JP2009264883A - 演算処理装置及び演算処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価なマイクロコンピュータであっても、ノイズの発生による影響を回避して、適切なタイミングで信号の変換入力が可能な演算処理装置を提供する。
【解決手段】信号端子ＡＦ＋に入力された信号を変換指令に基づいてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３１ａと、Ａ／Ｄ変換された信号データを入力し、信号データと閾値を比較して、その結果に基づいて所定の制御信号を出力する信号出力部３１ｂと、信号データに基づいて閾値を調整する閾値算出部３１ｃを備え、信号出力部３１ｂはＡ／Ｄ変換された信号データを入力した後、制御信号Ｓ２を出力する前に、Ａ／Ｄ変換部３１ａに次のＡ／Ｄ変換のための変換指令を出力する。
【選択図】図６

Description

本発明は、マイクロコンピュータを用いた演算処理装置及び演算処理方法に関する。

車両に搭載されるエンジンを制御する電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」と記す。）には、エンジンに搭載された様々なセンサからの入力値に基づいて所定の演算処理を行ない、エンジンに対して所定の制御信号を出力するマイクロコンピュータが組み込まれている。

ＥＣＵは、例えば、エンジンの排気管に設けられた空燃比センサからの入力値等に基づいて算出した燃料噴射量に従って燃料噴射弁を制御し、所定の空燃比に制御する。

このようなＥＣＵに組み込まれる制御プログラムの開発に際して、実機が存在しない状況でも制御プログラムの動作を容易に検証できるように、様々なシミュレータが用いられている。例えば、燃料噴射弁に対するＥＣＵからの制御信号に応じたクランクパルス信号を模擬してＥＣＵに出力するような機能を備えたシミュレータである。

ＥＣＵの高機能化に従ってシミュレータの性能も向上し、エンジンに組み込まれるセンサの動作を模擬する模擬センサも多く開発されている。例えば、ハイブリッド車両では、駆動モータに対する制御信号に応じてモータの回転状態をモニタする模擬レゾルバ等である。

そのような模擬センサの一つとして模擬空燃比センサの開発が要請されている。
図１及び図２に示すように、空燃比センサ１は、エンジン本体１０の排気管１１の内部に向けて突設され、周壁にカバー内外を連通する多数の小孔２が形成されたカバー３と、空燃比がリーン領域における酸素濃度、または空燃比がリッチ領域におけるＣＯやＨＣ等の未燃ガス濃度に対応する限界電流を発生するセンサ本体４と、ヒータ５を備えている。

センサ本体４は、固体電解質層４ａの外表面に排気ガス側電極層４ｂが固着されるとともに、内表面に大気側電極層４ｃが固着され、排気ガス側電極層４ｂの外側に拡散抵抗層４ｄが設けられている。

排気ガス側電極層４ｂ及び大気側電極層４ｃは、ともに白金等の触媒金属で構成され、その表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。ヒータ５は大気側電極層４ｃの内側に収容されており、その発熱によりセンサ本体４が加熱される。

センサ本体４は、理論空燃比よりリーン領域では酸素濃度に応じて、排気ガス側電極層４ｂの面積、拡散抵抗層４ｄの厚さ、気孔率及び平均孔径により決定される限界電流を発生する。また、理論空燃比よりリッチ領域では、未燃ガスである一酸化炭素等の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生する。つまり、空燃比がリーン側になるほど限界電流は増大し、空燃比がリッチ側になるほど限界電流は減少する。

限界電流は、酸素濃度に対応した線形特性を示すが、約７００℃以上の温度で活性化されるために、ヒータ５による加熱によりセンサ本体４が活性化温度域に制御される。また、空燃比センサ１のインピーダンスは、温度変化に伴い変化するという特性を備えている。

ＥＣＵ２０は、空燃比センサ１に一定の電圧を印加したときの限界電流値に対応する電圧により空燃比を求める空燃比検出部２１と、空燃比センサ１のインピーダンスを測定して温度を把握し、活性化温度を維持するようにヒータ５をＰＩＤ制御するヒータ制御部２２を備えている。

