BÁO CÁO HỆ THỐNG NHÚNG VÀ THIẾT KẾ GIAO TIẾP NHÚNG Đề tài: Bộ điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI trong động cơ ô tô Giới thiệu chung Hệ thống nhúng (Embedded Systems) là sự kết hợp của phần cứng và phần mềm máy tính, và có thể bổ sung phần cơ khí hoặc một số bộ phận khác, được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể. Điều này trái ngược hoàn toàn với máy tính cá nhân như laptop, computer,… Nó cũng bao gồm phần cứng, phần mềm, các thành phần cơ khí. Tuy nhiên, máy tính cá nhân không được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể. Đúng hơn là nó thực hiện nhiều công việc khác nhau, hay ta có thể sử dụng thuật ngữ máy tính đa năng để phân biệt với máy tính hệ nhúng. Thông thường, một hệ thống nhúng là một thành phần trong một số hệ thống lớn hơn. Như bài toán ta đang triển khai là điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI trong động cơ ô tô sẽ điều khiển hệ thống phun xăng, hệ thống đánh lửa,… Các hệ thống nhúng này được kết nối bởi một số mạng truyền thông
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO HỆ THỐNG NHÚNG VÀ THIẾT KẾ GIAO TIẾP NHÚNG Đề tài: Bộ điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI động ô tơ Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Văn Tiến Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 17 Họ tên MSSV Mã lớp Phạm Quang Anh 20182359 133385 Trần Hồng Nhung 20182713 133385 Vũ Tiến Thịnh 20182809 13385 Hà Nội, 07-2022 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, hệ thống nhúng trở nên phổ biến đóng vai trị quan trọng đời sống người Ví dụ quanh ta có nhiều sản phẩm nhúng lị vi sóng, nồi cơm điện, điều hịa, điện thoại di động, tơ, máy bay, tàu thủy, đầu đo, cấu chấp hành thơng minh, robot, ta thấy hệ thống nhúng có mặt lúc nơi sống Qua môn học hệ thống nhúng, chúng em hiểu thêm hệ thống nhúng thực tế, đặc điểm, tính ưu việt tính ứng dụng chúng người Với mong muốn làm rõ kiến thức học giới thiệu ứng dụng hệ thống nhúng, nhóm chúng em thực nghiên cứu đề tài điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI động ô tô – sản phẩm yêu cầu tính thời gian thực quen thuộc ngành công nghiệp ô tô Do thời gian thực kiến thức hạn chế nên nhiều sai sót q trình thực đề tài, nhóm chúng em mong bổ sung đóng góp thầy bạn để đề tài hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Văn Tiến tận tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em thực hoàn thành đề tài Nhóm sinh viên thực Nhóm 17 MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC HÌNH VẼ ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Hệ thống thời gian thực (Real-time Operating System) 1.3 Hệ thống điều khiển phun xăng điện tử EFI động ô tô 1.3.1 EFI gì? 1.3.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống 1.3.3 Sơ đồ chức hệ thống 1.4 Chỉ tiêu kỹ thuật 1.5 Kết luận CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Một số cảm biến hệ thống EFI 2.1.1 Manifold Absolute Pressure (MAP) Sensor 2.1.2 Manifold Air Temperature (MAT) Sensor 2.1.3 Coolant Temperature (CLT) Sensor 2.1.4 Crankshaft Position (CKP) Sensor 2.1.5 Oxygen (O2) Sensor 10 2.2 Các khối tính tốn cho q trình phun nhiên liệu 12 2.2.1 Air density calculation (kg/m3) 13 2.2.2 AFR Table 13 2.2.3 VE Table 14 2.2.4 Warmup Table 15 2.2.5 O2 Loop Table (EGO correction table) 16 2.3 Các khối tính toán trước đánh lửa 16 2.4 Kết luận 18 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 19 3.1 UML 19 3.1.1 Use case Diagram 19 3.1.2 Class Diagram 20 3.1.3 State Machine Diagram 21 3.2 SystemC 24 3.3 Hardware-Software Codesign 27 3.3.1 Co-specification 27 3.3.2 