发动机ECU动态检测信号模拟方法研究

(武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430081)

0 引言

汽车电子控制系统的电子控制器(electronic control unit, ECU)故障率虽不高，但其故障诊断较为困难。故障检修过程中，通常采用排除法、电压检测法、替换法等间接的方法来诊断ECU是否有故障，但这些故障诊断方法均有不足之处[1]。

采用模拟发动机工作状态下的ECU动态检测法，将各传感器的模拟信号输入ECU，即可把ECU以外的故障可能因素均排除在外，从而可以根据ECU各输出端的动态信号来判断ECU是否有故障，具有极高的准确性[2-3]。基于动态模拟的发动机ECU故障检测，其传感器信号模拟具有广泛性和选择性，是ECU故障检测装置能否具有实用价值的关键。其中，广泛性是指信号模拟电路所产生的信号包括各类发动机ECU的传感器信号；选择性是指可从中选择适应不同车型发动机ECU检测的模拟信号，且可选择模拟发动机的特殊状态信号。

1 系统硬件与功能

1.1 系统硬件

与发动机ECU相关的传感器信号大致可分为脉冲式、电位计类、热敏电阻类等。分别对这些信号模拟进行硬件设计，最后集成到一块PCB板，即完成发动机ECU信号发生系统的硬件设计[4]。

1.1.1 脉冲式信号硬件电路

对于脉冲式传感器信号，为了使适用范围更广，选择更加方便，采用单片机来构建多功能信号发生器。

系统采用AT89C51单片机和DAC0832数模转换器生成波形。生成的波形经放大滤波后较平滑。脉冲式信号硬件电路可产生任意频率和幅值容易调节的波形，频率可以在500 Hz以上，幅值可通过滑动变阻器在0～12 V范围内连续可调。该电路具有性能高、稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等优点。

采用AT89C51型单片机具有如下优点。

① 拥有完善的外部扩展总线。通过这些总线可方便地扩展外围单元、外围接口等。

② 单片机内部拥有4 kB的Flash ROM程序存储器空间和256 B的RAM数据存储空间，完全可以满足程序的要求。由于该芯片可电擦写，故可重复使用。如果更改程序内容，可对芯片重新烧写。

③ 单片机与工业标准的MCS-51型机的指令集和输出引脚兼容。

在脉冲信号硬件电路中，两个开关直接与外部中断0和外部中断1的管脚相连。其中一个开关用来改变矩形波的频率，另一个开关用来改变正弦波的频率。同时，采用另外一组开关与P1口相连，用来选择相应的波形。

由于D/A端口直接输出的电压信号的驱动能力较弱，难以被ECU监测到，因此，须设置放大电路和脉冲信号整形电路，以满足ECU对电压信号的输入要求。在放大器的反馈电路中，选择电位计可以实现对幅值的连续变化。同时，为了过滤信号中的杂波，需要在电路的输出端添加一个低通滤波器[5]。

脉冲信号硬件电路结构图如图1所示。

图1 脉冲信号的硬件电路结构图

1.1.2 电位计类信号的电路

山东省墙夼水库由东西两库组成，中间借天然山凹开挖连通沟相连，共用东库溢洪闸调洪。连通沟的流量及流向受到两个水库水位影响，当西库水位高于东库水位时，西库洪水通过连通沟进入东库；当东库水位高于西库时，东库洪水通过连通沟进入西库，当两库水位低于连通沟底高程时，两库各自独立。针对墙夼水库既独立又相互连通的双库特点，就如何正确推求两库入库洪水，准确计算两库水位，合理调算两库水量，从分析调洪演算理论方法入手，给出水面线数学模型和算法，建立双库调洪演算的计算模型，分析确定两库不同频率设计洪水的最高水位，使水库的设计洪水复核成果更合理，进而更好地发挥水库的防洪、灌溉功能，实现水库的社会效益。

节气门位置传感器，叶片式、热丝式、热膜式空气流量传感器以及进气压力传感器等的测量电路均为电位计。因此，这些传感器信号均可采用电位计来构建硬件电路，如图2所示。

图2 电位计类传感器信号电路图

该硬件电路外引3条线，其中两条是参考电压的正、负极，另一条是可变电阻器的滑动触点臂，由它向待测ECU提供与滑动触点臂的行程成正比的电压信号。该电路可以实现0～5 V的无级调压。

