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隨著汽車工業的飛速發展，汽車在控制、通信和網絡方面的要求越來越復雜。以32位微控制器及嵌入式實時操作系統為基本技術特征的新一代電控單元ECU（Electronic Control Unit）成為汽車電子應用的主流。32位微控制器MPC555以其強大的性能在汽車電子等領域得到了廣泛的應用。 1 MPC555微控制器簡介 MPC555微控制器是Motorola PowerPC 555系列的代表產品，是專為汽車電子、航空航天、智能系統等高端嵌入式控制系統所設計。該產品可在高速移動及苛刻的環境下工作（工作溫度：-40～125℃），性能優良，并具有高度的靈活性和可靠性，適合大批量低成本生產。 MPC555主要有以下功能模塊： *主頻40MHz的精簡指令集CPU（RCPU）; *四級存儲器控制器； *U- Bus系統接口單元（USIU）； *靈活的指令和數據存儲保護單元； *448KB Flash EEPROM; *26KB SRAM; *雙時間處理單元（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）。 在設計及開發應用MPC555微控制器過程中，廠商采取合作、聯合推廣等方式積極引導開發應用產品市場。MPC555微控制器采用了IBM微控制器的芯片結構技術、AMD閃存存儲器技術。專業化嵌入式軟硬件開發公司：ETAS、Pi-Technology、Axiom、ADI、Opti-NumSolution、dSPACE等開發出 MPC555應用板、I/O模塊、實時操作系統、集成開發工具、應用軟件等嵌入式軟硬件系統與集成開發環境。汽車電子產品開發商：BOSCH、德爾福等開發出相應的汽車電子應用產品。從而形成了對MPC555專業化分工、聯合開發的產品鏈方式。這種產業/產品鏈的開發機制已成為高科技領域成功的發展模式。 2 MPC555應用軟硬件平臺及系統集成開發環境 針對目標系統，首先要選定與應用產品所處環境和功能參數相匹配的微控制器作為核心控制系統。另外，完備、強大的開發環境技術支持也至關重要。伴隨著市場競爭越來越激烈，要求快速、靈活地開發應用產品，盡量減少和縮短從決策、設計、研發、測試、修正到最終批量生產的各個環節和周期。開發新產品的快慢往往與一個企業的生存緊密相連。為了適應這一要求。近幾年，集成開發環境（Integrated Development Environment，IDE）技術得到了越來越廣泛的重視。基于模型設計（Model-Based Design）、簡化軟件編程、軟硬件一體化、快速原型（Rapid Prototyping）建立目標系統、應用程序模塊化等先進的開發手段被廣泛應用。另外，嵌入式實時操作系統（RTOS）對系統的安全運行、管理應用系統程序、系統的兼容通用性也至關重要。 一套完備的 MPC555開發應用系統主要由軟硬件平臺和集成開發環境組成。集成開發環境的功能包括：提供控制操作界面；通過BDM接口瀏覽MPC555硬件平臺狀態和信息；建立控制模型；模擬仿真應用系統控制算法；與編譯器連接將控制模型或C語言程序生成MPC555機器源代碼；通過BDM接口將源代碼傳送到 MPC555硬件平臺；實時調試運行應用程序等。這種開發模式方便快捷，采用友好界面連接形象化模型框圖、輸入計算公式、經驗公式等方式編制開發程序，由系統自動將其編譯成目標代碼。在應用程序經過反復模擬仿真，并實時調試運行成功后被裝入MPC555硬件平臺。MPC555系統配有各類應用I/O模塊與通信接口，并裝有一套實時操作系統（RTOS）。在操作系統的管理下，開發的應用程序在上位機監控下和脫離上位機兩種環境下運行驗證。一些特定、重復任務的應用程序被生成模塊化的庫文件已備調用。為了提高開發系統的實時性，系統具有HIL（Hardware-in-the-loop）、Bypass等硬件在環開發、實時嵌入加載等功能。模塊化的應用程序可以實時在線導入導出而絲毫不影響系統的正常運行。 在硬件方面，MPC555微控制器是理想的汽車電子產品嵌入式硬件系統平臺。表1列出了國內外專業公司開發的MPC555開發板情況比較。 在集成開發環境方面，各開發系統普遍采用MathWorks公司的MATLAB系列軟件產品Simulink、Stateflow等，用于模擬仿真、建立模型，再配上相應的交叉編譯器、控制界面連接程序與硬件平臺相連，構成一完整的開發系統。