基于OBD接口的拖拉机电子油门控制装备设计与试验

王文卿，许凯，李卫卫，谢洪德，刘风平

（1.山东科技职业学院，山东 潍坊 261053；2.山东省农业机械试验鉴定站，山东 济南 250100；3.山东潍坊鲁中拖拉机有限公司，山东 潍坊 261012）

1 系统设计论证

电子油门的电压与发动机的转速在500r/min到2500r/min成线性关系，整个电子油门的电压与转速的关系如式（1）描述：

其中N是发动机转速，单位是r/min；U是给控制器电压信号，单位是V。

由于PWM输出的电压只是给ECU控制器的电压信号，没有任何负载。所以输出电压与占空比成以下关系：

其中a为占空比，U1为电压，取5V。由式（1）与式（2）联合可知，发动机转速与占空比关系如下：

2 设备硬件设计

2.1 硬件总成

如图1所示，硬件结构包括MCU控制模块、OBD诊断接口、电源、油门接口、滤波模块、按键或触摸屏接口，电源给MCU供电，通过OBD接口读取实时转速，通过触摸屏给MCU目标转速，然后滤波输出PWM电压。以MCU控制器为核心，向外围连接。

图1 设备组成图

MCU控制器模块包括MCU最小系统、CAN收发器模块、显示模块、PWM输出模块。

OBD诊断接口使用ISO15031-5规定的接口，通过屏蔽双绞线连接内燃机与MCU控制器。为防止传输距离过长造成不能正常工作，在OBD接口终端的双绞线的CAN高、CAN底的两端并联上了一个12 0Ω的吸收电阻。OBD诊断接口给控制器提供发动机实时转速。

2.2 油门驱动电路

油门接口使用国标规定接口，用于连接内燃机油门接口与滤波模块，油门接口共6根线，两个电源正、两个电源负和两个信号，在本装备中将两个电源分别连接MCU控制器中，信号将连接到滤波模块中，油门接口的作用是将滤波后的电压信号给内燃机（模拟油门开度），如图2所示：

图2 油门接口图

滤波模块是连接油门接口与MCU控制器，是将MCU控制器输出的PWM电压信号进行滤波，去掉因线路产生的噪音，使MCU输出的信号更加贴近油门的电压信号的形式。

PWM电压信号，是MCU控制auips7111电源开关生成的。MCU不断控制输入端高电平与低电平，来生成相应的PWM电压信号，如图3所示：

图3 PWM驱动电路图

2.3 CAN外围电路设计

MCU控制自带CAN控制器，故在硬件上只需设计CAN收发器即可，该装备是由TJA1050T收发器外围电路以及PESD2CAN保护电路组成。

设计好原理图，然后进行PCB试做，焊接81针插接件示。

3 软件设计

3.1 软件工作原理

MCU主控芯片为STM32F103系列。将OBD诊断接口与设备对应的接口连接好，设备通电，把发动机的实际油门拔下，换成设备的油门接口，屏幕显示发动机实时转速和目标转速。程序初始化后，控制器读取OBD诊断接口的CAN报文，获取内燃机的实时转速，与目标转速进行比较，模拟出电子油门的开度大小（输出电压的大小）；若没有读取到，MCU控制器将维持最低转速，然后经过滤波，最后输出到油门接口，达到目标转速与实时转速相等。

显示模块中实时显示PWM的占空比，测试人员可以在显示模块中的详细界面的PWM设置界面，直接设置PWM的占空比和周期，来改变内燃机的转速，此时不受目标转速和实时转速的影响。

在该装备中采用两路PWM信号模拟油门踏板的信号，在显示模块中可以选择这两路PWM信号之间的关系，如选择两路PWM值信号1:1的关系，也可以在详细界面中添加两种PWM值关系信号，确保内燃机不报油门相关故障。这样可以实现当其他因素引起内燃机转速变化MCU控制器立即根据目标转速进行调整。该装备在油门接口终端加入了滤波模块以稳定实时转速。

3.2 GUI工作原理

需要调整发动机转速时，用按键或触摸屏设定内燃机的目标转速。如果触摸屏设定的目标转速范围在600r/min～3000r/min之间，则执行下一步；否则提示重新输入正确的目标转速。

按键接口是通过MCU控制器的I/O口进行连接。当按下“转速上升键”持续3s以上时，目标转速会快速上升，直到按键松开或转数达到3000r/min为止；当按下按键后，立即松开，目标转速会增加1r/min，同样当增加到3000r/min时不会再继续增加。可以按下“转速下降键”使转速降低，下降到600r/min，不再下降。当松开按键1s之后，MCU控制执行下一步。

MCU控制器通过显示模块，提示测试人员选择与发动机通信连接模式，该装备提供了3种常见的通信连接模式，即串口（RS485、RS232）、K通信、CAN通信（250bps、500bps），满足目前所有厂家的通讯协议。测试人员可以通过触摸屏或按键进行选择，一旦选择后，本次测试不能改变通信连接方式，MCU控制将跳入测试人员选择的通信连接模式的子程序。

根据OBD诊断协议其网络层和物理层按ISO15765-4规定，内燃发动机必须引出OBD接口，并可读取内燃机的数据。测试人员可以在显示模块中详细界面选择不同的内燃机厂家，并可以实时更新新的内燃机厂家数据。还可以在详细界面中的CAN报文设置界面中选择自动搜索，MCU控制器将按照本地库中CAN报文信息序号进行尝试连接，连接成功后将返回连接成功的界面，并显示当前连接的CAN报文的类型地址和对应内燃机厂家。

根据ISO15765协议，通过MCU控制器对内燃机发送请求帧，然后等待内燃机的ECU发回的数据帧，可获得获取内燃机的实时转速；若长时间不返回，显示模块将跳出连接超时的提示窗口，表明设备连接失败。若内燃机ECU数据帧返回数据经解析是负响应，显示模块将跳出提示窗口，用来提示测试人员参数选择不对；若内燃机ECU返回数据经解析是正响应，MCU则进行对该报文数据进行详细的解析，并算出内燃机实时转速。

为了MCU使控制器平滑的模拟输出油门踏板的电压信号和获取稳定的实时转速，本装备对实时转速进行了中值平均滤波，并加长采样周期，让每秒获取一次内燃机实时转速。

4 结论

本装备的控制器采用PWM技术，通过数字方式控制模拟电路，采用按键、触屏均可使用。经过测试验证，得出如下结论：（1）基于PWM技术设计的拖拉机电子油门控制装备，通过读取发动机的转速，根据PWM占空比与总电源的关系式，模拟出电子油门电压，从而控制发动机转速。（2）试验表明该装备能有效的对发动机实时转速进行控制，误差在5r/min以内，实现了对电子油门的准确控制。（3）本装备对开环控制系统和闭环控制系统都能良好地适应，通过控制电子油门来控制发动机油门开度，即发动机转速实现闭环控制，这一技术在国内属于首创。本装备实现了闭环控制发动机转速，输入目标值后自动寻找目标值点，十分方便，值得推广使用。