嵌入式系統在電控柴油發動機燃油控制中的應用

對于中國工程師來說，嵌入式系統在發動機燃油控制方面的應用是一個全新的課題，其主要特點是機電一體化，工程師必須對機電系統的基本工作過程有全面的了解。本文以電控柴油機引擎控制的著名產品Centinel為例，說明其嵌入式系統需要關注的問題，包括產品要求、實現方案、具體實現以及軟件結構等四個方面，值得中國從機電一體化設計工程師參考。

Centinel高級燃油管理系統（AOS）是一種可延長電控柴油發動機燃油添加間隔的嵌入式系統，它可周期性地從發動機的曲柄軸箱中去除少量舊油，并用新油替代之。舊油被送到發動機的燃料箱，在那里與燃料混合，并在正常燃燒條件下燃燒。

Centinel可拓展柴油卡車、拖拉機、發電機及其它設備的工作時間，縮短燃油更換和其它常規維護方面花費的時間。Centinel將舊油作為燃料，這樣不但無需廢油處理，而且還可減少成本并控制環境污染。

實際上，具有類似功能的機械系統已問世多年，但是，由于目前業界提出了復雜的發動機控制器和嚴格的空氣質量標準，全機械方案已不能滿足要求。Centinel在維持燃油質量方面要優于機械系統，因為它包含一種靈巧的算法，能根據發動機工作負荷的大小來替換燃油，而且它配備了機械設備無法實現的故障檢測邏輯。

Centinel設計者從一開始就要求這種裝置要具備高可靠性。如果燃油質量惡化或油位下降，發動機都可能受到極大的損害。由于Centinel要從發動機中除油，它必須采取必要的預防措施以確保油位和質量始終保持穩定，要解決這個問題很麻煩，因為目前尚未出現能夠在柴油發動機內部惡劣條件下正常工作的、廉價的油位傳感器。

在各種氣候條件下，柴油卡車在高速公路上年行駛里程高達20萬英里，建筑設備等工業機械需要數月的維護間隔，因此，要求Centinel必須經久耐用。為了盡可能維持商用柴油設備的高使用率，像Centinel這樣的設備就不能經常維修而迫使整個設備閑置。

Centinel的軟件性能要穩定，因為微控制器是一次性編程器件。一旦系統出廠，固件便不能更新。如果出廠后出現軟件缺陷，所有的Centinel裝置都必須替換。Centinel的價格也應適當。

實現方案

Centinel是一種機電設備，它包括TMS370微控制器、SAE J1587汽車數據鏈接口、控制油進出發動機的機械活門組件、油位測量傳感器，以及容納新油的油箱。

在正常工作情況下，微控制器從J1587數據鏈接口讀取發動機信息，以確定發動機的當前工作負荷，并檢測是否發生與發動機和燃油相關的各種系統故障。這一信息可用于計算燃油燃燒率，并將之轉換為一系列的電子控制脈沖，以便讓燃油輸送活門組件將舊油從發動機曲柄軸箱輸送到燃料箱。

燃油輸送活門的設計將舊油和新油活塞集成在同一裝置，因此可將固定數量的舊油輸送到燃料箱，并用同樣數量的新油替換之。活門及相關鉛管經過發動機加熱，因此即便在寒冷天氣燃油也能正常流動。

當新油箱空時，傳感器就會報警，這時Centinel便延遲脈沖，直到加滿油為止。發動機操作員仍需監視發動機曲柄軸箱的量油計，如果必要還得手工加油以替換發動機在正常工作期間內部燃燒的少量燃油。

具體實現

TMS370微控制器構成了該設計的基礎。所選TMS370的型號包括256B板上RAM、8KB OTPROM、256B EEPROM、一個串行通信接口（SCI）、兩個16位計數器、23個數字輸入、一個8通道模擬-數字轉換器，以及一個12MHz系統時鐘。Centinel設計所用的其它器件還包括電源調節及電源故障檢測電路，以及一個用于連接發動機通信數據鏈路的SAE J1587數據鏈接口（類似于RS-485）。

為提高可靠性和耐用性，所有Centinel數據輸入的值在使用之前都要通過軟件和硬件兩方面的驗證。硬件檢測輸入和輸出上的開路和短路，而所有輸入值范圍的檢查則可阻止機械或電氣故障情況下的不正確操作。

控制算法以固定的20ms間隔運行，并結合發動機工作負荷、氣候及其它從發動機數據鏈路接收到的信息來計算正確的燃油率。因此，燃油更換頻率是實時變化的，無論發動機的實際工作周期如何都可維持一定的燃油質量，一般是2萬英里更換一次。