空燃比検出部２１は、定常的に一定の電圧を空燃比センサ１に印加して空燃比を検出するとともに、所定周期で単発の交流パルス信号を印加してインピーダンスを測定する。

図３は、ＥＣＵ２０に組み込まれた空燃比検出部２１の内部回路の概略を示す。マイクロコンピュータ（「ＣＰＵ」とも記す。）のポートＰ１及びポートＰ２から、図４に示すような制御信号が出力されることにより、端子ＡＦ＋，ＡＦ−間に現れる空燃比センサ１の電圧及び電流が、Ａ／Ｄ変換ポートＡＤ１，ＡＤ２から入力されて、インピーダンスが測定される。

ポートＰ１及びポートＰ２が定常のレベルにあるときの、端子ＡＦ＋，ＡＦ−間に現れる空燃比センサ１の電圧及び電流がＡ／Ｄ変換ポートＡＤ１，ＡＤ２から入力されて、空燃比が測定される。つまり、端子ＡＦ＋に一定電圧を印加している状態のときに、所定の検出周期で空燃比が検出される。

空燃比センサについては、例えば、特許文献１に詳述されている。

このような空燃比センサ１を模擬する模擬空燃比センサでは、端子ＡＦ＋の電圧をモニタして、単発の交流パルス信号が印加されたインピーダンス測定モードであるか、一定の直流電圧が印加された空燃比測定モードであるかを検出して、対応する電圧が端子ＡＦ＋から出力されるように制御する必要がある。

そこで、端子ＡＦ＋の電圧を検出するＡ／Ｄ変換部を備えたマイクロコンピュータを備え、変換された信号データに基づいて、対応するインピーダンスが検出されるように端子ＡＦ＋に接続されるインピーダンスを切り替える電圧生成回路を備えた模擬空燃比センサを思索している。

上述したインピーダンス検出モードでは、ポートＰ１から制御信号が出力された後、百数十μｓｅｃ．で端子ＡＦ＋の電圧がピークに達するため、少なくともそれよりも短い周期でＡ／Ｄ変換して、インピーダンス検出モードに移行したことを検出する必要がある。

そのため、模擬空燃比センサは、信号端子の信号を変換指令に基づいてＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換後の信号データを取り込み、当該信号データと閾値を比較して、その結果に基づいて所定の制御信号を出力する信号出力部を備え、全体の処理時間が数十μｓｅｃ．で収まり、それらの処理が繰り返されるように設計する必要がある。

しかし、信号出力部から制御信号を出力した後に直ちにＡ／Ｄ変換処理を起動すると、制御信号と同相ノイズが端子ＡＦ＋に回り込み、ＥＣＵに誤動作を引き起こす虞があるという問題があった。

特許文献２には、Ａ／Ｄ変換部に入力する信号をスイッチングしてから、高周波ノイズが減衰するまで遅延させた後にＡ／Ｄ変換処理を行なうＡ／Ｄ変換装置が提案されている。
特開２０００−２８５７５号公報 特開平１０−２７６０９０号公報

しかし、信号出力部から制御信号を出力した後に、所定時間遅延させてＡ／Ｄ変換処理を起動すると、それだけ、信号のサンプリング周期が長くなり、インピーダンス測定モードであるか、空燃比測定モードであるかを正確に検出できなくなり、ＥＣＵに誤動作を引き起こす虞が解消されない。

そこで、マイクロコンピュータのシステムクロックを高めて演算処理速度を速めることも考えられるが、安価なマイクロコンピュータでは周波数の制限もあり、また、Ａ／Ｄ変換時のサンプルホールド時間はシステムクロックを高めても速まることが無いため、効果的な対策が望まれていた。

