随着汽车排放法规的日趋严格和油耗法规的实施，对发动机的排放和经济性要求越来越高。作为内燃机行业中解决能源和环境问题的重要方向之一，汽油直喷(Gasoline Direct Injection，GDI)发动机以其热效率高、油耗低、冷启动性能好和排放低等一系列优势而成为当今的研究热点，作为GDI发动机技术的一个重要部分，GDI发动机电控单元(ECU)的开发也成为研究的重点之一。ECU中的软件是GDI发动机电控技术开发中的重点和难点。按照层模型结构，发动机ECU软件分为应用软件层、运行时间环境(Run Time Environment，RTE)层和基础软件层，涉及到功能、策略、算法、监控、诊断、通信和IO控制等。基础软件层包括实时操作系统(Real Time Operating System，RTOS)、IO硬件抽象层、微控制器抽象层和复杂驱动层。其中，IO硬件抽象层和复杂驱动层与硬件相关，需要在基础软件层配置阶段，根据应用软件层要求的接口以及ECU提供的硬件资源来实现。在前期的研究中，初步完成了台架实验用GDI发动机ECU的总体设计，硬件部分包括传感器信号处理电路、爆震信号检测电路、喷油器驱动电路、点火驱动电路、VVT机油压力控制电磁阀驱动电路和ETC模块驱动电路等。在软件方面，进行了电控系统软件的总体结构设计和后台标定软件的设计。本文在此基础上，在ECU中增加了宽域排气氧(Universal Exhaust Gas Oxygen，UEGO)传感器的硬件接口电路，设计了几个重要功能模块与硬件相关的驱动层软件和一部分控制算法，主要研究内容如下：(1)点火控制模块程序设计点火控制模块由点火提前角控制和爆震检测模块组成。点火提前角控制包括闭合角控制和点火提前角控制，闭合角和点火提前角可以由用户设置。程序根据曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号判别将要点火的气缸和气缸压缩上止点，再根据设定的闭合角和点火提前角以及当前的发动机转速，计算闭合角对应的通电时间。然后，根据曲轴位置传感器齿隙脉冲间隔计算断电时刻，输出缸序控制和点火正时信号。闭环控制时，点火提前角依据爆震强度来调节。微控制器通过串行外设接口(SPI)与爆震信号专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)HIP9011通讯，设置爆震芯片的工作模式和工作参数，参数包括积分时间常数、放大倍数、带通滤波器频率等。爆震检测程序根据发动机转速设定的爆震检测窗口起始位置和宽度以及爆震判定阈值，由获取的检测窗口内的爆震信号积分值和阈值，判别爆震并计算爆震强度。根据计算或查表得到的点火提前角修正值，调节点火正时。利用信号发生器模拟爆震信号，对爆震检测程序进行了初步检验。结果表明，程序能够有效提取不同幅值爆震所对应的信号处理值。(2)燃油控制模块程序设计燃油控制模块由燃油轨压控制模块和燃油喷射控制模块组成。由于GDI发动机的燃油直接喷入到气缸内，为了提高燃油雾化程度，喷油压力可达5～20MPa，因此，燃油喷射压力控制的稳定性直接影响到燃油计量的精确性。燃油轨压控制模块根据燃油压力传感器的反馈信号，通过控制高压油泵内燃油压力调节阀的开启时刻来控制燃油轨压。本文根据对高压油泵的压油特性，确定了燃油轨压的控制方法。以压油凸轮轴型线上升阶段下止点与上止点之间的某个时刻为供油起始时刻，型线的上止点为供油结束时刻。根据压油凸轮轴与曲轴信号的相位关系，在合适的时刻输出供油信号。设计了燃油轨压控制逻辑，将轨压控制分为启动和启动后两个阶段，启动阶段采用查表控制，启动后采用预控制和PID反馈控制相结合的控制方法。在燃油系统实验台上进行了燃油轨压控制实验，结果表明，当目标轨压为10MPa，发动机转速为503r/min、喷油脉宽为3ms时，轨压的波动范围小于0.04MPa。喷油量控制和喷油正时控制是燃油喷射控制模块的基本任务，喷油驱动程序可以实现两次喷射的功能，一次在吸气冲程，另一次在压缩冲程。喷射脉宽由给定的喷油量和燃油轨压查表确定，根据曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号判别将要喷油的气缸和气缸排气上止点，再根据设定的喷油提前角和曲轴位置传感器齿隙脉冲间隔以及当前的发动机转速，确定喷油时刻，输出喷油信号。(3)电子节气门控制(Electric Throttle Control，ETC)模块程序设计ETC模块通过输出PWM脉冲控制直流伺服电机来改变节气门开度，并根据节气门位置传感器的反馈信息进行闭环控制。其主要作用是控制进气量，进而调节发动机的扭矩，并且在巡航控制模式下控制发动机的转速。通过改进节气门控制算法，采用闭环控制策略与非线性补偿相结合的方法，实现了电子节气门快速、稳定控制，减小了控制时出现的超调。(4)进气可变气门正时(VVT)控制模块程序设计可变气门正时(Variable Valve Timing，VVT)控制模块控制通过液压控制电磁阀供油和泄油通路来改变凸轮轴相位，调节气门正时，优化发动机的吸气和排气过程，提高充气效率，改善动力输出、燃油经济性和怠速稳定性，并通过内部EGR降低NOX排放。本文设计了进气可变气门正时(VVT)的控制算法，根据曲轴与凸轮轴信号相对位置关系的变化来判别VVT相位，分别采用增量式分段PID控制和模糊控制算法控制进气门相位，在VVT试验台上进行了控制试验。结果表明，两种算法都能将误差控制在±1°范围内，但是模糊控制的控制速度更快，超调量较小。(5)宽域废气氧传感器接口控制单元硬、软件设计严格的汽车尾气排放标准和稀薄燃烧技术的应用，要求在一定范围内精确控制空燃比，由于宽域废气氧(Universal Exhaust Gas Oxygen，UEGO)传感器具有较宽的测量范围，已成为发动机空燃比控制系统的重要部件。但是，这种传感器的可靠工作与测量精度在很大程度上依赖于传感器接口控制单元。为此，基于CJ125接口芯片设计了UEGO传感器LSU4.2/LSU4.9的控制电路，基于PI控制算法设计了UEGO传感器加热控制程序。加热控制实验结果表明，采用这种PI控制算法，控制过程平稳、控制精度较高，13s内便可达到750℃的传感器目标温度值。编制了传感器标定软件，在四缸汽油机上对LSU4.2UEGO传感器进行了标定。