在MPC555應用領域中，比較有代表的產品有ETAS公司的開發工具ASCET- SD；符合OSEK標準的實時操作系統OSEKWorks；調試工具LabCar和相應MPC555的硬件開發板；ADI公司的嵌入式系統的快速原型 SIMsystem；開發平臺BEACON，以及Axiom、Pi-technology的MPC555硬件開發系列產品等。 為了適應嵌入式計算機控制軟件開發日益龐大的特點；實現軟件開發的模塊化和可移植性；確保各分布式控制子系統之間的通信暢通；盡可能地實現不同廠商的控制模塊間的互換性和兼容性，應用系統的標準化成為迫切需要解決的課題。在汽車電子領域，CAN總線通信標準在物理層、數據鏈層定義了有關通信技術規范OSEK（Open Systems and the Corresponding Interfaces For Automotive Electronics）技術規范是針對符合汽車電子開放式系統及其接口的軟件規范所研發的嵌入式實時操作系統。OSEK規范從實時操作系統和軟件的開發平臺兩方面作了全面的定義與規定。該規范最先由德、法兩國汽車行業所倡導并日趨完善。它所提出的一整套解決方案代表了未來汽車電子軟件行業的發展方向，在國際車電子領域的影響力日益增強。 在國家高技術研究發展計算（863計劃）電動汽車重大專項課題“燃料電池客車多能源動力總成控制器軟硬件平臺”中，北京西曼自動化技術有限公司配合課題承擔方——清華大學計算機系智能技術與系統國家重點實驗室，積極開發基于MPC500系列新一代汽車電子ECU軟硬件平臺以及集成開發環境，包括：MPC555評估板 MPC565單板系統、OSEKLinux實時操作系統等。這些為MPC565單板系統、OSEKLinux實時操作系統等。這些為發展我國自主知識產權汽車電子關鍵核心技術，積極開發嵌入式軟硬件及集成開發環境。 表1 國內外MPC555應用開發板情況比較
3 MPC555微控制器在汽車電子領域的應用 MPC555推出不久，便于1999年獲得汽車行業國際PACE 汽車創新產品優秀獎，并在嵌入式計算機控制領域，特別是汽車電子應用領域得到迅速發展。由于其優良的性能和強大的市場推廣力度，MPC555在各個層次，從高科技研發項目、終端用戶（汽車制造廠家）到各專業軟硬件開發商都予以高度的重視，并積極開發應用MPC555產品。例如，美國 MoBIES(Model-Based Integration of Embedded System)基于模型一體化嵌入式系統科研項目。MoBIES是由美國國防部DOD（Department of Defense）國防高技術研究項目局DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）信息處理技術辦公室IPTO（Information Processing Technology Office）資助的項目。此項目旨在為嵌入式系統開發基于模型的軟件組件集成技術。MoBIES項目日期從2000年6月開始到2003年11月結束。該項目的汽車OEP（Automobile Open Experimental Platform，汽車動力控制系統開放式試驗平臺）由Vehicle Dynamic Laboratory承擔，采用MPC555為系統硬件控制單元。MPC555被重視的程度日益加強。 MPC555微控制器在汽車電子領域得到了廣泛的應用，是目前被國際汽車電子系統廣泛采用的新一代芯片。MPC555系列產品在2000年汽車行業的年銷售額達10億美元之多（據Motorola報道）。國外的汽車電子工業已形成了從半導體硬件到軟件到部件開發，再到系統集成應用的一整套開發和生產體系。圍繞著汽車制造商，形成了專業化、可提供全套應用系統的各類供應商：從硬件設計到軟件開發，以及各種專用控制原型的提供，再配用先進的開發工具，使專業設計人員和制造商在生產一線開發、調試新產品等。這大大縮短了產品的開發周期。 以32位嵌入式微控制器為基本技術特征的新一代電控單元（Electronic Control Unit,ECU）已成為汽車電子發展應用的主流。汽車工業是使用微控制器最多的工業，一輛現代汽車最多可使用達上百個微控制器（如圖1所示）。汽車電子系統占整車成本的比例在90年代末已超過了30%，現在還在繼續上升。 