このような問題は、模擬空燃比センサに限らず、アナログ信号を取り込むＡ／Ｄ変換部を備えた様々な演算処理装置にも付随する。

本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、安価なマイクロコンピュータであっても、ノイズの発生による影響を回避して、適切なタイミングで信号の変換入力が可能な演算処理装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による演算処理装置の特徴構成は、信号端子に入力された信号を変換指令に基づいてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換された信号データを取得し、前記信号データに基づいて所定の制御信号を出力する信号出力部と、前記信号出力部が処理する内容とは異なる所定の演算処理を行なう演算処理部とを備え、前記Ａ／Ｄ変換部と信号出力部と演算処理部による各処理を繰り返し行なうものであり、前記信号出力部はＡ／Ｄ変換された信号データを入力した後、前記制御信号を出力する前に、前記Ａ／Ｄ変換部に次のＡ／Ｄ変換のための変換指令を出力する点にある。

上述の構成によれば、ノイズの発生を引き起こす制御信号の出力前に、次のＡ／Ｄ変換処理が起動されるようになり、しかも、Ａ／Ｄ変換処理の実行中に他の処理が並行して実行されるので、一連の演算処理周期を短くすることができるようになる。

以上説明した通り、本発明によれば、安価なマイクロコンピュータであっても、ノイズの発生による影響を回避して、適切なタイミングで信号の変換入力が可能な演算処理装置を提供することができるようになった。

以下に本発明による演算処理装置及び演算処理方法が採用された模擬空燃比センサについて説明する。尚、本発明は模擬空燃比センサ以外にＡ／Ｄ変換処理を伴なう演算処理装置であれば、適宜採用することができるものである。

図５（ａ）に示すように、車両に搭載されたエンジンＥＣＵ２０とエンジン１０に設けられた空燃比センサ１等の複数のセンサ及び燃料噴射弁等の複数の負荷とが信号ケーブル２３で接続されている。

エンジンＥＣＵ２０は、流入空気量と機関回転数等に基づいて基本噴射量を算出し、空燃比センサ１で検出された空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック演算を行なって燃料噴射量を算出するように構成されている。

このようなエンジンＥＣＵ２０の制御プログラムを開発する際に、当該制御プログラムを検証するエンジンシミュレータが使用される。

図５（ｂ）に示すように、エンジンシミュレータ４０とエンジンＥＣＵ２０とが信号ケーブル２３で接続され、エンジンシミュレータ４０とエンジンＥＣＵ２０との間に模擬空燃比センサ３０が接続され、シミュレーションシステム５０が構築される。

エンジンシミュレータ４０は、エンジンＥＣＵ２０から燃料噴射量に対応した燃料噴射パルス等が入力されると、それに対応してエンジン燃焼モデルプログラムを実行して、対応するクランクパルス信号等のセンサ信号を出力する。

エンジンシミュレータ４０から出力されるセンサ信号には、クランクパルス信号の他、燃料噴射弁が正常に作動したことを示すフェール信号（モニタ信号）や、水温信号等、実際にエンジンに組み込まれた各種のセンサの信号が模擬して出力される。

そのようなセンサの一つとして、模擬空燃比センサ３０がシミュレーションシステム５０に組み込まれている。

模擬空燃比センサ３０は、エンジンＥＣＵ２０に組み込まれた空燃比検出部２１（図２参照）から印加される信号端子ＡＦ＋（図３参照）の電圧をモニタして、単発の交流パルス信号が印加されたインピーダンス測定モードであるか、一定の直流電圧が印加された空燃比測定モードであるかを検出して、対応する電圧が端子ＡＦ＋から出力されるように制御する。

図６に示すように、模擬空燃比センサ３０は、演算処理装置としての１チップのマイクロコンピュータ３１と、回路インピーダンスを調整して信号端子ＡＦ＋を所定電圧に制御する電圧生成回路３２を備えている。

マイクロコンピュータ３１は、信号端子ＡＦ＋に入力された信号Ｓ１を変換指令に基づいてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３１ａと、Ａ／Ｄ変換された信号データを入力し、信号データと閾値を比較して、その結果に基づいて所定の制御信号Ｓ２を出力する信号出力部３１ｂと、信号データに基づいて閾値を調整する閾値算出部３１ｃを備えている。

