роботу елементів БСІ.

АЦП – аналого-цифровий перетворювач. Існує декілька способів

аналого-цифрового перетворення, але поширеніші з них два: метод з інтег-

руванням та метод послідовних порівнянь. Тривалість перетворення анало-

гового сигналу у восьмирозрядний код методом інтегрування звичайно

складає 1-20 мс, а методом послідовних порівнянь – 10-30 мс.

361

Датчики

ОЗП

Аналогові

входи

Цифрові

входи

Акумуляторна

батарея

Блок вхідної

обробки

Регістри

тимчасового

зберігання

Датчик де-

тонації

Мультиплексор

АЦП

Блок вводу-виводу

Посилювач

Блок вхід-

ної оброб-

ки

Джерело

живлення

Блок керування

Арифметико-

логічний

пристрій

ПЗП

ЦП

Блок вводу-виводу

Блок вихідної обробки

Мікро-ЕОМ

виявлення

детонації

Стабілізовані 5 В

5 В (резерв)

Виконавчі

пристрої

Форсунка

Комутатор

системи

запалювання

Кроковий

електродвигун

керування хо-

лостим ходом

Система

діагностики

Рисунок 6.3 – Принципова структурна схема БСІ КСК ДВЗ [3]

362

Основні критерії для вибору необхідного АЦП – час перетворення

(швидкохідність АЦП), точність та вартість перетворювача. Перетворюва-

чі, що працюють за методом з інтегруванням, мають малу вартість й чудо-

ву точність, але й відносно велику тривалість перетворення. Метод послі-

довних порівнянь відрізняється високою швидкістю перетворення, але вар-

тість АЦП, що працює за цим принципом, різко зростає по мірі збільшення

необхідної точності перетворення [3].

При аналого-цифровому перетворенні з інтегруванням (рис. 6.4) мо-

жуть використовуватися де-

кілька варіантів: з одним,

двома й більше нахилами

інтегрування, але в основі

всі вони однакові. Найбільш

поширений метод з двома

нахилами інтегрування (з

подвійним інтегруванням).

Такий перетворювач має

добру лінійність характери-

стики, малі шуми й низьку

вартість. Його робочий цикл

має три періоди (рис. 6.4):

корекція нуля (Ф

), інтегру-

вання вхідного сигналу (Ф

)

та інтегрування опорної на-

пруги (Ф

). Спочатку впро-

довж періоду Ф

виконуєть-

ся автоматична корекція си-

гналу похибки шляхом ре-

гулювання напруги зміщен-

ня. При цьому вхід перетво-

рювача замикається на кор-

пус, організується петля зворотного зв’язку, а інформація про похибку за-

пам’ятовується на конденсаторі С

. У наступному періоді Ф

виконується

інтегрування вхідного сигналу й одночасно відлік деякої постійної кілько-

сті тактових імпульсів. В кінці цього періоду на виході інтегратора отри-

Рисунок 6.4 – АЦП з подвійним інтегруванням:

а – схема; б – часова діаграма

ех

Генер

тор

опорної

напруги

Компаратор

Інтегратор

Та

ктовий

генератор

Керуюча

логіка

Лічильник

Схема

автоматичної

корекції нуля

Вихідний

цифровий

сигнал

Вихідний сигнал

інтегр

тора

Інтегрування

ех

Інтегру-

вання U

оп

=со

nst

=соnst

(3,4)

(1)

(2)

363

мується напруга, пропорційна значенню вхідного сигналу. В останньому

періоді Ф

на вхід інтегратора замість початкового сигналу подається опор-

на напруга протилежної полярності. При цьому вихідна напруга інтеграто-

ра починає спадати. Одночасно виконується підрахунок тактових імпуль-

сів і так далі – аж до вирівнювання напруги з рівнем порівняння компара-

тора. Цифровий еквівалент вхідного сигналу визначається таким чином.

Якщо Т

– тривалість першого інтервалу інтегрування (період Ф

), а Т

–

тривалість другого інтервалу інтегрування (період Ф

), які вимірюються

шляхом підрахунків тактових імпульсів, то цифрове значення вхідного си-

гналу:

вх

æö

ç÷

èø

оп

При способі перетво-

рення з подвійним інтегру-

ванням точність перетворення

не залежить від ємності кон-

денсатора, інтегратора та час-

тоти тактового генератора за

умови їх стабільності протя-

гом короткого терміну пері-

оду інтегрування, а залежить

лише від стабільності опорної

напруги. Ще однією перева-

гою цього способу є край ни-

зький рівень шумів. Недолік

цього методу – порівняльно

велика тривалість перетво-

рення.