Co-synthesis 28 3.3.3 Co-simulation/Co-verification 28 3.4 Kết luận 28 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 29 4.1 Thiết kế phần cứng 30 4.1.1 Top module 30 4.1.2 Architecture 30 4.1.3 Crankshaft position control 31 4.1.4 Stroke transition 34 4.1.5 Ignition control 36 4.1.6 Fuel injection control 38 4.2 Thiết kế phần mềm 41 4.2.1 Mục tiêu 41 4.2.2 Lý thiết kế phần mềm 41 4.2.3 Nhiệm vụ 42 4.2.4 Thiết kế triển khai kit FPGA 42 4.2.5 Giải vấn đề gặp phải trình triển khai 42 4.3 Giao tiếp phần cứng phần mềm 44 4.4 Thiết kế giao tiếp ngoại vi 45 4.4.1 MicroSD 45 4.4.2 UART 45 CHƯƠNG KIỂM THỬ 46 5.1 Kế hoạch kiểm thử 46 5.1.1 Kịch kiểm thử 46 5.1.2 Kiểm thử top module 46 5.1.3 Khối crankshaft position control 47 5.1.4 Khối stroke transition 48 5.1.5 Khối ignition control 49 5.1.6 Khối fuel injection control 50 5.1.7 Kiểm tra chức phần mềm 51 5.2 Triển khai tích hợp hệ thống sử dụng kit FPGA Zynq phần mềm Vivado 52 5.2.1 Tạo project, thêm file source code mô tả phần cứng 52 5.2.2 Tạo block design 52 5.2.3 Tổng hợp implement thiết kế phần cứng Vivado 53 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 BÁO CÁO CÁ NHÂN 57 I Phạm Quang Anh – 20182359 57 II Trần Hồng Nhung – 20182713 59 III Vũ Tiến Thịnh – 20182809 61 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BTDC - Before Top Dead Center MAP sensor - Manifold Absolute Pressure sensor MAT sensor - Manifold Air Temperature sensor RPM - Revs Per Minute GPIO - General Purpose Input/Output Board ECU - Electronic Control Unit CKP - Crankshaft position sensor BTDC - Before Top Dead Center ATDC - After Top Dead Center DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống EFI điển hình Hình 1.2 Sơ đồ chức hệ thống Hình 2.1 MAP Sensor Outputs [3] Hình 2.2 MAT Sensor [4] Hình 2.3 Cấu tạo CKP Sensor 10 Hình 2.4 Oxygen Sensor 11 Hình 2.5 Output voltage of oxygen sensor [6] 12 Hình 2.6 Fuel Calculation 12 Hình 2.7 AFR Table 13 Hình 2.8 VE Table 14 Hình 2.9 Bảng hiệu chỉnh nhiệt độ nước làm mát 15 Hình 2.10 O2 Loop Table 16 Hình 2.11 Ignition Advance Calculation 16 Hình 2.12 Ignition Table 17 Hình 3.1 Use case diagram 19 Hình 3.2 Class Diagram 20 Hình 3.3 Crankshaft Position Control 21 Hình 3.4 Stroke Transition 22 Hình 3.5 Fuel Injection Control 23 Hình 3.6 Ignition Control 24 Hình 3.7 Kết mơ SystemC(1) 25 Hình 3.8 Kết mô SystemC(2) 25 Hình 3.9 Kết mơ SystemC(3) 26 Hình 3.10 Kết mơ SystemC(4) 26 Hình 3.11 HW/SW Co-Design [10] 27 Hình 4.1 Block diagram EFI System 29 Hình 4.2 Block diagram 30 Hình 4.3 Architecture .30 Hình 4.4 Block diagram crankshaft position control .31 Hình 4.5 Lưu đồ thuật tốn crankshaft position control 32 Hình 4.6 Sơ đồ ASMD crankshaft position control 33 Hình 4.7 Block diagram stroke transition 34 Hình 4.8 Lưu đồ thuật toán stroke transition 35 Hình 4.9 Sơ đồ ASMD stroke transition 36 Hình 4.10 Block diagram ignition control .37 Hình 4.11 Lưu đồ thuật toán ignition control 37 Hình 4.12 Sơ đồ ASMD ignition control 38 Hình 4.13 Block diagram fuel injection control 39 Hình 4.14 Lưu đồ thuật tốn fuel injection control 39 Hình 4.15 Sơ đồ ASMD fuel injection control 40 Hình 4.16 Giao tiếp phần cứng phần mềm 44 Hình 5.1 Kết mơ TOP module 47 Hình 5.2 Kết mô khối crankshaft position control 48 Hình 5.3 Kết mơ khối stroke transition 49 Hình 5.4 Kết mô khối ignition control 50 Hình 5.5 Kết mơ khối fuel injection control 51 Hình 5.6 Block design 52 Hình 5.7 Synthesis result 53 Hình 5.8 Report 53 Hình 5.9 Report Timing 53 Hình 5.10 Năng lượng tiêu thụ ước tính 54 Hình 5.11 Setup path 54 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật