摘要:当前我国汽车点火系产品的检测方法和设备比较落后,已成为阻碍汽车电器产品开发与应用的根本原因。并且一般对点火系统的检测都是在常温下进行的,然而对于点火器件并不都是在常温工作的。本文提出了一种基于控制器局域网(CAN)的分布式汽车电子点火模块及点火线圈检测系统的设计方案,其高智能化、高精度的检测水平对我国汽车工业的发展将会产生一定影响。

关键词:汽车 CAN总线技术 点火系统 硬件检测系统

在汽车的有效部件中,点火系统是个不起眼但是很重要的零件。比如汽车在高速环境中行驶时,点火线圈过热会使高压火花减弱,容易出现发动机高速断火现象。所以要生产高质量的点火线圈和点火模块等产品,对产品进行实况检测是非常必要的。我们知道,汽油机点火系统的基本参数有点火电压、点火电流、点火能量、上升时间、火花持续时间、点火提前角等。已有的研究成果表明,汽油机的这些点火参数对汽油机的性能有很大的影响。点火电压、电流的波形对燃烧过程有一定的影响,进而影响废气排放。汽油机的着火延迟期是影响循环变动的直接因素,当然也影响汽油机的性能指标和排放,而着火延迟期的长短与燃烧期火焰核的位置和增长速率直接相关,显然后者与点火电压波形有关。

1.点火系统与CAN总线

1.1 汽车点火系统工作原理

汽油车上最早使用的是触点式点火系统,始于1910年。电子点火系统经过30多年的发展,已从有触点有分电器点火系统发展到了无触点无分电器电子点火系统。点火系统最基本的原理是通过断电开关控制点火线圈一次电流的大小和断电时刻,从而控制点火的能量和时刻,保证发动机气缸内的混合气彻底燃烧。汽车发动机传统点火系的点火闭合角是固定的,它不随发动机转速和蓄电池电压等参数的变化而变化,因而造成低速时点火线圈充电时间长,线圈发热,浪费电能,甚至损坏点火线圈;而在发动机高速运转时,由于充电时间短,点火能量不足,使发动机燃烧不充分,排污量大,甚至出现高速缺火现象。另外,传统点火系还存在触点易烧蚀、起动性能差等缺点。

1.2 CAN总线

CAN(Contro11er Area Network)控制器局域网,总线最初是由德国BOSCH公司为解决汽车监控系统中的诸多复杂技术和难题而设计的数字信号通信协议,它属于总线式串行通信网络。由于采用了许多新技术和独特的设计思想,与同类产品相比,CAN总线在数据通信方面具有可靠、实时和灵活的优点1231。

2.基于CAN总线技术的汽车点火系统的硬件检测系统设计

本点火检测系统主要由信号源模块、点火线圈高速数据采集模块、温度检测模块、上位机通讯模块等组成。采用PC机、FPGA、传感器、单片机和CAN接口芯片等为主要器件,实现信号采集、传输、存储、分析和处理。

2.1 检测系统整体结构

从结构上划分,硬件检测系统可以分成本地测控柜和温控箱两大部分。这样划分的主要目的是实现高压信号采集部分和信号处理部分的隔离,避免次级线圈点火产生的高压瞬态信号对低压控制柜造成强的电磁干扰,从而保证系统稳定工作。

2.1.1 温度监控模块

该模块是温控箱的主要组成部分。它检测电子点火模块环境温度和核心元件温度。它可以把温度数据进行处理,换算成相应的温度值,并把相关数据封装成包通过CAN总线发送到上位机;如果温度超过警戒值,该模块还可以主动报警。

2.1.2 点火模块参数采样

电子点火模块集控制电路和功率放大电路于一体,在转速信号发生器的信号作用下,有自动完成闭合率控制、恒流控制、电压钳位、过压保护以及停车自动关断等功能。对模块的检测参数包括:关断时间、滞后时间、闭合角、断电电流、恒流时间等多个参数。模块的断电电流高达十几安培,而滞后时间为纳秒级。故采用FPGA进行多通道数据采集处理,进行数据处理后储存在存储区,当接收到上位机数据请求时,把数据包发送出。