Схема АЦП, що функ-

ціонує за способом перетво-

рення з послідовним порів-

нянням, або – за принципом

порозрядного врівноваження,

показана на рис. 6.5. Перетво-

рювач цього типу містить регістр послідовного порівняння, цифроаналого-

Рисунок 6.5 – АЦП з послідовним порівнянням:

а – схема; б – часова діаграма;

MSB – найстарший розряд;

LSB – наймолодший розряд;

C – вміст регістру порівняння

Генератор

опорної

напруги

ЦАП

Регістр п

о-

слідовного

порівняння

Тактовий

генератор

Вихідний

регістр

Компаратор

Вихідний цифровий сигнал

Вихідний сигнал ЦАП

вх

Кінець

перетворення

Скидання

Старт

(МSB)

(LSB)

364

вий перетворювач (ЦАП) й компаратор, що порівнює вхідну напругу з

аналоговою напругою на виході ЦАП. Порівняння виконується послідов-

но, починаючи з самого старшого розряду регістра порівняння, код якого

й перетворюється в аналогову напругу за допомогою ЦАП. На кожному

кроці порівняння визначається значення чергового розряду. Початкове

значення кожного оброблюваного розряду встановлюється рівним логічній

1. Якщо вхідна напруга від датчика менша вихідної напруги ЦАП, логічна

1 оброблюваного розряду регістра зберігається. Якщо ж вхідна напруга бі-

льше напруги на виході ЦАП, то в поточному розряді регістра встановлю-

ється значення логічного 0. Далі виконується аналогічна обробка кожного

подальшого розряду у регістрі. Вихідний цифровий код після обробки всіх

розрядів регістра знімається безпосередньо з цього ж регістру. Перевагою

АЦП з послідовним порівнянням є сталість інтервалу перетворення й неза-

лежність його від вхідної аналогової напруги. Однак перетворювач такого

типу має й недоліки. По-перше, мається цілий ряд факторів, що впливають

на похибки перетворення, в тому числі похибки ЦАП, компаратора й не-

стабільність опірної напруги. По-друге, досягнення високої точності

пов’язане з подорожчанням перетворювача. Звичайно, АЦП з послідовним

порівнянням використовується там, де вимагаються відносно високі швид-

кості перетворювання.

Аналоговий мультиплексор. Для перетворення у цифрові коди одразу

кількох аналогових сигналів можна використовувати один перетворювач,

але у сукупності з аналоговим мультиплексором (рис. 6.6). Завдяки засто-

суванню мультиплексора, також можна обмежитися й меншою кількістю

портів вводу мікро-ЕОМ. Мультиплексор складається із аналогових пере-

микачів, кожний з яких може приєднувати свій вхід до загального для всіх

перемикачів виходу.

Вибір того чи іншого каналу для приєднання до виходу здійснюється

ввімкненням відповідного аналогового перемикача шляхом видачі бінар-

ного коду з його адресою. За аналогові перемикачі найчастіше використо-

вують МОП – транзистори, причому коли подальші каскади схеми пере-

микача мають високий вхідний опір, то ці транзистори можуть приєднува-

тися до них безпосередньо.

Спільна робота АЦП та мікро-ЕОМ. Обмін інформацією поміж

АЦП та ЕОМ здійснюється на основі загального методу – на відповідному

365

кроці програми керування комп’ютер розшифровує код аналогової шини й

обирає АЦП, потім дає стартову команду для початку перетворення сигна-

лів датчиків, а після її закінчення отримані дані переводяться до пам’яті

ЕОМ.

Конкретне здійснення цього методу залежить як від типу АЦП, так і

від архітектури самої мікро-ЕОМ.

Мікро-ЕОМ є досить складний пристрій, який забезпечує виконання

розрахункових та логічних операцій за закладеною в ній програмою керу-

вання, зберігання й використання бази даних (у табличній та матричній

формах) для контролю й вибору оптимального режиму роботи двигуна,

параметри якого відповідають обраним критеріям оптимальності щодо па-

ливної економічності, токсичності викидів, динаміки під час перехідних

процесів тощо. Для виконання цих функцій до складу мікро-ЕОМ входять

(рис.6.7) [6]:

v центральний процесор (ЦП), який здійснює вибір команд керу-

вання й обробку даних;

v пам’ять, у якій зберігаються програми і дані;

v блок вводу-виводу, що керує прийманням даних від датчиків та

передаванням даних на виконавчі механізми.