1.1.3 热敏电阻类信号的电路

对于温度传感器等，其传感器电阻对温度的非线性影响很大，完全模拟出这类信号，难度大且没有必要。对于该类传感器的信号，只需用一个固定电阻并选择合适的阻值，使被测ECU采集到稳定的电压信号，就可以达到测试ECU故障与否的目的。热敏电阻类传感器信号的硬件电路图如图3所示。

图3 热敏电阻类传感器信号电路图

1.1.4 爆燃信号的模拟电路

爆燃传感器信号模拟振荡器硬件电路如图4所示。

图4 爆燃传感器模拟电路

爆燃传感器通过检测发动机缸体的振动来监测发动机是否产生爆燃，发动机爆燃时，爆燃传感器产生爆燃特征频率的电压脉冲。因此，爆燃传感器的信号模拟可采用一个能产生振荡频率与爆燃特征频率相一致的振荡器。

1.1.5 氧传感器信号的电路

氧传感器通过输出高电平和低电平来反映混合气的浓度值，ECU根据氧传感器信号电压的高低对喷油时间进行修正。

1.2 功能及作用

本信号发生系统可模拟发动机电子控制系统各传感器的信号，实现发动机ECU工作状态下的动态检测。系统具有的功能如下。

① 可以模拟发动机正常工作状态下的发动机ECU的动态检测，以准确判断ECU的微处理器、输入电路及输出电路是否正常工作。

② 可以选择不同的波形、电压等，以适应不同类型发动机ECU的检测。

③ 可以调节各脉冲信号的频率与幅值、模拟电压信号的高低及开关信号的有无，以模拟发动机启动、怠速、低温、空调启用等工作状态，实现ECU内部怠速控制相关电路正常与否的动态检测。

④ 可以通过单一参数的输入，模拟发动机混合气过浓、发动机产生爆燃等状态，实现对发动机ECU氧传感器、爆燃传感器相关信号处理电路、CPU及输出电路的动态检测。

2 各脉冲式信号软件设计

2.1 软件构成

模拟脉冲信号通过单片机构成的硬件来实现，需要对单片机烧写程序。分析脉冲式传感器正常工作时的波形得知，波形主要可分为矩形波和正弦波。系统的主程序、矩形波、正弦波流程图[6]如图6所示。

图6 系统流程图

主程序通过两个波形发生子程序预先模拟正弦波和矩形波。将高电平(0FFH)输入到寄存器A中，经过延时1后输出；再将低电平(00H)输入到寄存器A中，经延时2后输出。如此循环交替，就形成了矩形波。为了使输出的正弦波较平滑，运用Matlab软件将正弦函数分解成64个点存入变址寻址寄存器(DPTR)，然后将这些点间隔延时3后，依次输入到寄存器A中，再经过P0口输出。最后根据各传感器正常工作下的标准波形，调整正弦波和矩形波的延时时间，改变其频率和幅值，最终模拟出各传感器的波形。

2.2 脉冲式信号的产生

2.2.1 卡门漩涡式空气流量传感器

卡门漩涡式空气流量传感器(mass air flow sensor,MAF)输出的波形为矩形波，采用单片机实现，可以灵活地改变延时时间，波形幅值不变，频率随转速变化而变化[7-8]。因此，只要模拟出一个急加速状态下的频率为69.4 Hz的MAF波形，就可以检测ECU。该频率要求延时1为4.8 ms，延时2为9.6 ms。调节滑动变阻器，使波形的最大幅值为5 V，最小幅值为0。

2.2.2 进气歧管压力传感器(MAP)

数字式进气歧管压力(marifold absolute pressure,MAP)传感器的输出波形为标准的矩形波。经检测，怠速工况下，数字式MAP的波形频率为105 Hz。模拟该工况下的波形时，软件编程中延时1和延时2都为5 ms，幅值为5 V。将模拟出的波形输入ECU，可以检测出ECU好坏。