Ａ／Ｄ変換部３１ａはマイクロコンピュータ３１に組み込まれたＡ／Ｄ変換回路と、変換指令に基づいてＡ／Ｄ変換処理を実行して、変換後の信号データを格納するレジスタを備えている。

信号出力部３１ｂと閾値算出部３１ｃはマイクロコンピュータ３１のＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより実現される機能ブロックである。

電圧生成回路３２は、複数の抵抗とコンデンサとスイッチ等で構成され、スイッチの切替等により入力インピーダンスを変化させることが可能な模擬インピーダンス生成回路と、エンジンシミュレータ４０との通信を行なうインタフェース回路と、信号出力部３１ｂから出力された制御信号Ｓ２に基づいて、単発の交流パルス信号が印加されたインピーダンス測定モードであるか、一定の直流電圧が印加された空燃比測定モードであるかに対応して、模擬インピーダンス生成回路のインピーダンスを切り替える切替制御回路を備えている。

つまり、制御信号Ｓ２は、信号データに基づいて信号端子ＡＦ＋から出力される信号種類を切り替えるための制御信号であり、信号データに基づいて空燃比出力とインピーダンス検出用出力の何れを出力するかを切り替えるための制御信号である。

信号出力部３１ｂは、Ａ／Ｄ変換部３１ａによってＡ／Ｄ変換された信号データをレジスタから読み取り、ＲＡＭに入力した後、制御信号Ｓ２を出力する前に、Ａ／Ｄ変換部３１ａに次のＡ／Ｄ変換のための変換指令を出力する。

電圧生成回路３２には、シリアル通信ラインを介して接続されたエンジンシミュレータ４０から模擬空燃比センサ３０が出力すべき空燃比情報及び温度情報であるデジタル信号Ｓ４が周期的に入力されており、信号出力部３１ｂから出力された制御信号Ｓ２に基づいて、空燃比測定モードであると判断したときには空燃比情報に対応するインピーダンスとなるように模擬インピーダンス生成回路のインピーダンスを切り替え、インピーダンス測定モードであると判断したときには温度情報に対応するインピーダンスとなるように模擬インピーダンス生成回路のインピーダンスを切り替える。

例えば、制御信号Ｓ２がハイレベルであれば空燃比測定モード、ローレベルであればインピーダンス測定モードであると識別される。

つまり演算処理装置は、信号端子に入力された信号を変換指令に基づいてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換された信号データを入力し、信号データに基づいて所定の制御信号を出力する信号出力部と、信号データに基づいて閾値を調整する閾値算出部を備え、信号出力部はＡ／Ｄ変換された信号データを入力した後、制御信号を出力する前に、Ａ／Ｄ変換部に次のＡ／Ｄ変換のための変換指令を出力するように構成されている。

尚、演算処理装置は、閾値算出部に替えて、或は閾値算出部に加えて、信号出力部が処理する内容とは異なる所定の演算処理を行なう演算処理部が設けられているものであってもよい。

以下に演算処理装置の動作を、図７に示すフローチャートに基づいて説明する。模擬空燃比センサ３０に電源が投入されると、必要な初期設定が行なわれた後に信号出力部３１ｂが起動する。信号出力部３１ｂは、初期に制御信号Ｓ２をハイレベルに設定し、Ａ／Ｄ変換部３１ａに対して変換指令を出力してＡ／Ｄ変換の完了を待つ（Ｓ１）。

Ａ／Ｄ変換部３１ａはＡＦ＋端子の信号をサンプルホールド回路でサンプルホールドして、アナログの信号をデジタルの信号データに変換し、変換が完了する当該信号データをレジスタに格納して変換完了フラグをセットする（Ｓ２）。

変換完了フラグを検出した信号処理部３１ｂは、レジスタに格納された信号データをＲＡＭに記憶して（Ｓ３）、変換完了フラグをリセットするとともに、Ａ／Ｄ変換部３１ａに変換指令を出力する（Ｓ４）。