Рисунок 6.6 – Приклад використання аналогового мультиплексора

Аналоговий

мультиплікатор

Схема

вибірки – за-

пам’ятовування

АЦП

Схема

керування

Вихідні сигнали датчиків

Команди

вибірки за-

пам’ятовування

Сигнал стану

Команди

перетворень

Вихідний

цифровий

сигнал

Адреса каналу

К15

К0

366

Ці складові мікро-ЕОМ поєднані між собою набором ліній переда-

вання інформацій, які називаються шинами. Шини за своїм призначенням

поділяються на:

шини даних, за якими здійснюється обмін даними;

шини адреси, за якими передаються адреси чарунок пам’яті;

шини керування, за якими передаються сигнали керування робо-

тою системи.

Загальна шина, що об’єднує ці три типи шин, називається системою. При-

пустимо в ЦП треба отримати дані з

пам’яті або блоку вводу-виводу.

Тоді в один з цих пристроїв по шині

керування передається відповідний

керуючий сигнал. Далі по адресній

шині передається адреса місцероз-

ташування потрібної інформації. Ця

інформація по шині даних переда-

ється в ЦП. Саме така послідовність

діянь реалізується мікро-ЕОМ за

програмою керування.

ЦП – одна з основних структурних складових мікро-ЕОМ. ЦП

(рис. 6.8) містить арифметико-логічний пристрій (АЛП), що використову-

ється для виконання арифметичних і

логічних операцій з даними, отрима-

ними із регістру тимчасового збері-

гання (в основному – поточні значен-

ня показань датчиків) та блока керу-

вання різними діями (наприклад,

зчитування й виконання команд

програми керування). Такі складові

ЦП – регістри тимчасового

зберігання, блок керування й АЛП

звичайно виконуються у вигляді

однієї великої інтегральної схеми

(ВІС), що й зветься мікропроцесором.

Рисунок 6.7 – Структурна мікро-ЕОМ

ЦП

ОЗП

ПЗП

Ввод-

вивід

Шина

Пам’ять

Рисунок 6.8 – Структура

центрального процесора (ЦП)

Шина

Дані

Сигн

ли

управління

Блок уп

равління

Регістри тимчасов

го

зберігання

ЦП

АЛП

367

Робота ЦП здійснюється при подаванні на нього тактових імпульсів

від генератора імпульсів, що також входить до складу мікро-ЕОМ. Період

повторення імпульсів рівномірний й визначається як Т-цикл. Для виконан-

ня ЦП окремих операцій звичайно потребується три – шість Т-циклів. Цей

інтервал часу зветься машинним або М-циклом. Існує цикл інструкцій –

термін виконання команд. Він може містити декілька М-циклів.

У перелік основних машинних циклів входять такі:

· витягання коду операції;

· зчитування або записування даних у пам’яті;

· зчитування або записування даних вводу-виводу;

· запрос або підтвердження доступу до шини;

· запрос переривання із маскіруванням, підтвердження дозволу на пе-

реривання;

· запрос або підтвердження переривання без маскірування;

· відміна зупинки.

Команди, що формуються ЦП, можна, укрупнюючи, поділити на ві-

сім функціональних груп:

переніс і обмін;

блочний переніс, пошук;

арифметичні розрахунки й логічні операції;

цикл, зсув;

бітові операції;

розгалуження, викликання, повернення;

ввід – вивід;

керування робочою власне ЦП.

Пам’ять ЦП служить для записування програм й необхідних даних і

функціонально поділяється на оперативну (оперативний запам’ятовуючий

пристрій – ОЗП) та постійну (постійний запам’ятовуючий пристрій –

ПЗП). Перший дозволяє здійснювати як записування, так і зчитування, а

ПЗП має тільки зчитувати.

Роль пам’яті у мікро-ЕОМ виконують напівпровідникові за-

пам’ятовуючі пристрої ЗП, серед яких добре відомі біполярні за-

пам’ятовуючі пристрої (БЗП). Однак досягнення високого ступеня інтегра-

ції в ЗП цього типу пов’язане з великими труднощами. Тому як пам’ять мі-

368

кро-ЕОМ, за виключенням випадків, коли необхідна дуже висока швидко-

дія, використовуються ЗП, виконані за МОП-технологією.

