MPC555的发动机电控单元最小系统设计.pdf

8 2 0 0 6年第3期a d v m e s n e t.c o m.c n(广告专用)!#$的发动机电控单元最小系统设计中国机械科学研究院 吴进军 摘 要介绍一种3 2位R I S C微控制器MP C 5 5 5在高压共轨柴油发动机电子控制单元(E C U)中的应用;给出以单片MP C 5 5 5最小系统及T o r n a d o f o rO S E KW o r k s嵌入式集成开发环境为E C U硬件和软件开发平台的实现方案;侧重介绍E C U的硬件功能模块、软件总体设计等。利用M P C 5 5 5的丰富片上资源和基于O S E K/V D X标准的实时多任务操作系统集成开发环境,减少E C U软硬件开发的复杂性,保证发动机管理系统对E C U苛刻的实时性和可靠性要求。关键词发动机电子控制单元(E C U)MP C 5 5 5 实时操作系统(R T O S)随着当前电子技术及发动机电控技术的发展,以3 2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E C U(E l e c t r o n i cC o n t r o lU n i t)的开发已成为汽车电子发展应用的主流。本文在T o n a d of o rO S E KW o r k s多任务实时操作系统及3 2位P o w e rP C微控制器MP C 5 5 5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。图1 柴油发动机电子控制单元硬件框图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E C U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E C U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 E C U硬件最小系统设计2.1 E C U主控芯片选择针对当前E C U开发技术的发展,研制过程中,E C U硬件采用M o t o r o l a高性能3 2位P o w e rP C微控制器-MP C 5 5 5。MP C 5 5 5主要有以下功能模块:主频4 0MH z的精简指令集C P U(R C P U);2 8M I P S的运算能力;p a p e r m e s n e t.c o m.c n(投稿专用)2 0 0 6年第3期M i c r o c o n t r o l l e r s&Em b e d d e dS y s t e m s 9 4 4 8K BF l a s h;2 6K BS R AM;独立工作双时间处理单元(T P U 3);1 8通道模块I/O系统(M I O S 1);双队列模数转换模块(QA D C);双C AN 2.0 B控制器模块(T o u C AN s);队列串行多通道模块(Q S MCM)。MP C 5 5 5微控制器是M o t o r o l aP o w e r P C5 0 0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2 7 2引脚B G A封装,可在高速移动及苛刻的环境下工作(工作温度:-4 01 2 5)。MP C 5 5 5卓 越 的 片 内 集 成 功 能,使 得 仅 依 靠 单 片MP C 5 5 5内部资源即可以进行E C U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MP C 5 5 5的E C U最小系统结构框图。图2 基于M P C 5 5 5的E C U核心结构框图2.2 E C U的存储器由于控制 器 本 身 片 内 集 成4 4 8K BF l a s h及2 6K BS R AM,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QA D C模 块,将 其 转 换 成 数 字 量。由 于MP C 5 5 5内部集成了多达3 2路的1 0位高速A/D,可以满足E C U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,1 8通道模块I/O系统M I O S 1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E C U设计采用最小系统,无需扩展存储器等,其2 4位地址总线及3 2位数据总线将空闲,可以作为通用I/O使用。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C A N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。MP C 5 5 5集成了双路C AN 2.0 B控制器模块,在E C U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P h i l i p s公司的P C A 8 2 C 2 5 0收发器,其传输速率高达1M b p s。图3为其接口电路。图3 C A N接口电路当E C U作为实验室发动机测试平台时,往往需要对E C U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MA P图)。此时E C U将作为一个下位机,上位机(P C)则需要增加C AN总线P C采集卡,实现MP C 5 5 5与P C之间基于高速C AN总线的数据通信。对于传输速率要求不高的地方,MP C 5 5 5亦提供了串口通信方式,可以直接与监控P C进行通信连接。为了进行在线仿真调试及程序固化,MP C 5 5 5提供了J T A G及B DM接口。采用W i n d R i v e r的V i s i o n P r i b e仿真器,其B DM接口电路如图4所示。图4 B D M调试接口电路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0.2m s,可以实现小于1m g油量的精确1 0 2 0 0 6年第3期a d v m e s n e t.c o m.c n(广告专用)控制及多次喷射控制。MP C 5 5 5拥有功能强大的多通道时间处理单元(T P U 3),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(T P U)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R OM、数据存储器R AM及双定时基准,不需要R C P U的干预即可以执行相应的控制功能。MP C 5 5 5具有多达3 2路可独立工作的T P U通道,每个通道可与预分频器中的两个1 6位计数器中的任何一个同步,其分辨率最小可以到1 0 0n s。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。