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MPC555的發(fā)動機電控單元最小系統(tǒng)設計
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）的開發(fā)已成為汽車電子發(fā)展應用的主流。本文在Tonado for OSEKWorks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）；
雙隊列模數轉換模塊（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
由于控制器本身片內集成448KB Flash及26KB SRAM，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。
2.3 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A/D，可以滿足ECU控制中的各種模擬量采集要求，不需進行A/D的擴展。
對于普通開關量的輸入輸出，18通道模塊I/O系統(tǒng)MIOS1可以基本滿足需要；對于復雜環(huán)境控制需要更多I/O時，由于ECU設計采用最小系統(tǒng)，無需擴展存儲器等，其24位地址總線及32位數據總線將空閑，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優(yōu)點，在汽車內部網絡上獲得了普遍應用。
MPC555集成了雙路CAN2.0B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1Mbps。圖3為其接口電路。
當ECU作為實驗室發(fā)動機檢測平臺時，往往需要對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MPC555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0.2ms，可以實現小于1mg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100ns。通過特定功能的設定，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，從而實現多通道的相互協(xié)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：
（1）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）。
（2）共軌壓力控制，利用TPU的脈寬調制功能（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）。
噴油器功能的實現離不開噴油器電磁閥的快速響應。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，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)——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（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。
3.2 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：
（1）外部數據總線引腳DATA 0：31；
（2）默認內部Shadow（0X000000）；
（3）NVM寄存器值（CMFCFIG）。
表1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 vision Click對Shadow進行單獨燒錄，使得入口地址為0x00。它的實現使得僅MPC555最小系統(tǒng)在8cm×8cm的兩層PCB上的實現成為可能。
基于Tornado for OSEKWorks軟件平臺所開發(fā)的MPC555最小已成功地作為發(fā)動機控制單元所應用，并經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)動機中的成功應用提供了有利的技術保障。
結語
本文實現了單片32位PowerPC微控制器MPC555的最小系統(tǒng)，結合多任務嵌入式實時操作系統(tǒng)——OSEKWorks，給了其作為新型柴油發(fā)動機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實時控制及實驗監(jiān)控管理的需求。
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