汽車電子行業的發展依賴于汽車工業的蓬勃發展，以及后者在整個工業領域所處的重要地位。汽車電子的技術基礎來源于半導體行業、軟件開發、執行器和傳感器等電子技術的發展。汽車電子產品能夠在高速移動、苛刻和劇烈變化的環境下運行，并且具有高可靠性、安全性、較強的機電結合性、適于大指和低成本的生產等特點。 國際汽車電子技術正處于全面快速發展的階段，其特征主要體現在四化一功能，即多樣的功能（從最初的發動機電子點火與噴油發展到如今的各種控制功能，如自動巡航、自動啟停、自動避撞等）、技術一體化（從最初的機電部件松散組合到如今的機液電磁一體化，如直噴式發動機電控共軌燃料噴射系統）、系統集成化（從最初的單一控制發展到如今睥多變量多目標結合協調控制，如動力總成綜合控制、集成安全控制系統等）、通信網絡化（從初期的多子系統分別工作到如今的分布式模塊化控制器局部網絡，如以CAN總線為基礎的整車信息共享的車載分布式控制系統，以及D2B無線通信為基礎的遠程高頻網絡通信系統）、技術標準化（如OSEK技術規范，將成為未來汽車電子行業嵌入式操作系統的技術標準，廣泛被采用）。國外的汽車電子產業形成了從半導體到軟件到部件開發再到系統集成應用的一整套的開發和生產體系。而國內的汽車電子科研和產業還處于分散、分割、重復、重疊的低水平階段，現狀不容樂觀。 MPC555微控制器在汽車電子領域的應用范例： *BMW的Valwetronic電子閥門系統為目前國際最先進的動力控制系統技術（其三種車型已在道路上運行）； *Ford的Taurus動力控制系統； *由BMW聯合Motorola等開發的Byteflight數據傳送系統（用于安全氣囊）； *Siemens VDO汽車動力管理一體化系統； *Ford采用MPC500系列為Lincoln LS Luxury Sedans開發的動力控制系統； *Ford采用MPC500系列為Jaguar S-TypeSedans車型的點火、噴油、排氣控制； *韓國現代公司最新燃料電池轎車SNATA FE FCEV（EVS19展出的）的總成控制； *MoBIES項目OEP汽車動力控制開放式試驗平臺硬件控制單元（ECU）。 汽車動力系統、底盤系統、車體以及安全系統等逐漸從傳統的機械、液壓結構向電子結構以及智能化控制演變。在制動、駕駛、懸掛、助力、車身等控制方面都借助電子化的手段提高性能。GPA全球衛星定位導航、穩定管理、電制動、自動駕駛以及防撞車、語音識別、網絡化、夜間辨別加強等系統都在積極的開發應用當中。另外，通過內部網絡將各個獨立功能的子系統連接形成實時的資源共享，使系統集成化、智能化。例如，底盤穩定控制系統；通過對制動、駕駛和懸掛系統信息的獲得而得以優化。 4 MPC555應用發展前景 汽車電子技術的發展為提高整車性能起到了關鍵性的作用。隨著汽車電子化發展的深入，32位微控制器將逐漸取代8位、16位微控制器而成為主流應用產品。未來的發展趨勢應重視以下領域技術的開發。 （1）軟件 標準的I/O驅動模塊、實時多任務操作系統、高級語言控制編程、基于模型的算法設計、自動代碼生成及虛擬仿真測試。 （2）硬件 提供完整的與軟件系統一體化的硬件開發平臺。靈活、多功能的快速原型，硬件在環仿真HIL（Hardware-in-the-Loop）Simulation,Bypass方法的應用等。 （3）快速原型建立軟硬件一體化應用系統 采用快速原型建立目標系統：基于模型設計建立控制算法；模擬系統動態測試驗證控制算法；模型實時檢驗；系統聯機測試、檢驗、調試、修改；自動生成源代碼、在線調試標定。 （4）標準化 汽車電子正處于全面發展時期，相關技術的標準也處于建立、完善的階段。關通信、網絡規范、實時操作系統規范等技術規范日趨成熟。這類規范與針對性硬件系統到相滲透、互相依賴，成為一體。各大汽車公司聯盟爭先開發、建立不同的標準體系，以便在汽車電子競爭中搶得先機。 汽車工業的發展圍繞安全、節能、環保、舒適、方便的主題，為消費者提供高質量、安全可靠、多功能低價位的創新產品。開發商面臨的挑戰是如何在最短的時間內將新產品推向市場。為了適應這一特點，汽車行業以及IT行業的企業越來越認同聯合開發的方式，并著重在制定標準、統一開發模式方面加大力度。 MPC555嵌入式系統在汽車行業有著廣闊的應用前景。隨著我國國民經濟的飛速發展，人民生活水平的提高，汽車有望成為居民新的消費熱點以及國民經濟新的增長點。隨著中國加入WTO，競爭也越來越激烈。正像BMW總裁Helmut Panke所說的，未來的發展趨勢將是“from the sheet metal to software”。傳統汽車制造業必然要與信息、計算、電子技術相結合，汽車生產企業與IT行業的合作關系將越來越緊密。先進的方法和手段將不斷應用到產品的開發與生產當中。MPC555在汽車電子領域的應用將不斷得到提升。我們有必要加大開發MPC555嵌入式計算機控制系統的應用，推進我國汽車電子行業的發展。 作 者：北京西曼自動化技術有限責任公司 丁志盛 北京航空航天大學 李華 清華大學 孫曉民 來 源：單片機與嵌入式系統應用2003（12） |