Bảng 2.1 Ảnh hưởng lẫn nhiệt độ, điện trở điện áp [5] Bảng 4.1 Signal input and output 29 Bảng 4.2 Parameters crankshaft position control 31 Bảng 4.3 Port description crankshaft position control 31 Bảng 4.4 Port description stroke transition 34 Bảng 4.6 Port description ignition control 37 Bảng 4.7 Port description fuel injection control 39 Từ yêu cầu đó, nhóm xây dựng testcases cho top module sau: • Vị trí khởi động xylanh TDC • Vị trí khởi động xylanh BDC • Đầu vào cảm biến CKP (cảm biến vị trí crankshaft) tuần hồn với chu kỳ xác định • Đầu vào cảm biến CKP khơng tuần hồn với chu kỳ khơng xác định • Hệ thống on suốt thời gian mơ • Hệ thống off suốt thời gian mơ • Hệ thống on/off ln phiên Hình 5.2 Kết mô khối crankshaft position control Hình 6.2 kết mơ khối crankshaft position control 5.1.4 Khối stroke transition Yêu cầu stroke transition: • Chỉ hoạt động tín hiệu on mức high • Chuyển trạng thái xác định trạng thái xác • Xác định thời gian cho phép phun nhiên liệu thời gian đánh lửa • Điều khiển xylanh chuyển trạng thái thứ tự với trường hợp có nhiều xylanh hoạt động Từ yêu cầu đó, nhóm xây dựng testcases cho top module sau: 48 • Vị trí khởi động xylanh TDC • Vị trí khởi động xylanh BDC • Đầu vào cảm biến CKP (cảm biến vị trí crankshaft) tuần hồn với chu kỳ xác định • Đầu vào cảm biến CKP khơng tuần hồn với chu kỳ khơng xác định • Hệ thống on suốt thời gian mơ • Hệ thống off suốt thời gian mơ • Hệ thống on/off luân phiên Hình 5.3 Kết mô khối stroke transition Hình 6.3 thể kết mô khối stroke transition 5.1.5 Khối ignition control Yêu cầu ignition control: • Chỉ hoạt động tín hiệu on mức high • Chọn thời điểm check liệu sensor thời điểm đánh lửa • Chọn thời gian yêu cầu phần mềm tính tốn thời gian đánh lửa Từ u cầu đó, nhóm xây dựng testcases cho top module sau: • Vị trí khởi động xylanh TDC • Vị trí khởi động xylanh BDC • Đầu vào cảm biến CKP (cảm biến vị trí crankshaft) tuần hồn với chu kỳ xác định • Đầu vào cảm biến CKP khơng tuần hồn với chu kỳ khơng xác định • Hệ thống on suốt thời gian mơ • Hệ thống off suốt thời gian mơ • Hệ thống on/off ln phiên Hình 5.4 Kết mơ khối ignition control Hình 6.4 kết mô khối ignition control 5.1.6 Khối fuel injection control Yêu cầu injection control: • Chỉ hoạt động tín hiệu on mức high • Chọn thời điểm phun nhiên liệu phun đủ nhiên liệu • Chọn thời gian yêu cầu phần mềm tính tốn thời gian phun nhiên liệu Từ yêu cầu đó, nhóm xây dựng testcases cho top module sau: • Vị trí khởi động xylanh TDC • Vị trí khởi động xylanh BDC • Đầu vào cảm biến CKP (cảm biến vị trí crankshaft) tuần hồn với chu kỳ xác định • Đầu vào cảm biến CKP khơng tuần hồn với chu kỳ khơng xác định 50 • Hệ thống on suốt thời gian mơ • Hệ thống off suốt thời gian mơ • Hệ thống on/off luân phiên Hình 5.5 Kết mô khối fuel injection control Hình 6.5 kết mơ khối fuel injection control 5.1.7 Kiểm tra chức phần mềm Yêu cầu phần mềm: • Thực thuật tốn chạy phần mềm • Thực tính tốn thời gian phun nhiên liệu thời gian đánh lửa • Thực thực chức backup liệu • Capture đủ liệu gửi từ phần cứng để phục vụ cho trình xử lý đẩy liệu cho phần cứng Từ yêu cầu đó, nhóm xây dựng testcases cho top module sau: • Đưa liệu sensor theo trường hợp: xe giảm tốc, xe chạy bình thường, xe tăng tốc • Đưa tín hiệu sensor CKP theo chu kỳ cố định không cố định Để thực kịch kiểm thử này, nhóm chúng em thực mơ SystemC kết hợp với phần mềm Xilinx SDK 5.2 Triển khai tích hợp hệ thống sử dụng kit FPGA Zynq phần mềm Vivado 5.2.1 Tạo project, thêm file source code mô tả phần cứng 5.2.2 Tạo block design Hình 5.6 Block design 52 5.2.3 Tổng hợp implement thiết