MPC555的發(fā)動機電控單元最小系統(tǒng)設計

1、MPC555的發(fā)動機電控單元最小系統(tǒng)設計摘要：實現了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結構、設計和具體實現，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設計和仿真驗證。仿真結果表明，該濾波器帶寬的可調范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關鍵詞：Butte摘 要：介紹一種32位RISC微控制器MPC555在高壓共軌柴油發(fā)動機電子控制單元(ECU)中的應用；給出以單片MPC555

2、最小系統(tǒng)及TornadoforOSEKWorks嵌入式集成開發(fā)環(huán)境為ECU硬件和軟件開發(fā)平臺的實現方案；側重介紹ECU的硬件功能模塊、軟件總體設計等。利用MPC555的豐富片上資源和基于OSEKVDX標準的實時多任務操作系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境，減少ECU軟硬件開發(fā)的復雜性，保證發(fā)動機管理系統(tǒng)對ECU苛刻的實時性和可靠性要求。關鍵詞：發(fā)動機電子控制單元(ECU) MPC555 實時操作系統(tǒng)(RTOS) 隨著當前電子技術及發(fā)動機電控技術的發(fā)展，以32位嵌入式微控制器及多任務實時操作系統(tǒng)為基本技術特征的新一代電子控制單元ECU(Electronic Control Unit)。本文在TonadoforOS

3、EKWorks多任務實時操作系統(tǒng)及32位Power PC微控制器MPC555的基礎上，介紹高壓共軌柴油發(fā)動機電子控制單元的最小系統(tǒng)設計方案。1 柴油發(fā)動機電子控制單元主要功能及特點 電控技術的發(fā)展為柴油發(fā)動機獲得更好的排放指標、動力性能與燃油經濟性提供了可能。發(fā)動機電子控制單元的核心就是通過ECU檢測柴油機的各種實時狀態(tài)參數，實現對燃油噴射量、噴油正時、噴油規(guī)律及噴油壓力等參數的靈活控制；優(yōu)化燃燒，使柴油機始終運行在最佳狀態(tài)下。 高壓共軌柴油發(fā)動機電子控制單元是一個集高壓共軌燃油噴射控制、實時數據采集及發(fā)動機監(jiān)控保護、故障診斷、通信等于一體的發(fā)動機電子管理系統(tǒng)。其典型的功能框圖如圖1所示 當前

4、日益嚴格的法規(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雜，特別是高壓共軌燃油噴射技術的引入。為了實現精確的燃油噴射控制及復雜的噴油規(guī)律，電控系統(tǒng)對實時響應特性、系統(tǒng)可靠性及高速運算能力有了更苛刻的要求，是一個典型的實時多任務控制系統(tǒng)。2 ECU硬件最小系統(tǒng)設計2.1 ECU主控芯片選擇 針對當前ECU開發(fā)技術的發(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40 MHz的精簡指令集CPU(RCPU)；28 MIPS的運算能力；448 KB FIash 026 KB SRAM;獨立工作雙時問處理

5、單元(TPU3)；18通道模塊IO系統(tǒng)(MIOS1)；雙隊列模數轉換模塊(QADC)；雙CAN20B控制器模塊(TouCANs)；隊列串行多通道模塊(QSMCM)。 MPC555微控制器是Motorola PowerPC 500系列的代表產品，專為汽車電子、航空航天、智能系統(tǒng)等高端嵌入式控制系統(tǒng)所設計。它有272引腳BGA封裝，可在高速移動及苛刻的環(huán)境下工作(工作溫度：-40125)。 MPC555卓越的片內集成功能，使得僅依靠單片MPC555內部資源即可以進行ECU最小系統(tǒng)設計，完全滿足新型柴油機電控的需求。圖2給出了基于MPC555的ECU最小系統(tǒng)結構框圖。2.2 ECU的存儲器 由于控制

6、器本身片內集成448 KB Flash及26 KBSRAM，其大小可以滿足針對發(fā)動機引擎控制及試驗平臺通信等的程序及數據存儲需求，因此不需進行系統(tǒng)存儲器擴展。數字及模擬信號采集 電控系統(tǒng)中的常規(guī)信號，如溫度信號、壓力信號、負荷等傳感器的輸出都是模擬信號，通過信號處理電路可以直接進入集成QADC模塊，將其轉換成數字量。由于MPC555內部集成了多達32路的10位高速AD，可以滿足ECU控制中的各種模擬量采集要求，不需進行AD的擴展。 對于普通開關量的輸入輸出，18通道模塊I0系統(tǒng)MIOS1可以基本滿足需要；對于復雜環(huán)境控制需要更多IO時，由于ECU設計采用最小系統(tǒng)，無需擴展存儲器等，其24位地址