変換指令を受けたＡ／Ｄ変換部３１ａは、ステップＳ２と同様にして、ＡＦ＋端子の信号をサンプルホールド回路でサンプルホールドしてＡ／Ｄ変換処理を実行する。

Ａ／Ｄ変換部３１ａによるＡ／Ｄ変換処理の実行と並行して、信号処理部３１ｂは、ＲＡＭに格納された信号データと、同じくＲＡＭに格納された閾値Ｖｔｈ（図４参照）とを比較し、信号データが閾値Ｖｔｈよりも低いときには（Ｓ５）、空燃比測定モードであると判断して電圧生成回路３２にハイレベルの信号Ｓ２を出力し（Ｓ７）、信号データが閾値Ｖｔｈよりも高いときには（Ｓ５）、インピーダンス測定モードであると判断して電圧生成回路３２にローレベルの信号Ｓ２を出力する（Ｓ６）。

信号処理部３１ｂにより信号Ｓ２が切替出力される時点では、既にＡ／Ｄ変換部３１ａによるサンプルホールド処理が完了している。

信号処理部３１ｂの処理が終了すると、閾値算出部３１ｃにより閾値Ｖｔｈの学習処理が開始される（Ｓ８）。

閾値算出部３１ｃは、信号処理部３１ｂで判定された空燃比測定モードで信号処理部３１ｂによりＲＡＭに格納された信号データを、ＲＡＭ上に区画された演算領域にバッファリングして、過去数十回から数百回の信号データの平均値を算出し、算出した平均値に所定のマージンを加算した値を空燃比測定モードとインピーダンス測定モードの何れであるかを判別するための閾値Ｖｔｈとして算出してＲＡＭ上の閾値格納領域に格納する。

エンジンシミュレータ４０から電圧生成回路３２に送信される空燃比情報及び温度情報に基づいて、模擬インピーダンス生成回路のインピーダンスが順次切り替わり、それに伴なってＡＦ＋端子の電圧レベルが変動するため、閾値Ｖｔｈを変化させる必要があるためである。

閾値算出部３１ｃによる閾値Ｖｔｈの学習演算が終了すると、ステップＳ２に戻り、Ａ／Ｄ変換部３１ａによるＡ／Ｄ変換処理の完了を待つ。既に変換完了フラグがセットされていれば、ステップＳ３の処理が実行される。

つまり、演算処理装置は、閾値が自動的に変動するコンパレータとしての機能を備えている。

このような演算処理装置の処理手順を、図８に示すタイミングチャートに基づいて説明する。演算処理装置では、信号出力部３１ｂによる閾値Ｖｔｈによる信号データの大小判定処理と、制御信号Ｓ２の出力処理、閾値算出部３１ｃによる閾値学習処理がシーケンシャルに実行され、Ａ／Ｄ変換部３１ａによるＡ／Ｄ変換処理がこれらの処理と並行して実行されるように構成されている。

Ｎ回目のＡ／Ｄ変換により得られた信号データが大小判定される間にＮ＋１回目のＡ／Ｄ変換処理が起動され、Ｎ＋１回目のＡ／Ｄ変換により得られた信号データが大小判定される間にＮ＋２回目のＡ／Ｄ変換処理が起動されるのである。

従って、安価な低速のマイクロコンピュータであっても、一連の信号処理周期を短く設定できるようになる。また、制御信号Ｓ２を出力するタイミングとＡ／Ｄ変換のためのサンプルホールドタイミングを容易に異ならせることができるので、制御信号Ｓ２の切替タイミングで信号端子ＡＦ＋に異常なノイズが発生することも解消されるようになる。

即ち本発明による演算処理装置では、信号端子の信号を変換指令に基づいてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換処理ステップと、Ａ／Ｄ変換された信号データを入力し、信号データと閾値を比較して、その結果に基づいて所定の制御信号を出力する信号出力処理ステップと、信号データに基づいて閾値を調整する閾値算出処理ステップを実行し、信号出力処理ステップでは、Ａ／Ｄ変換された信号データを入力した後、制御信号を出力する前に、Ａ／Ｄ変換処理ステップに変換指令を出力する演算処理方法が実行される。