kế phần cứng Vivado Hình 5.7 Synthesis result Hình 5.8 Report Hình 5.9 Report Timing Hình 5.10 Năng lượng tiêu thụ ước tính Hình 5.11 Setup path 54 KẾT LUẬN Sau trình tìm hiểu, nghiên cứu hệ thống nhúng điều khiển hệ thống phun xăng điện tử EFI, nhóm em nắm quy trình thiết kế sản phẩm nhúng nói chung điều khiển phun xăng điện tử nói riêng Đồng thời nhóm thiết kế hệ thống phun xăng tự động kit FPGA Xilinx Zynq Hệ thống EFI gồm sensor, hệ thống hiển thị, hệ thống phun nhiên liệu hệ thống đánh lửa Các tín hiệu input đưa vào hệ thống viết ngôn ngữ C, sau tín hiệu gửi tới điều khiển mô tả ngôn ngữ mô tả phần cứng Verilog để điều khiển hoạt động hệ thống Hệ thống phun xăng điện tử EFI hoạt động tiêu kĩ thuật đề đảm bảo hoạt động theo yêu cầu Trong trình thực thời gian kiến thức cịn nhiều sai xót, nhóm chúng em mong thầy bạn đóng góp ý kiến để nhóm em hồn thiện Nhóm em xin chân thành cám ơn TS Phạm Văn Tiến giúp đỡ nhóm chúng em trình thực tập lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] “Bộ giao thông vận tải,” 23 10 2012 Available: https://mt.gov.vn/vn/tintuc/33184/he-thong-phun-xang-dien-tu.aspx [Đã truy cập 06 2022] L Trà, “VINFAST,” 11 06 2021 Available: http://surl.li/cjamj [3] “PAT” Available: https://premierautotrade.com.au/news/map-sensorsmap.php [Đã truy cập 06 2022] [4] L Carley, “Manifold Absolute Pressure MAP Sensors,” AA1Car, [Trực tuyến] Available: https://www.aa1car.com/library/map_sensors.htm [5] “Engine Coolant Temperature Sensor (ECT),” DITEX, [Trực tuyến] Available: https://autoditex.com/page/engine-coolant-temperature-sensor-ect13-1.html [Đã truy cập 06 2022] [6] “Narrow-band AFR Meter” http://www.edproject.co.uk/NarrowAFR.html [7] “MegaSqurt-II,” http://www.megamanual.com/ms2/tune.htm#spark [Đã truy cập 06 2022] [8] “Motorsport Electronics User Documentation,” [Trực tuyến] Available: https://motorsport-electronics.co.uk/onlinehelp/html/4355.html [Đã truy cập 2022] [9] “Learn SystemC with Examples,” http://www.learnsystemc.com/ [Đã truy cập 2022] [10] https://www.ee.ryerson.ca/~courses/coe718/lectures/HS-CodesignOverview.pdf [Đã truy cập 2022] 56 BÁO CÁO CÁ NHÂN I Phạm Quang Anh – 20182359 Mơ hình hóa hệ thống Cơng việc thực Kết Thiết kế sơ đồ chức tổng quát Sơ đồ chức gồm chức chức phụ nằm bên Thiết kế class diagram Class diagram gồm class Thiết kế state diagram cho khối State diagram khối crankshaft crankshaft position control stroke position control stroke transition transition Triển khai sơ đồ UML mơ hình hóa hệ Mã nguồn SystemC kết mô thống SystemC trình bày báo cáo Thiết kế hệ thống phần cứng Công việc thực Kết Thiết kế block diagram, lưu đồ thuật toán Block diagram, lưu đồ thuật toán sơ đồ sơ đồ ASMD cho khối crankshaft ASMD cho khối crankshaft position position control stroke transition control stroke transition Thực code RTL kiểm thử cho Code RTL kết mô khối crankshaft position control, stroke ModelSim cho khối crankshaft position transition top module control, stroke transition top module Xây dựng hệ thống kiểm thử phần cứng Kiểm tra chức module phần cứng đưa lên FPGA (thực chức năng) Thiết kế hệ thống phần mềm Công việc thực Kết Xây dựng hàm tính tốn (hàm nội suy Các hàm tính tốn xây dựng thực cho biến, biến) sử dụng C++ chức cho kết tính tốn xác Xây dựng hàm đọc ghi liệu, backup Đọc ghi liệu xác liệu thông qua SDCard Triển khai chức cho thành phần fuel injection control (các hàm tính tốn lượng nhiên liệu phun, xử lý liệu gửi từ phần cứng đưa tín hiệu điều khiển cho phần cứng) Xây dựng thành phần fuel injection control có khả tính tốn lượng nhiên liệu phun phù hợp cho trường hợp