2.2.3 其他脉冲式传感器

曲轴位置传感器(crank shaft position,CKP)、凸轮轴位置传感器(cam shafe position,CMP)和车速传感器(vechicle speed sensor,VSS)这3个传感器的原理基本一样。根据结构，它们可分为磁电式、霍尔效应式和光电式。霍尔效应式和光电式的波形是矩形波，输出电压的幅值不变，频率随转速变化而变化。磁电式的标准波形为正弦波，输出电压和频率均随车速变化而变化。只需选择一种工况，便可检测ECU故障与否。限于篇幅，只介绍代表性的3种传感器：①在转速为1 500 r/min工况下，霍尔效应式CKP的频率为9.61 Hz时，软件编程中延时1和延时2均为52 ms；②光电式CMP的频率为200 Hz时，延时1为0.5 ms，延时2为4.5 ms；③磁电式VSS的频率为130 Hz时，延时3为0.12 ms。

3 其他传感器信号的模拟

3.1 氧传感器

通常，当氧化锆式氧传感器的输出电压大于0.45 V时，可判定混合气浓度值较高；当输出电压小于0.45 V时，可判定混合气浓度值较低。氧化钛式氧传感器正好与氧化锆式相反[9]。所以模拟浓混合气下的电平为0.8 V，稀混合气下的电平为0.2 V，此时，各电阻的阻值如下：R1=21 Ω、R2=3 Ω、R3=1 Ω。

3.2 温度传感器

大多数水温传感器和进气温度传感器都是负温度系数的热敏电阻，实际只要测量出常温20 ℃和高温80 ℃两个温度下的传感器电压信号就可确认传感器的好坏。常温下水温传感器的输入电压信号为2.5 V，则图3中的电阻R为2.5 kΩ，上拉电阻为2.5 kΩ。高温下进气温度传感器输入电压信号为0.5 V，此时硬件电路中的电阻R为0.3 kΩ，上拉电阻为2.7 kΩ。

3.3 爆燃传感器

爆震传感器输出信号是随发动机震动频率的变化而变化的电压脉冲信号。因此，只需要产生一定频率的正弦波形即可。图4所示电路能自动生成频率为12 kHz、振幅大于1 V的正弦波形。

3.4 节气门位置传感器

模拟式TPS的核心是一个可变电位计，它通过调节电位计的阻值，改变传感器的信号电压，得到节气门相应的位置。所以该传感器的模拟可以采用图2所示的热敏电阻类传感器信号电路图。

4 结束语

本文所开发的信号发生系统利用单片机、电位计等电子器件构成了该系统的硬件电路，实现了各传感器信号的模拟。系统不仅可对不同型号的发动机ECU的传感器进行模拟，还可模拟发动机的各种工作状态，再通过检测ECU输出端子的波形，可以准确地判断ECU有无故障。信号发生系统可使发动机ECU的检测快捷、准确，为整个发动机ECU故障检测仪的开发奠定了良好的基础。

[1] 汤富强,麻友良.基于信号模拟的发动机ECU动态方法研究[J].物流工程与管理,2013(1)：173-175.

[2] 吴伟斌,洪添胜,李震.基于虚拟仪器技术的汽油发动机ECU仿真测试系统[J].汽车电子,2006,22(3-2)：205-208.

[3] 赵福堂,靖苏铜,朱军.基于LabVIEW的发动机ECU激励信号发生系统[J].汽车工程, 2006,28(11):1039-1042.

[4] 张道文. ECU输入信号模拟电路设计[J].小型内燃机及摩托车,2003,32(4):1-10.

[5] 蒋小华.单片机波形发生器的设计[J].信息与电子工程,2008(2):40-44.

[6] 张道文.ECU信号测试装置的设计[J].小型内燃机与摩托车,2002,31(1):12-16.

[7] 朱军.电子控制发动机电路波形分析[M].北京:机械工业出版社,2003:96-181.

[8] 王加升.汽车发动机电控技术[M].北京:北京理工大学出版社,2010:36-81.

[9] 霍亮生,鲍晓东,薛迟.ECU参数测试系统发动机模拟信号研究[J].太原理工大学学报,2010,41(4):368-371.

[10]韩伟,麻友良,姜木霖.汽油发动机ECU性能检测系统[J].仪表技术与传感器,2009(6):54-56.