MPC555的发动机电控单元最小系统设计

介绍一种32位RISC微控制器MPC555在高压共轨柴油发动机电子控制单元(ECU)中的应用；给出以单片MPC555最小系统及TornadoforOSEKWorks嵌入式集成开发环境为ECU硬件和软件开发平台的实现方案；侧重介绍ECU的硬件功能模块、软件总体设计等。利用MPC555的丰富片上资源和基于OSEK／VDX标准的实时多任务操作系统集成开发环境，减少ECU软硬件开发的复杂性，保证发动机管理系统对ECU苛刻的实时性和可靠性要求。  

随着当前电子技术及发动机电控技术的发展，以32位嵌入式微控制器及多任务实时操作系统为基本技术特征的新一代电子控制单元ECU(Electronic Control Unit)。本文在TonadoforOSEKWorks多任务实时操作系统及32位Power PC微控制器MPC555的基础上，介绍高压共轨柴油发动机电子控制单元的最小系统设计方案。  
　  
1  柴油发动机电子控制单元主要功能及特点   
  
电控技术的发展为柴油发动机获得更好的排放指标、动力性能与燃油经济性提供了可能。发动机电子控制单元的核心就是通过ECU检测柴油机的各种实时状态参数，实现对燃油喷射量、喷油正时、喷油规律及喷油压力等参数的灵活控制；优化燃烧，使柴油机始终运行在最佳状态下。  

高压共轨柴油发动机电子控制单元是一个集高压共轨燃油喷射控制、实时数据采集及发动机监控保护、故障诊断、通信等于一体的发动机电子管理系统。其典型的功能框图如图1所示．





当前日益严格的法规及对安全与舒适性的更高要求，使得ECU软件及硬件越来越复杂，特别是高压共轨燃油喷射技术的引入。为了实现精确的燃油喷射控制及复杂的喷油规律，电控系统对实时响应特性、系统可靠性及高速运算能力有了更苛刻的要求，是一个典型的实时多任务控制系统。  
　  
2  ECU硬件最小系统设计   

2.1  ECU主控芯片选择   
    
针对当前ECU开发技术的发展，研制过程中，ECU硬件采用．Motorola高性能32位Power PC微控制器——MPC555。MPC555主要有以下功能模块；  

◇主频40 MHz的精简指令集CPU(RCPU)；  
◇28 MIPS的运算能力；  
◇448 KB FIash 0  
◇26 KB SRAM;  
◇独立工作双时问处理单元(TPU3)；  
◇18通道模块I／O系统(MIOS1)；  
◇双队列模数转换模块(QADC)；  
◇双CAN2．0B控制器模块(TouCANs)；  
◇队列串行多通道模块(QSMCM)。  

MPC555微控制器是Motorola PowerPC 500系列的代表产品，专为汽车电子、航空航天、智能系统等高端嵌入式控制系统所设计。它有272引脚BGA封装，可在高速移动及苛刻的环境下工作(工作温度：-40～125℃)。  

MPC555卓越的片内集成功能，使得仅依靠单片MPC555内部资源即可以进行ECU最小系统设计，完全满足新型柴油机电控的需求。图2给出了基于MPC555的ECU最小系统结构框图。  

  

2.2  ECU的存储器   
  
由于控制器本身片内集成448 KB Flash及26 KBSRAM，其大小可以满足针对发动机引擎控制及试验平台通信等的程序及数据存储需求，因此不需进行系统存储器扩展。  

2.3数字及模拟信号采集   
  
电控系统中的常规信号，如温度信号、压力信号、负荷等传感器的输出都是模拟信号，通过信号处理电路可以直接进入集成QADC模块，将其转换成数字量。由于MPC555内部集成了多达32路的10位高速A／D，可以满足ECU控制中的各种模拟量采集要求，不需进行A／D的扩展。  

对于普通开关量的输入输出，18通道模块I／0系统MIOS1可以基本满足需要；对于复杂环境控制需要更多I／O时，由于ECU设计采用最小系统，无需扩展存储器等，其24位地址总线及32位数据总线将空闲，可以作为通用I／0使用。  [page]

2.4通信   
  
随着车用电子设备越来越多，从核心的发动机控制到动力传动、监控、娱乐、定位等电子设备的集成使用，使得一辆车的电子系统形成了一个复杂的网络系统。这些对汽车的综合控制网络和信息交互提出了更高的要求。由于CAN总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单和价格低廉等特点，在汽车内部网络上获得了普遍应用。  

MPC555集成了双路CAN2．0B控制器模块，在ECU设计时只需增加一个收发器就可以完成高速通信。本方案采用Philips公司的PcA82C250收发器，其传输速率高达1 Mbps。图3为其接口电路。  




