MPC555的發(fā)動機(jī)電控單元系統(tǒng)設(shè)計

中國機(jī)械科學(xué)研究院 吳進(jìn)軍

隨著當(dāng)前電子技術(shù)及發(fā)動機(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)實時操作系統(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)實時操作系統(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)動機(jī)電子控制單元的系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 柴油發(fā)動機(jī)電子控制單元主要功能及特點

電控技術(shù)的發(fā)展為柴油發(fā)動機(jī)獲得更好的排放指標(biāo)、動力性能與燃油經(jīng)濟(jì)性提供了可能。發(fā)動機(jī)電子控制單元的就是通過ECU檢測柴油機(jī)的各種實時狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)對燃油噴射量、噴油正時、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)始終運行在狀態(tài)下。

高壓共軌柴油發(fā)動機(jī)電子控制單元是一個集高壓共軌燃油噴射控制、實時數(shù)據(jù)采集及發(fā)動機(jī)監(jiān)控保護(hù)、故障診斷、通信等于一體的發(fā)動機(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，為了實現(xiàn)的燃油噴射控制及復(fù)雜的噴油規(guī)律，電控系統(tǒng)對實時響應(yīng)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(wù)控制系統(tǒng)。

2 ECU硬件系統(tǒng)設(shè)計

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的運算能力；

448KB Flash；

26KB SRAM；

獨立工作雙時間處理單元（TPU3）；

18通道模塊I/O系統(tǒng)（MIOS1）；

雙隊列模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（QADC）；

雙CAN2.0B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(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。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：－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系統(tǒng)設(shè)計，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系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

2.2 ECU的存儲器

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)動機(jī)引擎控制及試驗平臺通信等的程序及數(shù)據(jù)存儲需求，因此不需進(jìn)行系統(tǒng)存儲器擴(kuò)展。

2.3 數(shù)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(fù)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(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，由于ECU設(shè)計采用系統(tǒng)，無需擴(kuò)展存儲器等，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，從的發(fā)動機(jī)控制到動力傳動、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總線具有實時性強、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡單和價格低廉等優(yōu)點，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(dá)1Mbps。圖3為其接口電路。

當(dāng)ECU作為實驗室發(fā)動機(jī)檢測平臺時，往往需要對ECU進(jìn)行監(jiān)控，隨時改變各控制參數(shù)或進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)記錄（如獲取噴油量、噴油正時等的MAP圖）。此時ECU將作為一個下位機(jī)，上位機(jī)（PC）則需要增加CAN總線PC采集卡、實現(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)動機(jī)控制中的功能。概括來講，即在正確的時刻，以適當(dāng)?shù)膲毫?，將燃油按照一定的?guī)律噴入燃燒室，實現(xiàn)良好的燃燒。這就需要對發(fā)動機(jī)的實時轉(zhuǎn)速及上止點位置進(jìn)行檢測，并實現(xiàn)對噴油器高速電磁閥的快速控制。當(dāng)前高速電磁閥的機(jī)電綜合響應(yīng)時間已經(jīng)小于0.2ms，可以實現(xiàn)小于1mg油量的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(jī)控制單元中的轉(zhuǎn)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(jìn)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(shù)據(jù)存儲器RAM及雙定時基準(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路可獨立工作的TPU通道，每個通道可與預(yù)分頻器中的兩個16位計數(shù)器中的任何一個同步，其分辨率可以到100ns。通過特定功能的設(shè)定，這些通道也可以連在一起，加一個通道的操作作為另一個通道的基準(zhǔn)，從而實現(xiàn)多通道的相互協(xié)作控制，這一點尤其適合柴油發(fā)動機(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)動機(jī)電子控制中的應(yīng)用包括：

（1）轉(zhuǎn)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）。

（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(xiàn)離不開噴油器電磁閥的快速響應(yīng)。電磁閥理想的驅(qū)動特性是，在需要銜鐵吸合時，應(yīng)對電磁閥線圈盡快地注入峰值電流（驅(qū)動電流近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，為減少電磁閥的釋放延時應(yīng)盡快切斷驅(qū)動電流。圖6為常用的噴油器驅(qū)動控制時序圖。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

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)實時操操作系統(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，是一個滿足汽車電子OSEK標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實時操作系統(tǒng)——OSEKWorks。

OSKWorks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(wù)（task）并行運行。由于其具有良好的實時性能及可靠性，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系統(tǒng)設(shè)計中，為了簡化PCB設(shè)計，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)行單獨燒錄，使得入口地址為0x00。它的實現(xiàn)使得僅MPC555系統(tǒng)在8cm×8cm的兩層PCB上的實現(xiàn)成為可能。

基于Tornado for OSEKWorks軟件平臺所開發(fā)的MPC555已成功地作為發(fā)動機(jī)控制單元所應(yīng)用，并經(jīng)受了近兩年的臺架式試驗考核，為高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)在某型號特種發(fā)動機(jī)中的成功應(yīng)用提供了有利的技術(shù)保障。

結(jié)語

本文實現(xiàn)了單片32位PowerPC微控制器MPC555的系統(tǒng)，結(jié)合多任務(wù)嵌入式實時操作系統(tǒng)——OSEKWorks，給了其作為新型柴油發(fā)動機(jī)控制單元的軟硬件解決方案。近兩年實踐證明，該系統(tǒng)可以很好地滿足高壓共軌柴油機(jī)實時控制及實驗監(jiān)控管理的需求。