MPC555的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著當(dāng)前電子技術(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展，以32位嵌入式微控制器及多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為基本技術(shù)特征的新一代電子控制單元ecu（electronic control unit）的開發(fā)已成為汽車電子發(fā)展應(yīng)用的主流。本文在tonado for osekworks多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及32位power pc微控制器mpc555的基礎(chǔ)上，介紹高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元主要功能及特點(diǎn)

電控技術(shù)的發(fā)展為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更好的排放指標(biāo)、動(dòng)力性能與燃油經(jīng)濟(jì)性提供了可能。發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元的核心就是通過ecu檢測柴油機(jī)的各種實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對燃油噴射量、噴油正時(shí)、噴油規(guī)律及噴油壓力等參數(shù)的靈活控制；優(yōu)化燃燒，使柴油機(jī)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)下。

高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元是一個(gè)集高壓共軌燃油噴射控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控保護(hù)、故障診斷、通信等于一體的發(fā)動(dòng)機(jī)電子管理系統(tǒng)。其典型的功能框圖如圖1所示。

當(dāng)前日益嚴(yán)格的法規(guī)及對安全與舒適性的更高要求，使得ecu軟件及硬件越來越復(fù)雜，特別是高壓共軌燃油噴射技術(shù)的引入，為了實(shí)現(xiàn)精確的燃油噴射控制及復(fù)雜的噴油規(guī)律，電控系統(tǒng)對實(shí)時(shí)響應(yīng)特性、系統(tǒng)可靠性及高速運(yùn)算能力有了更苛刻的要求，是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)多任務(wù)控制系統(tǒng)。

2 ecu硬件最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ecu主控芯片選擇

針對當(dāng)前ecu開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，研制過程中，ecu硬件采用motorola高性能32位power pc微控制器——mpc555。mpc555主要有以下功能模塊：

主頻40mhz的精簡指令集cpu（rcpu）；

28 mips的運(yùn)算能力；

448kb flash；

26kb sram；

獨(dú)立工作雙時(shí)間處理單元（tpu3）；

18通道模塊i/o系統(tǒng)（mios1）；

雙隊(duì)列模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（qadc）；

雙can2.0b控制器模塊（toucans）；

隊(duì)列串行多通道模塊（qsmcm）。

mpc555微控制器是motorola powerpc 500系列的代表產(chǎn)品，專為汽車電子、航空航天、智能系統(tǒng)等高端嵌入式控制所設(shè)計(jì)。它有272引腳bga封裝，可在高速移動(dòng)及苛刻的環(huán)境下工作（工作溫度：－40～125℃）。

mpc555卓越的片內(nèi)集成功能，使得僅依靠單片mpc555內(nèi)部資源即可以進(jìn)行ecu最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完全滿足新型柴油機(jī)電控的需求。圖2給出了基于mpc555的ecu最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

2.2 ecu的存儲(chǔ)器

由于控制器本身片內(nèi)集成448kb flash及26kb sram，其大小可以滿足針對發(fā)動(dòng)機(jī)引擎控制及試驗(yàn)平臺(tái)通信等的程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，因此不需進(jìn)行系統(tǒng)存儲(chǔ)器擴(kuò)展。

2.3 數(shù)字及模擬信號(hào)采集

電控系統(tǒng)中的常規(guī)信號(hào)，如溫度信號(hào)、壓力信號(hào)、負(fù)荷等傳感器的輸出都是模擬信號(hào)，通過信號(hào)處理電路可以直接進(jìn)入集成qadc模塊，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。由于mpc555內(nèi)部集成了多達(dá)32路的10位高速a/d，可以滿足ecu控制中的各種模擬量采集要求，不需進(jìn)行a/d的擴(kuò)展。

對于普通開關(guān)量的輸入輸出，18通道模塊i/o系統(tǒng)mios1可以基本滿足需要；對于復(fù)雜環(huán)境控制需要更多i/o時(shí)，由于ecu設(shè)計(jì)采用最小系統(tǒng)，無需擴(kuò)展存儲(chǔ)器等，其24位地址總線及32位數(shù)據(jù)總線將空閑，可以作為通用i/o使用。

2.4 通信

隨著車用電子設(shè)備越來越多，從核心的發(fā)動(dòng)機(jī)控制到動(dòng)力傳動(dòng)、監(jiān)控、娛樂、定位等電子設(shè)備的集成使用，使得一輛車的電子系統(tǒng)形成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這些對汽車的綜合控制網(wǎng)絡(luò)和信息交互提出了更高的要求。由于can總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡單和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上獲得了普遍應(yīng)用。

mpc555集成了雙路can2.0b控制器模塊，在ecu設(shè)計(jì)時(shí)只需增加一個(gè)收發(fā)器就可以完成高速通信。本方案采用philips公司的pca82c250收發(fā)器，其傳輸速率高達(dá)1mbps。圖3為其接口電路。

當(dāng)ecu作為實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)檢測平臺(tái)時(shí)，往往需要對ecu進(jìn)行監(jiān)控，隨時(shí)改變各控制參數(shù)或進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)記錄（如獲取噴油量、噴油正時(shí)等的map圖）。此時(shí)ecu將作為一個(gè)下位機(jī)，上位機(jī)（pc）則需要增加can總線pc采集卡、實(shí)現(xiàn)mpc555與pc之間基于高速can總線的數(shù)據(jù)通信。