xây dựng kế hoạch kiểm thử Xử lý liệu sensor (tính tốn giá Xây dựng module xử lý liệu trị sensor dựa điện áp đầu vào đầu vào sensor xác định thời điểm lấy mẫu) Ghép nối phần cứng với phần mềm Công việc thực Kết Thiết kế giao tiếp phần cứng với Giao tiếp thông qua AXI giải phần mềm điều chỉnh tần số hoạt động vấn đề không capture liệu để tránh tượng không capture liệu trình bày báo cáo Điều khiển việc đưa liệu tính tốn Các khối phần cứng phần mềm có khả điều khiển phần cứng phần trao đổi thông tin thời điểm mềm xác Xây dựng hàm main Hàm main hệ thống hoạt động ổn định 58 Xây dựng kịch kiểm thử Công việc thực Kết Xây dựng kịch kiểm thử cho top Kiểm tra chức top module phần cứng module phần cứng, phát số lỗi sai kịp thời sửa lỗi Kiểm thử hàm main phần mềm Kiểm tra chức hàm main, phát số lỗi sai kịp thời sửa lỗi II Trần Hồng Nhung – 20182713 Mơ hình hóa hệ thống Cơng việc thực Kết Lập bảng tiêu kỹ thuật hệ thống Bảng tiêu kỹ thuật Thiết kế use case diagram Use case diagram Thiết kế state diagram cho khối State diagram khối ignition control ignition control Thiết kế hệ thống phần cứng Công việc thực Kết Thiết kế block diagram, lưu đồ thuật toán Block diagram, lưu đồ thuật toán sơ đồ sơ đồ ASMD cho khối ignition control ASMD cho khối ignition control Thực code RTL kiểm thử cho Code RTL kết mô khối ignition control ModelSim cho khối ignition control Thiết kế hệ thống phần mềm Công việc thực Kết Triển khai chức cho thành phần Xây dựng thành phần ignition ignition control stroke transition control stroke transition Xử lý liệu sensor (tính tốn giá Xây dựng module xử lý liệu trị sensor dựa điện áp đầu vào đầu vào sensor xác định thời điểm lấy mẫu) Ghép nối phần cứng với phần mềm Công việc thực Kết Thiết kế giao tiếp phần cứng với Giao tiếp thông qua AXI giải phần mềm điều chỉnh tần số hoạt động vấn đề không capture liệu để tránh tượng khơng capture liệu trình bày báo cáo Điều khiển việc đưa liệu tính tốn Các khối phần cứng phần mềm có khả điều khiển phần cứng phần trao đổi thơng tin thời điểm mềm xác Xây dựng hàm main Hàm main hệ thống hoạt động ổn định 60 Xây dựng kịch kiểm thử Công việc thực Kết Xây dựng kịch kiểm thử cho Kiểm tra chức crankshaft position control ignition crankshaft position control ignition control phần cứng control phần cứng, phát số lỗi sai kịp thời sửa lỗi Thực chạy mô phần mềm Kết mô chạy ModelSim cho khối crankshaft position control ignition control phần cứng III Vũ Tiến Thịnh – 20182809 Mơ hình hóa hệ thống Cơng việc thực Kết Lập bảng tiêu kỹ thuật hệ thống Sơ đồ chức gồm chức chức phụ nằm bên Thiết kế class diagram Class diagram gồm class Thiết kế state diagram cho khối fuel State diagram khối fuel injection injection control control Thiết kế hệ thống phần cứng Công việc thực Kết Thiết kế block diagram, lưu đồ thuật toán Block diagram, lưu đồ thuật toán sơ đồ sơ đồ ASMD cho khối fuel injection ASMD cho khối fuel injection control control Thực code RTL kiểm thử cho Code RTL kết mô khối fuel injection control ModelSim cho khối fuel injection control Xây dựng kịch kiểm thử Công việc thực Kết Xây dựng kịch kiểm thử cho Kiểm tra chức crankshaft position control crankshaft position control Thực chạy mô phần mềm Kết mô chạy ModelSim cho khối st crankshaft position control Thiết kế hệ thống phần mềm Công việc thực Kết Triển khai chức cho thành phần fuel injection control (các hàm tính tốn lượng nhiên liệu phun, xử lý liệu gửi từ phần cứng đưa tín hiệu điều khiển cho phần cứng) Xây dựng thành phần fuel injection control có khả tính tốn lượng nhiên liệu phun phù hợp cho trường hợp xây dựng kế hoạch kiểm thử 62