對(duì)于中國(guó)工程師來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制方面的應(yīng)用是一個(gè)全新的課題，其主要特點(diǎn)是機(jī)電一體化，工程師必須對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的基本工作過(guò)程有全面的了解。本文以電控柴油機(jī)引擎控制的著名產(chǎn)品Centinel為例，說(shuō)明其嵌入式系統(tǒng)需要關(guān)注的問(wèn)題，包括產(chǎn)品要求、實(shí)現(xiàn)方案、具體實(shí)現(xiàn)以及軟件結(jié)構(gòu)等四個(gè)方面，值得中國(guó)從機(jī)電一體化設(shè)計(jì)工程師參考。 Centinel高級(jí)燃油管理系統(tǒng)（AOS）是一種可延長(zhǎng)電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油添加間隔的嵌入式系統(tǒng)，它可周期性地從發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)、發(fā)電機(jī)及其它設(shè)備的工作時(shí)間，縮短燃油更換和其它常規(guī)維護(hù)方面花費(fèi)的時(shí)間。Centinel將舊油作為燃料，這樣不但無(wú)需廢油處理，而且還可減少成本并控制環(huán)境污染。 實(shí)際上，具有類似功能的機(jī)械系統(tǒng)已問(wèn)世多年，但是，由于目前業(yè)界提出了復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和嚴(yán)格的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，全機(jī)械方案已不能滿足要求。Centinel在維持燃油質(zhì)量方面要優(yōu)于機(jī)械系統(tǒng)，因?yàn)樗环N靈巧的算法，能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷的大小來(lái)替換燃油，而且它配備了機(jī)械設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)的故障檢測(cè)邏輯。 Centinel設(shè)計(jì)者從一開始就要求這種裝置要具備高可靠性。如果燃油質(zhì)量惡化或油位下降，發(fā)動(dòng)機(jī)都可能受到極大的損害。由于Centinel要從發(fā)動(dòng)機(jī)中除油，它必須采取必要的預(yù)防措施以確保油位和質(zhì)量始終保持穩(wěn)定，要解決這個(gè)問(wèn)題很麻煩，因?yàn)槟壳吧形闯霈F(xiàn)能夠在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部惡劣條件下正常工作的、廉價(jià)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(dá)20萬(wàn)英里，建筑設(shè)備等工業(yè)機(jī)械需要數(shù)月的維護(hù)間隔，因此，要求Centinel必須經(jīng)久耐用。為了盡可能維持商用柴油設(shè)備的高使用率，像Centinel這樣的設(shè)備就不能經(jīng)常維修而迫使整個(gè)設(shè)備閑置。 Centinel的軟件性能要穩(wěn)定，因?yàn)槲⒖刂破魇且淮涡跃幊唐骷?。一旦系統(tǒng)出廠，固件便不能更新。如果出廠后出現(xiàn)軟件缺陷，所有的Centinel裝置都必須替換。Centinel的價(jià)格也應(yīng)適當(dāng)。 實(shí)現(xiàn)方案 Centinel是一種機(jī)電設(shè)備，它包括TMS370微控制器、SAE J1587汽車數(shù)據(jù)鏈接口、控制油進(jìn)出發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械活門組件、油位測(cè)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(shù)據(jù)鏈接口讀取發(fā)動(dòng)機(jī)信息，以確定發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前工作負(fù)荷，并檢測(cè)是否發(fā)生與發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油相關(guān)的各種系統(tǒng)故障。這一信息可用于計(jì)算燃油燃燒率，并將之轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)曲柄軸箱輸送到燃料箱。 燃油輸送活門的設(shè)計(jì)將舊油和新油活塞集成在同一裝置，因此可將固定數(shù)量的舊油輸送到燃料箱，并用同樣數(shù)量的新油替換之?；铋T及相關(guān)鉛管經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)加熱，因此即便在寒冷天氣燃油也能正常流動(dòng)。 當(dāng)新油箱空時(shí)，傳感器就會(huì)報(bào)警，這時(shí)Centinel便延遲脈沖，直到加滿油為止。發(fā)動(dòng)機(jī)操作員仍需監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄軸箱的量油計(jì)，如果必要還得手工加油以替換發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作期間內(nèi)部燃燒的少量燃油。 具體實(shí)現(xiàn) TMS370微控制器構(gòu)成了該設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。所選TMS370的型號(hào)包括256B板上RAM、8KB OTPROM、256B EEPROM、一個(gè)串行通信接口（SCI）、兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器、23個(gè)數(shù)字輸入、一個(gè)8通道模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以及一個(gè)12MHz系統(tǒng)時(shí)鐘。Centinel設(shè)計(jì)所用的其它器件還包括電源調(diào)節(jié)及電源故障檢測(cè)電路，以及一個(gè)用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)通信數(shù)據(jù)鏈路的SAE J1587數(shù)據(jù)鏈接口（類似于RS-485）。 為提高可靠性和耐用性，所有Centinel數(shù)據(jù)輸入的值在使用之前都要通過(guò)軟件和硬件兩方面的驗(yàn)證。硬件檢測(cè)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(jī)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(yùn)行，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷、氣候及其它從發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)鏈路接收到的信息來(lái)計(jì)算正確的燃油率。