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介紹一種32位RISC微控制器MPC555在高壓共軌柴油發動機電子控制單元(ECU)中的應用；給出以單片MPC555最小系統及TornadoforOSEKWorks嵌入式集成開發環境為ECU硬件和軟件開發平臺的實現方案；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OSEK／VDX標準的實時多任務操作系統集成開發環境，減少ECU軟硬件開發的復雜性，保證發動機管理系統對ECU苛刻的實時性和可靠性要求。 隨著當前電子技術及發動機電控技術的發展，以32位嵌入式微控制器及多任務實時操作系統為基本技術特征的新一代電子控制單元ECU(Electronic Control Unit)。本文在TonadoforOSEKWorks多任務實時操作系統及32位Power PC微控制器MPC555的基礎上，介紹高壓共軌柴油發動機電子控制單元的最小系統設計方案。 1 柴油發動機電子控制單元主要功能及特點 電控技術的發展為柴油發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參數，實現對燃油噴射量、噴油正時、噴油規律及噴油壓力等參數的靈活控制；優化燃燒，使柴油機始終運行在最佳狀態下。 高壓共軌柴油發動機電子控制單元是一個集高壓共軌燃油噴射控制、實時數據采集及發動機監控保護、故障診斷、通信等于一體的發動機電子管理系統。其典型的功能框圖如圖1所示． 當前日益嚴格的法規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律，電控系統對實時響應特性、系統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。 2 ECU硬件最小系統設計 2.1 ECU主控芯片選擇 針對當前ECU開發技術的發展，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 0 ◇26 KB SRAM; ◇獨立工作雙時問處理單元(TPU3)； ◇18通道模塊I／O系統(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、智能系統等高端嵌入式控制系統所設計。它有272引腳BGA封裝，可在高速移動及苛刻的環境下工作(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最小系統結構框圖。 2.2 ECU的存儲器 由于控制器本身片內集成448 KB Flash及26 KBSRAM，其大小可以滿足針對發動機引擎控制及試驗平臺通信等的程序及數據存儲需求，因此不需進行系統存儲器擴展。 2.3數字及模擬信號采集 電控系統中的常規信號，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／0系統MIOS1可以基本滿足需要；對于復雜環境控制需要更多I／O時，由于ECU設計采用最小系統，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／0使用。 2.4通信 隨著車用電子設備越來越多，從核心的發動機控制到動力傳動、監控、娛樂、定位等電子設備的集成使用，使得一輛車的電子系統形成了一個復雜的網絡系統。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CAN2．0B控制器模塊，在ECU設計時只需增加一個收發器就可以完成高速通信。本方案采用Philips公司的PcA82C250收發器，其傳輸速率高達1 Mbps。圖3為其接口電路。 當ECU作為實驗室發動機測試平臺時，往往需要對ECU進行監控，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。 2.5燃油噴射控制 燃油噴射控制是發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律噴入燃燒室，實現良好的燃燒。這就需要對發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0．2 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動機的多缸噴油控制。TPU的結構框圖如圖5所示。 TPU在發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 軟件系統設計 3.1 基于Tornado for OSEKWorks IDE的開發模式 面對當前汽車電子，特別是發動機控制系統等功能的日益復雜，集成有嵌入式多任務實時操作系統(RT0S)的集成開發環境(IDE)已成為ECU開發的一個方向。本ECU軟件開發中引入了WindRiver公司推出的嵌人式集成開發環境Tornado 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——OSEKWork。 O3SEKWorks是一個基于靜態優先級的搶占式實時操作系統，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、引擎控制系統，到航空航天、星際探索等的關鍵任務中。其軟件開發模式如圖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DATA0：31； ②默認內部Shadow(0x000000)； ③NVM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，并使用開發環境中集成的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最小系統在8 cm%26;#215;8 cm的兩層PCB上的實現成為可能。 基于Tornado for OSEKWorks 軟件平臺所開發的MPC555最小系統已成功地作為發動機控制單元所應用，并經受了近兩年的臺架式試驗考核，為高壓工軌燃油噴射系統在某型號特種發動機中的成功應用提供了有力的技術保障。 結 語 本文實現了單片32位PowerP微控制器MPC555的最小系統，結合多任務嵌入式實時操作系統——OSEK-Works，給出了其作為新型柴油發動機控制單元的軟硬件解決方案。近兩年實踐證明，該系統可以很好地滿足高壓共軌柴油機實時控制及實驗監控管理的需求。 |
