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

摘  要：介紹一種32位RISC微控制器MPC555在高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)中的應(yīng)用；給出以單片MPC555最小系統(tǒng)及TornadoforOSEKWorks嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為ECU硬件和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案；側(cè)重介紹ECU的硬件功能模塊、軟件總體設(shè)計(jì)等。利用MPC555的豐富片上資源和基于OSEK／VDX標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，減少ECU軟硬件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性，保證發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)ECU苛刻的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)  MPC555  實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)

    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)。本文在TonadoforOSEKWorks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(guò)ECU檢測(cè)柴油機(jī)的各種實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)安全與舒適性的更高要求，使得ECU軟件及硬件越來(lái)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(duì)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(duì)當(dāng)前ECU開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展，研制過(guò)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(jiǎn)指令集CPU(RCPU)；

 ◇28 MIPS的運(yùn)算能力；

 ◇448 KB FIash 0

 ◇26 KB SRAM;

 ◇獨(dú)立工作雙時(shí)問(wèn)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(zhuān)為汽車(chē)電子、航空航天、智能系統(tǒng)等高端嵌入式控制系統(tǒng)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448 KB Flash及26 KBSRAM，其大小可以滿足針對(duì)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(guò)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(duì)于普通開(kāi)關(guān)量的輸入輸出，18通道模塊I／0系統(tǒng)MIOS1可以基本滿足需要；對(duì)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(wú)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／0使用。

2.4通信

  隨著車(chē)用電子設(shè)備越來(lái)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(lè)、定位等電子設(shè)備的集成使用，使得一輛車(chē)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(duì)汽車(chē)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(jiǎn)單和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在汽車(chē)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)1 Mbps。圖3為其接口電路。

     當(dāng)ECU作為實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)時(shí)，往往需要對(duì)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)MPC。555與PC之間基于高速CAN總線的數(shù)據(jù)通信。

      對(duì)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VisionPibe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(lái)講，即在正確的時(shí)刻，以適當(dāng)?shù)膲毫Γ瑢⑷加桶凑找欢ǖ囊?guī)律噴入燃燒室，實(shí)現(xiàn)良好的燃燒。這就需要對(duì)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(cè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)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0．2 ms，可以實(shí)現(xiàn)小于1 mg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(cè)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(zhuān)門(mén)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100 ns。通過(guò)特定功能的設(shè)定，這些通道也可以連在一起，如一個(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(cè)，利用TPU缺少跳變檢測(cè)的周期測(cè)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(kāi)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(duì)電磁閥線圈盡快地注入峰值電流(驅(qū)動(dòng)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(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(kāi)發(fā)模式

 面對(duì)當(dāng)前汽車(chē)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)操作系統(tǒng)(RT0S)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)已成為ECU開(kāi)發(fā)的一個(gè)方向。本ECU軟件開(kāi)發(fā)中引入了WindRiver公司推出的嵌人式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Tornado forOSEKWorks，核心是一個(gè)滿足汽車(chē)電子OSEK標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)——OSEKWork。

     O3SEKWorks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(chē)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(kāi)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DATA0：31；

    ②默認(rèn)內(nèi)部Shadow(0x000000)；

    ③NVM寄存器值(CMFCFIG)。

    表l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(jiǎn)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(kāi)發(fā)環(huán)境中集成的visionC1ick對(duì)Shadow進(jìn)行單獨(dú)燒錄，使得人口地址為oxl00。它的實(shí)現(xiàn)使得僅MPC555最小系統(tǒng)在8 cm×8 cm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(kāi)發(fā)的MPC555最小系統(tǒng)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，為高壓工軌燃油噴射系統(tǒng)在某型號(hào)特種發(fā)動(dòng)機(jī)中的成功應(yīng)用提供了有力的技術(shù)保障。

結(jié)  語(yǔ)

    本文實(shí)現(xiàn)了單片32位PowerP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)——OSEK-Works，給出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。