T P U的结构框图如图5所示。图5 T P U结构框图T P U在发动机电子控制中的应用包括:转速采集及上止点位置检测,利用T P U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(P S P)。共轨压力控制,利用T P U的脉宽调制功能(P WM)。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(P S P)及输出比较功能(O C)。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2 0A),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T o r n a d of o rO S E K W o r k s I D E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(R T O S)的集成开发 环 境(I D E)已 成 为E C U开 发 的 一 个 方 向。本E C U软件开发中引入了W i n d R i v e r公司推出的嵌入式集成开发环境T o r n a d of o rO S E KW o r k s,核心是一个满足汽车电子O S E K标准的嵌入式实时操作系统-O S E KW o r k s。O S E KW o r k s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(t a s k)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MP C 5 5 5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:外部数据总线引脚D A T A0:3 1;默认内部S h a d o w(0 x 0 0 0 0 0 0);NVM寄存器值(CMF C F I G)。表1给出了复位配置字的选择方法。E C U最小系统设计中,为了简化P C B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v i s i o n C l i c k对S h a d o w进行单独烧录,使得入口地址为0 x 1 0 0。它的实现使得仅MP C 5 5 5最小系统在8c m8c m的两层P C B上的实现成为可能。表1 复位配置字的选择R S T C ON FH a s配置(HC)内部配置字0 x外部数据总线引脚D ATA0:3 101内部S h a d o w(0 x 0 0 0 0 0 0 0 0)00内部NVM寄存器(CMF C F I G)图6 喷油器驱动控制时序图图7 E C U软件开发模式 p a p e r m e s n e t.c o m.c n(投稿专用)2 0 0 6年第3期M i c r o c o n t r o l l e r s&Em b e d d e dS y s t e m s 1 1 基于%&的高速#抗干扰设计西南交通大学 刘金锁 张翠芳 董高菲 摘 要分析D S P系统产生干扰的主要原因,给出抗干扰的对策;以T I公司的D S P芯片TM S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A为处理器构成控制系统,通过对整个系统P C B的层叠设计、布局和布线设计,详细介绍如何在P C B设计中增强D S P系统的抗干扰能力。关键词D S P 高速P C B 抗干扰引 言随着D S P(数字信号处理器)的广泛应用,基于D S P的高速信号处理P C B板的设计显得尤为重要。在一个D S P系统中,D S P微处理器的工作频率可高达数百MH z,其复位线、中断线和控制线、集成电路开关、高精度A/D转换电路,以及含有微弱模拟信号的电路都非常容易受到干扰;所以设计开发一个稳定的、可靠的D S P系统,抗干扰设计非常重要。干扰即干扰能量使接收器处在不希望的状态。干扰的产生分两种:直接的(通过导体、公共阻抗耦合等)和间接的(通过串扰或辐射耦合)。很多电器发射源,如光照、电机和日光灯都可以引起干扰,而电磁干扰EM I能产生影响有3个必需的途径,即干扰源、传播途径和干扰受体,只需要切断其中的一个就可以解决电磁干扰问题。1 D S P系统的干扰产生分析为 了做出一个稳定可靠的D S P系统,必须从各个方面来消除干扰,即使不能完全消除,也要尽量减少到最小。对于D S P系统而言,主要干扰来自于以下几个方面:输入输出通道干扰。指干扰通过前向通道和后向通道进入系统,如D S P系统的数据采集环节,干扰通过传感器迭加到信号上,使数据采集的误差增大。在输出环节,干扰可以将输出的数据误差增大,甚至完全错误,造成系统崩溃。可以合理利用光耦器件减小输入输出通道干扰,对于传感器和D S P主系统的干扰可利用电气隔离来阻挡干扰进入。电源系统的干扰。整个D S P系统的主要干扰源。电源在向系统提供电能的同时也将其噪声加到供电的电源上,必须在电源芯片电路设计时对电源线进行退耦。空间辐射耦合干扰。经过辐射的耦合通常称为串扰。串扰发生在电流流经导线时产生的电磁场,而电磁场在邻近的导线中感应瞬态电流,造成临近的信号失真,甚至错误。串扰的强度取决于器件、导线的几何尺寸及相隔距离。在D S P布线时,信号线间距越大,距离地线越近,就越可以有效地减小串扰。基于T o r n a d of o rO S E KW o r k s软 件 平 台 所 开 发 的MP C 5 5 5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,为高压共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3 2位P o w e r P C微控制器MP C 5 5 5的最小系统,结合多任务嵌入式实时操作系统-O S E K-W o r k s,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。参考文献1 丁志盛,李华.MP C 5 5 5微控制器与汽车电子.单片机与嵌入式系统应用,2 0 0 3(1 2)2 冒晓建,肖文雍.G D 1车用电控柴油机高压共轨系统硬件的开发.内燃机学报,2 0 0 2(5)3 W i n dR i v e rS y s t e m s I n c.T o r n a d o f o rO S E KW o r k sD o c u m e n-t a t i o n4 M o t o r o l a I n c.MP C 5 5 5U s e r sM a n u a l5 W o e r m a n nRJ.AR e a l T i m eM o d e l o f aC o mm o nR a i lD i e s e lE n g i n e.S A EP a p e r1 9 9 9 0 1 0 8 6 2(收稿日期:2 0 0 5-1 0-0 8)