Напівпровідникові пристрої пам’яті можна класифікувати за схемою

рис. 6.9. Як вже відмічалося вище, постійні ЗП призначені тільки для зчи-

тування інформації. Це – енергонезалежні (автономні) ЗП, тобто при від-

ключенні джерела електричного живлення зміст пам’яті не руйнується.

Звичайно ПЗП використовується для запам’ятовування програм, зберіган-

ня фіксованих даних, таких, як коди зразків букв, цифр та інших символів,

таблиць для прямих чисельних перетворювань, таблиць і матриць базових

значень режимних параметрів двигуна. Широко застосовуються так звані

масочні ПЗП (від слова маска – стандартний набір команд, програм, чи-

сельних значень), найбільш зручні в умовах масового виробництва. При

збільшенні обсягу випуску вартість одного кристалу ПЗП швидко знижу-

ється, компенсуючи тим самим достатньо великі затрати на розробку мас-

ки. Для заміни інформаційного змісту такого ПЗП необхідна розробка но-

вої маски. Однак при невеликих об’ємах випуску зручніші та дешевіші

ПЗП, які стираються та програмуються (СППЗП), оскільки їх можна пере-

програмувати без заміни маски. Багаторазове стирання й перезаписування

в СППЗП виконується при ультрафіолетовому опроміненні ВІС. Частіше

СППЗП використовуються на етапі розробки мікро-ЕОМ у пробних її зраз-

ках. Корпуси СППЗП і масочних ПЗП відрізняються розташуванням виво-

дів. В останні роки інтенсивно розробляється ще один вид ПЗП, так звані

електрично стираємі й програмовані ПЗП – ЕСППЗП.

Інший вид пам’яті – ОЗП або ЗП з довільною вибіркою (ЗППВ). На

відміну від ПЗП цей вид пам’яті дозволяє не тільки зчитувати, але й запи-

сувати. Це енергозалежний тип ЗП, тому що при відключенні джерела

живлення зміст ЗП остаточно втрачається. ОЗП можуть бути статичними і

динамічними. Динамічні ОЗП мають більш просту, ніж статичні, структуру

чарунок пам’яті й допускають більш високий ступінь інтеграції їх реаліза-

ції у вигляді ВІС. Для пам’яті великої ємності вигідніше використовувати

динамічні ОЗП. Однак відповідно до їх принципів роботи для збереження

цілісності вмісту необхідна його періодична регенерація й, як правило, по-

трібні складні керувальні схеми.

369

У ОЗП в кожний момент часу здійснюється вибірка та запис пока-

зань датчиків, які порівнюються з базовими, що зберігаються у ПЗП. Мік-

ро-ЕОМ на основі порівняння обирає оптимальний режим роботи двигуна.

При незмінних за величиною сигналах датчиків, що відповідає усталеному

режиму роботи двигуна, ОЗП самостійно керує ДВЗ без звертання до ПЗП.

Важливою функцією ОЗП є виявлення й запис збоїв та порушень роботи

як мікро-ЕОМ, так і двигуна в цілому, які при необхідності можуть бути

зчитані стаціонарною ЕОМ при підключенні її до діагностичного розйому

КСК автомобіля.

ОЗП з комплементарною МОП-структурою відрізняються дуже не-

високим живленням електроенергії, тому за наявності резервного джерела

живлення невеликої потужності цей тип ЗП стає також енергонезалежним.

Ввід-вивід (або порт вводу-виводу) в структурі мікро-ЕОМ – це схе-

ми керування, які забезпечують її з’єднання із периферійними пристроями

– датчиками й виконавчими механізмами. Також пристрій вводу-виводу

мікро-ЕОМ у сучасних автомобілях дозволяє підключити й забезпечити

спільну роботу бортової мікро-ЕОМ з навігаційними системами пересу-

вання, персональним комп’ютером й друкувальним пристроєм.

Аналоговий

мультиплікатор

Схема

вибірки – за-

пам’ятовування

АЦП

Схема

керування

Вихідні сигнали датчиків

Команди

вибірки за-

пам’ятовування

Сигнал стану

Команди

перетворень

Вихідний

цифровий

сигнал

Адреса каналу

К15

К0

Рисунок 6.9 – Класифікація пам’яті