当ECU作为实验室发动机测试平台时，往往需要对ECU进行监控，随时改变各控制参数或进行大量的数据记录(如获取喷油量、喷油正时等的MAP图)。此时ECU将作为一个下位机，上位机(PC)则需要增加CAN总线PC采集卡，实现MPC。555与PC之间基于高速CAN总线的数据通信。  

对于传输速率要求不高的地方，MPC555亦提供了串口通信方式，可以直接与监控PC进行通信连接。  

为了进行在线仿真调试及程序固化，MPC555提供了JTAG及BDM接口。采用WindRiver的VisionPibe仿真器，其BDM接口电路如图4所示。  




2.5燃油喷射控制   
  
燃油喷射控制是发动机控制中的核心功能。概括来讲，即在正确的时刻，以适当的压力，将燃油按照一定的规律喷入燃烧室，实现良好的燃烧。这就需要对发动机的实时转速及上止点位置进行精确检测，并实现对喷油器高速电磁阀的快速精确控制。当前高速电磁阀的机电综合响应时间已经小于0．2 ms，可以实现小于1 mg油量的精确控制及多次喷射控制。MPC555拥有功能强大的多通道时间处理单元(TPU3)．特别适于发动机控制单元中的转速采集、上止位置检测及喷油信号输出控制。  

时间处理单元(TPU)是一个智能化、半独立的微控制器，专门进行高分辨率的实时控制。由于它具有自己的执行单元(微引擎)、微代码程序ROM、数据存储器RAM及双定时基准，不需要RCPU的干预即可以执行相应的控制功能。MPC555具有多达32路可独立工作的TPU通道，每个通道可与预分频器中的两个16位计数器中的任何一个同步，其分辨率最小可以到100 ns。通过特定功能的设定，这些通道也可以连在一起，如一个通道的操作作为另一个通道的基准，从而实现多通道的相互协作控制，这一点尤其适合柴油发动机的多缸喷油控制。TPU的结构框图如图5所示。  [page]




TPU在发动机电子控制中的应用包括：  

①转速采集及上止点位置检测，利用TPU缺少跳变检测的周期测量功能(PMM)和相位同步脉冲发射器功能(PSP)。  
②共轨压力控制，利用TPU的脉宽调制功能(PWM)。  
③燃油喷射正时及喷油量控制，利用相位同步脉冲发射器功能(PSP)及输出比较功能(OC)。  

喷油器功能的实现离不开喷油器电磁阀的快速响应。电磁阀理想的驱动特性是，在需要衔铁吸合时，应对电磁阀线圈尽快地注入峰值电流(驱动电流近20 A)，使其迅速吸合。一旦吸合，因磁路中气隙减小，磁阻降低，电磁阀仅需较小的电流就可以可靠地维持吸合。在释放时，为减少电磁阀的释放延时应尽快切断驱动电流。图6为常用的喷油器驱动控制时序图。  




3  软件系统设计   

3.1  基于Tornado  for OSEKWorks IDE的开发模式   

面对当前汽车电子，特别是发动机控制系统等功能的日益复杂，集成有嵌入式多任务实时操作系统(RT0S)的集成开发环境(IDE)已成为ECU开发的一个方向。本ECU软件开发中引入了WindRiver公司推出的嵌人式集成开发环境Tornado forOSEKWorks，核心是一个满足汽车电子OSEK标准的嵌入式实时操作系统——OSEKWork。  

O3SEKWorks是一个基于静态优先级的抢占式实时操作系统，支持多任务(task)并行运行。由于其具有良好的实时性能及可靠性，已经广泛应用于从防抱死刹车系统、引擎控制系统，到航空航天、星际探索等的关键任务中。其软件开发模式如图7所示。  


  

3．2内部程序引导工作模式  
    
MPC555在上电或者复位后，微处理器首先读取复位配置字。复位配置字由3种启动工作模式决定：  
    
①外部数据总线引脚DATA0：31；  
②默认内部Shadow(0x000000)；  
③NVM寄存器值(CMFCFIG)。  
    
表1给出了复位配置字的选择方法。  




ECU最小系统设计中，为了简化PCB设计，在满足功能要求的前提下，应避免引出更多的引脚。设计中选择第2种，并使用开发环境中集成的visionC1ick对Shadow进行单独烧录，使得人口地址为oxl00。它的实现使得仅MPC555最小系统在8 cm%26;#215;8 cm的两层PCB上的实现成为可能。   
  
基于Tornado for OSEKWorks 软件平台所开发的MPC555最小系统已成功地作为发动机控制单元所应用，并经受了近两年的台架式试验考核，为高压工轨燃油喷射系统在某型号特种发动机中的成功应用提供了有力的技术保障。  
　  
结  语   
    
本文实现了单片32位PowerP微控制器MPC555的最小系统，结合多任务嵌入式实时操作系统——OSEK-Works，给出了其作为新型柴油发动机控制单元的软硬件解决方案。近两年实践证明，该系统可以很好地满足高压共轨柴油机实时控制及实验监控管理的需求。