2.1.3 点火线圈参数采样

当电子点火模块工作、模拟点火正在进行时,采集点火线圈相关的高速数据,包括开路电压、模拟电压、火花电流、初级感应电压、初级感应电流、火花持续时间等多个参数。在点火系统中,线圈次级开路电压高达三万至四万多伏,响应时间仅微秒数量级,所以要保证抑制电磁干扰,并且要有能力进行高速的数据采集。本系统采用FPGA进行多通道数据采集处理,进行数据处理后储存在存储区,当接收到上位机数据请求时,把数据包发送出。

2.2 CAN总线接口设计

本系统在CAN通信接口中采用PHI1IPS公司的SJA1000芯片。SJA1000是独立的CAN通信控制器,MCP2551为高性能CAN总线驱动器,它完全兼容ISO.11898标准,最高速率可达1Mbps,提供了比82C250更好的电磁辐射和抗电磁干扰能力性能。CAN总线系统智能节点硬件电路主要由四部分构成:微控制器AT89C52,独立CAN通信控制器SJA1000,CAN总线收发器MCP2551和高速光电耦合器6N137。AT89C52负责SJA1000的初始化,通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,SJA1000的TX0和RX0并不是直接与MCP2551的TXD和RXD相连,而是通过高速光耦6N137后与MCP2551相连,这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。而且采用6N137高速光电耦合器,CAN的网络速度可以达到和电阻网络驱动时的速度一样。

2.3 系统抗干扰设计

我们知道,汽车点火系统的工作环境是非常恶劣的,控制系统抵抗来自系统内部和外部的各种电气干扰的能力尤为重要。抗干扰设计的基本途径是抑制干扰源、切断干扰传播路径、提高敏感器件的抗干扰性能。其中前两个途径是抗干扰设计的摄常用的途径,也就是说一方面要从干扰源着手,把干扰强度在发生处抑制到最小:另一方面要在干扰的传播途径中采取措施加以抑制。在本检测系统设计中。主要采取了如下措施:(2)对于集成电路芯片,为了滤去电源总线上的高频噪声,且减小IC引脚电平快速变化产生的尖峰脉冲对电源总线引入的噪声污染,在每一片IC芯片的电源和接地引脚之间都并联一对去耦、滤波电容。在容易引入浪涌电压的输入端与地之问并接瞬态电压抑极管,消除外界引入的浪涌电压,将CMOS集成IC中不用的引脚全部接电源,以免输入引脚浮空而在输入引脚上积累电荷,产生较大的静电电压,损坏器件。(2)对于系统布线设计,检测系统设计中存在各种各样的导线,因而不可避免地要涉及到一个布线问题,合理的布线是抗干扰措施中的一个重要方面。导线的种类、线径的粗细、走线的方式、线间距离、导线的长短、屏蔽方式及布线的对称等,都对导线的电感、电阻的噪声的耦合有直接影响。一般导线有一定的阻值,根据导线的长短粗细各不相同,电流流过导线时导线周围要产生磁场,导体自身也有电感,在与它彼此绝缘的导线间还存在一定的寄生电容;它对地也有一定的杂散电容,一般这种实际存在的参数都被省略去了。这种省略在一般强电控制中是允许的,然而在电子控制中即使其量值极微,在某些不利的情况下,往往也会对系统产生不良的影响。

总之,本文提出了基于CAN总线的分布式点火检测系统的结构框架,其检测精度可以达到使用要求,对电子元件的检测结果得到认同。◆

参考文献:

[1] 于海生.CAN总线工业测控网络系统的设计与实现[J].仪器仪表学报,2001,(02):16-20.

[2] 余伟平.国内汽油机发动机点火系统现状及发展趋势[J].湖南工程学院学报,2003,13(2):25-30.

[3] 李令举.汽车工程电子新技术[M].人民交通出版社,1999:110.

作者简介:程文敏,女,54岁,吉林省通化市运输管理处,会计政工师。