因此，燃油更換頻率是實(shí)時(shí)變化的，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作周期如何都可維持一定的燃油質(zhì)量，一般是2萬(wàn)英里更換一次。 一旦計(jì)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(gè)算法以計(jì)算脈沖被傳送到燃油輸送活門組件的速度。這時(shí)控制邏輯是個(gè)難題，因?yàn)楫?dāng)新油油箱空、油冷或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，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(tǒng)故障得到修復(fù)時(shí)，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(fā)動(dòng)機(jī)的燃油量。為防止Centinel超出這一限定值，設(shè)計(jì)者采用了第三個(gè)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(fù)可能要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)，甚至幾天才能完成。 軟件結(jié)構(gòu) 軟件的功能是配置微控制器的I/O硬件、定時(shí)器、串行通信端口、ADC及其它外設(shè)，然后處于等待中斷狀態(tài)。中斷服務(wù)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(tǒng)調(diào)度程序的應(yīng)用中，這種方法很常用。 周期性定時(shí)器產(chǎn)生的中斷啟動(dòng)主控制環(huán)代碼，該代碼只有在成功完成時(shí)才復(fù)位硬件看門狗定時(shí)器。在計(jì)算結(jié)束時(shí)復(fù)位看門狗定時(shí)器可防止超時(shí)。如果代碼執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，看門狗復(fù)位代碼就被算法的迭代中斷，最終使看門狗定時(shí)器時(shí)間溢出。 另一個(gè)中斷服務(wù)程序從串行端口接收到引擎數(shù)據(jù)鏈路信息。該代碼包括一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)，可解析輸入數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和，帶無(wú)效校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)包及超出范圍的數(shù)據(jù)都被放棄。一個(gè)定時(shí)器可測(cè)量被成功接收的數(shù)據(jù)包之間的持續(xù)時(shí)間，如果檢測(cè)到過(guò)長(zhǎng)的延遲，將終止燃燒率計(jì)算。這樣，當(dāng)缺乏確定適當(dāng)燃燒率所必需的引擎信息時(shí)，Centinel就不會(huì)輸送新油。 還有一些中斷服務(wù)程序強(qiáng)迫對(duì)TMS370的板上ADC進(jìn)行周期性抽樣，并將操作員關(guān)閉引擎所導(dǎo)致的電源故障告知Centinel，Centinel由點(diǎn)火開關(guān)啟動(dòng)。 不使用的中斷向量由啟動(dòng)功能指針填充，當(dāng)檢測(cè)到不需要的中斷時(shí)可重新啟動(dòng)系統(tǒng)。 Centinel的EEPROM可用來(lái)存儲(chǔ)重要的連續(xù)數(shù)據(jù)，像所需燃油脈沖數(shù)和實(shí)際發(fā)送數(shù)。但是，這些數(shù)值不能在每一個(gè)控制循環(huán)中都得到更新，因?yàn)檫@樣做會(huì)在Centinel的生命期結(jié)束之前大大超過(guò)EEPROM的寫周期限制。相反，只有在關(guān)閉期間，在由內(nèi)置于Centinel供電電路的電容所提供的200ms保持時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)才能鏡像到RAM并被寫入EEPROM。 保持時(shí)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(shí)間。這意味著關(guān)閉期間幾乎沒(méi)有任何意外延遲的余地。由于EEPROM包含有關(guān)燃油燃燒狀態(tài)的重要信息，除非設(shè)備出現(xiàn)故障，其內(nèi)容必須在所有情況下保持穩(wěn)定。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中出現(xiàn)了一個(gè)意想不到的問(wèn)題：許多卡車司機(jī)喜歡特別高壓無(wú)線電裝置，這會(huì)造成卡車主供電系統(tǒng)（一般為12V DC供電）的電壓波動(dòng)，峰-峰值接近30V。這些電壓波動(dòng)可能導(dǎo)致Centinel供電線路出現(xiàn)故障，觸發(fā)以外的EEPROM寫操作，并影響系統(tǒng)性能。為解決這一問(wèn)題，必須在Centinel現(xiàn)有的信號(hào)分析邏輯上添加額外的滯后作用代碼，以防止無(wú)線電在使用時(shí)引起EEPROM更新，由此給出錯(cuò)誤的電源故障提示。 本文小結(jié) Centinel開發(fā)人員的寶貴經(jīng)驗(yàn)是采用結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)工具并配合案例分析和故障模式研究，這樣當(dāng)進(jìn)行編碼時(shí)，軟件就基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 Centinel軟件開發(fā)隊(duì)伍堅(jiān)持提前編寫程序，從而使寫出的應(yīng)用程序幾乎不存在任何缺陷，而且完全達(dá)到了要求。這些程序還包含附加控制邏輯，消除了大多數(shù)可能的軟件錯(cuò)誤，例如前面提及的EEPROM超時(shí)。 設(shè)計(jì)過(guò)程還采用了對(duì)等的評(píng)估過(guò)程，在最終定型之前，程序和電路設(shè)計(jì)都必須經(jīng)過(guò)其他開發(fā)人員的研究。這些“外眼”可幫助發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，或發(fā)現(xiàn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求的地方，還促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)合作，讓公司內(nèi)更多的人參與Centinel的開發(fā)并分享其成功。 Centinel目前是Cummins引擎公司電控柴油機(jī)引擎系列產(chǎn)品之一。Centinel設(shè)計(jì)贏得了《OEM Off-Highway》雜志頒發(fā)的OEMmie獎(jiǎng)，在Cummins公司內(nèi)部被視為系統(tǒng)工程實(shí)踐不斷改進(jìn)而獲得優(yōu)異產(chǎn)品的典范。 Bill Gatliff是獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)顧問(wèn)，ESP的資深編輯。聯(lián)系郵件：bgat@open-widgets.com。Paul Cantrell是管理顧問(wèn)，Centinel固件的首席結(jié)構(gòu)師及開發(fā)者。