一旦計算出正確的燃油率，為了燃燒和替換所要求的燃油量，該值被傳送到第二個算法以計算脈沖被傳送到燃油輸送活門組件的速度。這時控制邏輯是個難題，因為當新油油箱空、油冷或系統出現故障時，控制脈沖將被延遲。如果操作員將油箱加滿新油、油熱或系統故障得到修復時，控制脈沖就被加快傳送，從而控制新油替換的量。

為盡量減少空氣污染，EPA限定了柴油發動機的燃油量。為防止Centinel超出這一限定值，設計者采用了第三個算法以限制在所有情況下傳送到燃油輸送活門的最大脈沖頻率。由于這一限制，在一些極端情況下延遲脈沖的恢復可能要花費幾個小時，甚至幾天才能完成。

軟件結構

軟件的功能是配置微控制器的I/O硬件、定時器、串行通信端口、ADC及其它外設，然后處于等待中斷狀態。中斷服務程序包含大量的Centinel代碼，在需要多線程處理但缺乏操作系統調度程序的應用中，這種方法很常用。

周期性定時器產生的中斷啟動主控制環代碼，該代碼只有在成功完成時才復位硬件看門狗定時器。在計算結束時復位看門狗定時器可防止超時。如果代碼執行時間過長，看門狗復位代碼就被算法的迭代中斷，最終使看門狗定時器時間溢出。

另一個中斷服務程序從串行端口接收到引擎數據鏈路信息。該代碼包括一個簡單的狀態機，可解析輸入數據包的數據和校驗和，帶無效校驗和的數據包及超出范圍的數據都被放棄。一個定時器可測量被成功接收的數據包之間的持續時間，如果檢測到過長的延遲，將終止燃燒率計算。這樣，當缺乏確定適當燃燒率所必需的引擎信息時，Centinel就不會輸送新油。

還有一些中斷服務程序強迫對TMS370的板上ADC進行周期性抽樣，并將操作員關閉引擎所導致的電源故障告知Centinel，Centinel由點火開關啟動。

不使用的中斷向量由啟動功能指針填充，當檢測到不需要的中斷時可重新啟動系統。

Centinel的EEPROM可用來存儲重要的連續數據，像所需燃油脈沖數和實際發送數。但是，這些數值不能在每一個控制循環中都得到更新，因為這樣做會在Centinel的生命期結束之前大大超過EEPROM的寫周期限制。相反，只有在關閉期間，在由內置于Centinel供電電路的電容所提供的200ms保持時間內，數據才能鏡像到RAM并被寫入EEPROM。

保持時間在可靠性和降低成本之間提供了很好的平衡（更大的值需要更大的電容），但它很接近于EEPROM的寫周期時間。這意味著關閉期間幾乎沒有任何意外延遲的余地。由于EEPROM包含有關燃油燃燒狀態的重要信息，除非設備出現故障，其內容必須在所有情況下保持穩定。

現場測試中出現了一個意想不到的問題：許多卡車司機喜歡特別高壓無線電裝置，這會造成卡車主供電系統（一般為12V DC供電）的電壓波動，峰-峰值接近30V。這些電壓波動可能導致Centinel供電線路出現故障，觸發以外的EEPROM寫操作，并影響系統性能。為解決這一問題，必須在Centinel現有的信號分析邏輯上添加額外的滯后作用代碼，以防止無線電在使用時引起EEPROM更新，由此給出錯誤的電源故障提示。

本文小結

Centinel開發人員的寶貴經驗是采用結構性設計工具并配合案例分析和故障模式研究，這樣當進行編碼時，軟件就基本上達到了設計要求。

Centinel軟件開發隊伍堅持提前編寫程序，從而使寫出的應用程序幾乎不存在任何缺陷，而且完全達到了要求。這些程序還包含附加控制邏輯，消除了大多數可能的軟件錯誤，例如前面提及的EEPROM超時。

設計過程還采用了對等的評估過程，在最終定型之前，程序和電路設計都必須經過其他開發人員的研究。這些“外眼”可幫助發現錯誤，或發現沒有達到設計要求的地方，還促進了團隊合作，讓公司內更多的人參與Centinel的開發并分享其成功。

Centinel目前是Cummins引擎公司電控柴油機引擎系列產品之一。Centinel設計贏得了《OEM Off-Highway》雜志頒發的OEMmie獎，在Cummins公司內部被視為系統工程實踐不斷改進而獲得優異產品的典范。

Bill Gatliff是獨立的嵌入式系統顧問，ESP的資深編輯。聯系郵件：bgat@open-widgets.com。Paul Cantrell是管理顧問，Centinel固件的首席結構師及開發者。