上述した実施形態で、模擬空燃比センサが、演算制御装置３１と電圧生成回路３２が異なるブロックで構成される場合を説明したが、演算制御装置３１と電圧生成回路３２が一つのマイクロコンピュータ及びその周辺回路で構成されるものであってもよい。例えば、電圧生成回路３２のうち、インタフェース回路と、切替制御回路の機能を演算制御装置３１のマイクロコンピュータに組み込むような構成であってもよい。

上述した実施形態は、本発明による演算処理装置及び演算処理方法が、模擬空燃比センサに適用された場合を説明したが、本発明による演算処理装置は、Ａ／Ｄ変換処理の結果に基づいて各種の信号処理を行なう必要のある各種の演算処理装置に適用できるものである。

つまり、上述した実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明の作用効果を奏する範囲において、適用される演算処理装置の用途や各ブロックの具体的構成等は適宜変更設計できることはいうまでもない。

空燃比センサの構成を示す説明図 空燃比センサの使用例を示す説明図 空燃比センサに対する信号処理回路の説明図 信号処理回路により制御される空燃比センサの動作を示す信号説明図 （ａ）は空燃比センサがエンジンに取り付けられ、エンジンＥＣＵにより制御される場合のシステムの説明図、（ｂ）は模擬空燃比センサを用いてエンジンＥＣＵを評価する場合のシミュレーションシステムの説明図 （ａ）はシミュレーションシステムのブロック構成図、（ｂ）は模擬空燃比センサの機能ブロック構成図 模擬空燃比センサに組み込まれた演算処理装置の動作を示すフローチャート 演算処理装置により実行される各処理のタイミングチャート

符号の説明

１：空燃比センサ
５：ヒータ
１０エンジン本体
２０：エンジンＥＣＵ
３０：模擬空燃比センサ
３１：演算処理装置（１チップマイクロコンピュータ）
３１ａ：Ａ／Ｄ変換部
３１ｂ：信号出力部
３１ｃ：閾値算出部
３２：電圧生成回路

Claims (5)

1. 信号端子に入力された信号を変換指令に基づいてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換された信号データを取得し、前記信号データに基づいて所定の制御信号を出力する信号出力部と、前記信号出力部が処理する内容とは異なる所定の演算処理を行なう演算処理部とを備え、前記Ａ／Ｄ変換部と信号出力部と演算処理部による各処理を繰り返し行なうものであり、前記信号出力部はＡ／Ｄ変換された信号データを入力した後、前記制御信号を出力する前に、前記Ａ／Ｄ変換部に次のＡ／Ｄ変換のための変換指令を出力する演算処理装置。
2. 前記制御信号が、前記信号データに基づいて前記信号端子から出力される信号種類を切り替えるための制御信号である請求項１記載の演算処理装置。
3. 排ガス中の空燃比を検出する空燃比センサを模擬する模擬空燃比センサに組み込まれ、前記制御信号が前記信号データに基づいて空燃比出力とインピーダンス検出用出力の何れを出力するかを切り替えるための制御信号である請求項１記載の演算処理装置。
4. エンジン制御装置とエンジンを模擬するシミュレータとの間に接続され、前記エンジン制御装置から前記信号端子に印加される信号レベルに基づいて、前記エンジンシミュレータから入力される空燃比データ及びインピーダンスデータの何れに対応する信号を前記信号端子から出力するかを切り替えるための制御信号を出力する請求項１記載の演算処理装置。
5. 信号端子の信号を変換指令に基づいてＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換処理ステップと、Ａ／Ｄ変換された信号データを入力し、前記信号データと閾値を比較して、その結果に基づいて所定の制御信号を出力する信号出力処理ステップと、前記信号出力ステップとは異なる内容の所定の演算処理を行なう演算処理ステップの各ステップを繰り返し実行するように構成し、前記信号出力処理ステップでは、Ａ／Ｄ変換された信号データを入力した後、前記制御信号を出力する前に、前記Ａ／Ｄ変換処理ステップに前記変換指令を出力する演算処理方法。

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