7、總線及32位數據總線將空閑，可以作為通用I0使用。通信 隨著車用電子設備越來越多，從核心的發(fā)動機控制到動力傳動、監(jiān)控、娛樂、定位等電子設備的集成使用，使得一輛車的電子系統(tǒng)形成了一個復雜的網絡系統(tǒng)。這些對汽車的綜合控制網絡和信息交互提出了更高的要求。由于CAN總線具有實時性強、可靠性高、通信速率快、結構簡單和價格低廉等特點，在汽車內部網絡上獲得了普遍應用。 MPC555集成了雙路CAN20B控制器模塊，在ECU設計時只需增加一個收發(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1 Mbps。圖3為其接口電路。 當ECU作為實驗室發(fā)動機測試平臺時，往往

8、需要對ECU進行監(jiān)控，隨時改變各控制參數或進行大量的數據記錄(如獲取噴油量、噴油正時等的MAP圖)。此時ECU將作為一個下位機，上位機(PC)則需要增加CAN總線PC采集卡，實現MPC。555與PC之間基于高速CAN總線的數據通信。 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進行通信連接。 為了進行在線仿真調試及程序固化，MPC555提供了JTAG及BDM接口。采用WindRiver的VisionPibe仿真器，其BDM接口電路如圖4所示。燃油噴射控制 燃油噴射控制是發(fā)動機控制中的核心功能。概括來講，即在正確的時刻，以適當的壓力，將燃油按照一定的規(guī)律噴入燃

9、燒室，實現良好的燃燒。這就需要對發(fā)動機的實時轉速及上止點位置進行精確檢測，并實現對噴油器高速電磁閥的快速精確控制。當前高速電磁閥的機電綜合響應時間已經小于02 ms，可以實現小于1 mg油量的精確控制及多次噴射控制。MPC555擁有功能強大的多通道時間處理單元(TPU3)特別適于發(fā)動機控制單元中的轉速采集、上止位置檢測及噴油信號輸出控制。 時間處理單元(TPU)是一個智能化、半獨立的微控制器，專門進行高分辨率的實時控制。由于它具有自己的執(zhí)行單元(微引擎)、微代碼程序ROM、數據存儲器RAM及雙定時基準，不需要RCPU的干預即可以執(zhí)行相應的控制功能。MPC555具有多達32路可獨立工作的TPU通

10、道，每個通道可與預分頻器中的兩個16位計數器中的任何一個同步，其分辨率最小可以到100 ns。通過特定功能的設定，這些通道也可以連在一起，如一個通道的操作作為另一個通道的基準，從而實現多通道的相互協作控制，這一點尤其適合柴油發(fā)動機的多缸噴油控制。TPU的結構框圖如圖5所示。 TPU在發(fā)動機電子控制中的應用包括：轉速采集及上止點位置檢測，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)。共軌壓力控制，利用TPU的脈寬調制功能(PWM)。燃油噴射正時及噴油量控制，利用相位同步脈沖發(fā)射器功能(PSP)及輸出比較功能(OC)。 噴油器功能的實現離不開噴油器電磁閥的快速響

11、應。電磁閥理想的驅動特性是，在需要銜鐵吸合時，應對電磁閥線圈盡快地注入峰值電流(驅動電流近20 A)，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，為減少電磁閥的釋放延時應盡快切斷驅動電流。圖6為常用的噴油器驅動控制時序圖。3 軟件系統(tǒng)設計3.1 基于Tornado for OSEKWorks IDE的開發(fā)模式面對當前汽車電子，特別是發(fā)動機控制系統(tǒng)等功能的日益復雜，集成有嵌入式多任務實時操作系統(tǒng)(RT0S)的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)已成為ECU開發(fā)的一個方向。本ECU軟件開發(fā)中引入了WindRiver公司推出的嵌人式集成開發(fā)環(huán)境Torna

12、do forOSEKWorks，核心是一個滿足汽車電子OSEK標準的嵌入式實時操作系統(tǒng)OSEKWork。 O3SEKWorks是一個基于靜態(tài)優(yōu)先級的搶占式實時操作系統(tǒng)，支持多任務(task)并行運行。由于其具有良好的實時性能及可靠性，已經廣泛應用于從防抱死剎車系統(tǒng)、引擎控制系統(tǒng)，到航空航天、星際探索等的關鍵任務中。其軟件開發(fā)模式如圖7所示。32內部程序引導工作模式 MPC555在上電或者復位后，微處理器首先讀取復位配置字。復位配置字由3種啟動工作模式決定： 外部數據總線引腳DATA0：31； 默認內部Shadow(0x000000)； NVM寄存器值(CMFCFIG)。 表l給出了復位配置字的選擇方法。 ECU最小系統(tǒng)設計中，為了簡化PCB設計，在滿足功能要求的前提下，應避免引出更多的引腳。設計中選擇第2種，并使用開發(fā)環(huán)境中集成的visionC1ick對Shadow進行單獨燒錄，使得人口地址為oxl00。它的實現使得僅MPC555最小系統(tǒng)在8 cm8 cm的兩層PCB上的實現成為可能?；赥ornado for OSEKWorks軟件平臺所開發(fā)的MPC555最