基于MPC564的發(fā)動機(jī)電控單元硬件設(shè)計

發(fā)動機(jī)電子控制技術(shù)是汽車電子領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，隨著歐洲排放法規(guī)的日益嚴(yán)格化，以及對汽車安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的要求越來越高，發(fā)動機(jī)電子控制單元的功能也越來越強(qiáng)大，對控制芯片的要求也隨之提高。32位微控制器功能強(qiáng)大，提供了低功耗、高性能的處理能力，目前已經(jīng)逐漸取代8位、16位微控制器而成為主流應(yīng)用產(chǎn)品。我國在汽車發(fā)動機(jī)電子控制等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域與國外存在明顯的差距，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的發(fā)動機(jī)電子控制單元對我國的汽車工業(yè)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。本文基于Freescale公司的32位高性能控制芯片MPC564對賽歐轎車479QE型汽油機(jī)進(jìn)行了電控單元的硬件設(shè)計，臺架試驗表明硬件設(shè)計方案可行。

電控單元硬件電路包括輸入級電路、微控制器和輸出級電路三大部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


1 微控制器

根據(jù)發(fā)動機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展趨勢，設(shè)計中選用了32位高性能微控制器MPC564，其主要功能模塊有：
· 最高主頻56M的精簡指令集CPU；
· 64bit浮點數(shù)單元（FPU），支持高級語言編程；
· 512KB FLASH+32KB SRAM；
· 獨立工作雙時間處理單元（TPU3）；
· 模塊化輸入輸出系統(tǒng)（MIOS）；
· 雙隊列模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（QADC）；
· 三個CAN2.0B控制器模塊（TOUCAN）；
· 增強(qiáng)型隊列串行多通道模塊（QSMCM）。
MPC564微控制器不僅具有高速運(yùn)算、實時輸入和輸出、高速AD轉(zhuǎn)換的能力，同時其卓越的集成模塊，如TPU、CAN等專門為汽車電子量身定制，使得電控單元無需過多外接功能驅(qū)動芯片，硬件布線減少，成本降低，有助于提高系統(tǒng)的可靠性。

2 輸入級電路

(1)電源管理模塊

系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，電源部分占有重要地位，它直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。PC33994是Freescale公司的一款中等功率的集成芯片，它能提供5V和2.6V的微控制器主電源以及5V的傳感器供電電源，同時還帶有3.3V備用電源。基本電路如圖2所示。


(2)曲軸位置傳感器

曲軸位置傳感器為電磁式傳感器，輸出差分的頻率/脈沖信號，電壓波動范圍為400mV～40V。曲軸位置信號決定各缸何時噴油及點火，它是發(fā)動機(jī)電控單元正常工作的基礎(chǔ)。該信號的處理電路非常重要，而且精度要求高，否則會引起發(fā)動機(jī)工作混亂。設(shè)計中選用NCV7001芯片進(jìn)行信號處理，通過濾波、限幅、比較和整型等處理環(huán)節(jié)得到微控制器識別的方波信號。基本電路如圖3所示。


(3)氧傳感器

氧傳感器監(jiān)視發(fā)動機(jī)廢氣，根據(jù)空燃比產(chǎn)生電壓信號，該信號的輸出電壓在0V～1V連續(xù)變化。由于信號幅值低、變化范圍窄且高頻干擾等因素較多，需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娐诽幚恚娇奢斎胛⒖刂破鞯腁/D通道。設(shè)計中選用NSC公司的LM9040芯片，通過濾波、放大、比較電路將氧傳感器信號轉(zhuǎn)換為適合5V參考電壓的A/D轉(zhuǎn)換輸入信號，如圖4所示。


(4)爆震傳感器

爆震信號由壓電式爆震傳感器采集，爆震發(fā)生的頻率范圍在5kHz～15kHz，電壓幅值范圍±1.5V，波形的峰值和頻率隨敲擊的強(qiáng)度不同而不同。爆震信號采用Intersil公司的HIP9011進(jìn)行處理，該芯片包括兩個輸入通道，一個去假頻的低通連續(xù)時間濾波器、兩個帶通電容濾波器、兩個平方運(yùn)算電路、兩個可編程增益級、兩個積分器和一個單端轉(zhuǎn)換器。輸入信號經(jīng)處理后輸出模擬量信號進(jìn)入微控制器的A/D通道，基本電路如圖5所示。


(5)其他傳感器

進(jìn)氣歧管壓力、節(jié)氣門位置、冷卻水溫、進(jìn)氣溫度傳感器輸出信號均為模擬量，變動范圍為0V～5V，經(jīng)電路處理后輸入控制器的A/D通道。圖6為進(jìn)氣歧管壓力傳感器信號處理電路，其他輸入信號的處理與其大致相同。圖6中運(yùn)算放大器接成射極跟隨器，起阻抗匹配作用，兩個二極管起保護(hù)作用，RC回路構(gòu)成一個低通濾波器。


3 輸出級電路

(1)噴油驅(qū)動電路

噴油信號是電控單元最重要的輸出信號之一，該信號驅(qū)動電路的設(shè)計為發(fā)動機(jī)燃燒和排放奠定了硬件基礎(chǔ)。噴油驅(qū)動電路如圖7所示，MC33293是Motorola公司專門為汽車電子和工業(yè)控制設(shè)計的4路低側(cè)功率驅(qū)動芯片。該芯片每個通道最大輸出電流3A，工作電壓9V～14.5V,控制輸入與微控制器兼容，漏源極鉗位電壓65V。圖7中Input1-4為輸入信號，Output1-4為輸出信號（接噴油器線圈），控制信號低電平時觸發(fā)。可通過對Single/Dual的置位、清零操作實現(xiàn)4路獨立控制輸出，或者2路分組控制輸出(即Input12控制Output1-2；Input34 控制Output3-4)。驅(qū)動芯片內(nèi)具有超載、未接負(fù)載、對地短路等保護(hù)電路，可檢測噴油器故障，對系統(tǒng)的故障診斷提供了硬件支持。