對于傳輸速率要求不高的地方，mpc555亦提供了串口通信方式，可以直接與監(jiān)控pc進(jìn)行通信連接。

為了進(jìn)行在線仿真調(diào)試及程序固化，mpc555提供了jtag及bdm接口。采用windriver的visionpribe仿真器，其bdm接口電路如圖4所示。

2.5 燃油噴射控制

燃油噴射控制是發(fā)動(dòng)機(jī)控制中的核心功能。概括來講，即在正確的時(shí)刻，以適當(dāng)?shù)膲毫?，將燃油按照一定的?guī)律噴入燃燒室，實(shí)現(xiàn)良好的燃燒。這就需要對發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速及上止點(diǎn)位置進(jìn)行精確檢測，并實(shí)現(xiàn)對噴油器高速電磁閥的快速精確控制。當(dāng)前高速電磁閥的機(jī)電綜合響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)小于0.2ms，可以實(shí)現(xiàn)小于1mg油量的精確控制及多次噴射控制。mpc555擁有功能強(qiáng)大的多通道時(shí)間處理單元（tpu3）特別適于發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中的轉(zhuǎn)速采集、上止位置檢測及噴油信號(hào)輸出控制。

時(shí)間處理單元（tpu）是一個(gè)智能化、半獨(dú)立的微控制器，專門進(jìn)行高分辨率的實(shí)時(shí)控制。由于它具有自己的執(zhí)行單元（微引擎）、微代碼程序rom、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ram及雙定時(shí)基準(zhǔn)，不需要rcpu的干預(yù)即可以執(zhí)行相應(yīng)的控制功能。mpc555具有多達(dá)32路可獨(dú)立工作的tpu通道，每個(gè)通道可與預(yù)分頻器中的兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器中的任何一個(gè)同步，其分辨率最小可以到100ns。通過特定功能的設(shè)定，這些通道也可以連在一起，加一個(gè)通道的操作作為另一個(gè)通道的基準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)多通道的相互協(xié)作控制，這一點(diǎn)尤其適合柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的多缸噴油控制。tpu的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

tpu在發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制中的應(yīng)用包括：

（1）轉(zhuǎn)速采集及上止點(diǎn)位置檢測，利用tpu缺少跳變檢測的周期測量功能（pmm）和相位同步脈沖發(fā)射器功能（psp）。

（2）共軌壓力控制，利用tpu的脈寬調(diào)制功能（pwm）。

（3）燃油噴射正時(shí)及噴油量控制，利用相位同步脈沖發(fā)射器功能（psp）及輸出比較功能（oc）。

噴油器功能的實(shí)現(xiàn)離不開噴油器電磁閥的快速響應(yīng)。電磁閥理想的驅(qū)動(dòng)特性是，在需要銜鐵吸合時(shí)，應(yīng)對電磁閥線圈盡快地注入峰值電流（驅(qū)動(dòng)電流近20a），使其迅速吸合。一旦吸合，因磁路中氣隙減小，磁阻降低，電磁閥僅需較小的電流就可以可靠地維持吸合。在釋放時(shí)，為減少電磁閥的釋放延時(shí)應(yīng)盡快切斷驅(qū)動(dòng)電流。圖6為常用的噴油器驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序圖。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 基于tornado for osekworks ide的開發(fā)模式

面對當(dāng)前汽車電子，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等功能的日益復(fù)雜，集成有嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操操作系統(tǒng)（rtos）的集成開發(fā)環(huán)境（ide）已成為ecu開發(fā)的一個(gè)方向。本ecu軟件開發(fā)中引入了windriver公司推出的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境tornado for osekworks，核心是一個(gè)滿足汽車電子osek標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)——osekworks。

oskworks是一個(gè)基于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)（task）并行運(yùn)行。由于其具有良好的實(shí)時(shí)性能及可靠性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于從防抱死剎車系統(tǒng)、引擎控制系統(tǒng)，到航空航天、星際探索等的關(guān)鍵任務(wù)中，其軟件開發(fā)模式如圖7所示。

3.2 內(nèi)部程序引導(dǎo)工作模式

mpc555在上電或者復(fù)位后，微處理器首先讀取復(fù)位配置字。復(fù)位配置字由3種啟動(dòng)工作模式?jīng)Q定：

（1）外部數(shù)據(jù)總線引腳data 0：31；

（2）默認(rèn)內(nèi)部shadow（0x000000）；

（3）nvm寄存器值（cmfcfig）。

表1給出了復(fù)位配置字的選擇方法。ecu最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了簡化pcb設(shè)計(jì)，在滿足功能要求的前提下，應(yīng)避免引出更多的引腳。設(shè)計(jì)中選擇第2種，并使用開發(fā)環(huán)境中集成的 vision click對shadow進(jìn)行單獨(dú)燒錄，使得入口地址為0x00。它的實(shí)現(xiàn)使得僅mpc555最小系統(tǒng)在8cm×8cm的兩層pcb上的實(shí)現(xiàn)成為可能。

基于tornado for osekworks軟件平臺(tái)所開發(fā)的mpc555最小已成功地作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元所應(yīng)用，并經(jīng)受了近兩年的臺(tái)架式試驗(yàn)考核，為高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)在某型號(hào)特種發(fā)動(dòng)機(jī)中的成功應(yīng)用提供了有利的技術(shù)保障。

結(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)了單片32位powerpc微控制器mpc555的最小系統(tǒng)，結(jié)合多任務(wù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)——osekworks，給了其作為新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的軟硬件解決方案。近兩年實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以很好地滿足高壓共軌柴油機(jī)實(shí)時(shí)控制及實(shí)驗(yàn)監(jiān)控管理的需求。