摘 要： 全球范圍汽車尾氣排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)也提出了更高的要求：控制精度更高，控制功能愈加復(fù)雜，以及完善的在板診斷功能 （On Board Diagnostic，OBD）。飛思卡爾半導(dǎo)體應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，提出了基于MPC5500 系列32 位Power Architecture微控制器和新一代智能功率器件SMARTMOSTM的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）參考設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)；電子控制單元（ECU）；飛思卡爾；MPC5500；智能功率器件SMARTMOS 前 言 現(xiàn)代先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)在提高燃油經(jīng)濟(jì)性和控制尾氣排放方面都達(dá)到了很高的水平，這其中電子控制單元（ECU）的軟件和硬件性能至關(guān)重要。飛思卡爾（Freescale Semiconductor）作為全球領(lǐng)先的汽車電子半導(dǎo)體供應(yīng)商，提供了包括微控制器（MCU）、傳感器、電源管理器件、功率驅(qū)動(dòng)器件、以及符合AUTOSAR（AUTomotive Open SystemARchitecture）標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和底層驅(qū)動(dòng)軟件在內(nèi)的動(dòng)力傳動(dòng)（Powertrain）系統(tǒng)解決方案。可應(yīng)用于汽油機(jī)管理系統(tǒng)，柴油高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，自動(dòng)變速箱和CVT 控制系統(tǒng)，混合動(dòng)力以及燃料電池控制系統(tǒng)。 本文介紹了基于MPC5500 系列32 位Power Architecture微控制器和新一代智能功率器件SMARTMOSTM的汽油/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（ECU）參考設(shè)計(jì)。 發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架 以典型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)為例，飛思卡爾的參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架如圖1。 圖1中左側(cè)是信號(hào)輸入：溫度、壓力、油門踏板和節(jié)氣門位置等傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)濾波電路由MPC5500 的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模塊采集；曲軸轉(zhuǎn)角，凸輪軸正時(shí)位置，車速等頻率信號(hào)經(jīng)MPC5500 的eTPU 模塊采集并處理；爆震傳感器輸出的高頻信號(hào)在eTPU 確定的曲軸轉(zhuǎn)角窗口內(nèi)通過高速ADC 采樣，并經(jīng)軟件濾波和積分處理算法，可以實(shí)現(xiàn)片上軟件檢測(cè)爆震功能，為系統(tǒng)節(jié)省專用爆震處理芯片的成本。 空調(diào)請(qǐng)求開關(guān)、外部負(fù)載接合、制動(dòng)踏板、離合器狀態(tài)等開關(guān)量信號(hào)，由智能開關(guān)檢測(cè)芯片采集并通過SPI 接口傳輸結(jié)果，可節(jié)省MCU 的I/O 資源。此芯片還具有最大32mA濕電流輸出功能，可被用來保護(hù)開關(guān)觸點(diǎn)接觸面不被氧化。 各傳感器采集的發(fā)動(dòng)機(jī)工況信號(hào)提供給主MCU 內(nèi)部復(fù)雜的控制軟件，以計(jì)算確定噴油、點(diǎn)火等控制參數(shù)并執(zhí)行輸出。圖中右側(cè)是信號(hào)輸出：各智能功率驅(qū)動(dòng)器件都支持并行與SPI 串行兩種方式驅(qū)動(dòng)，SPI還用于和MCU交換配置參數(shù)及故障診斷信息，高頻信號(hào)（如噴油、點(diǎn)火脈沖）均采用并行驅(qū)動(dòng)方式。 ·32位主微控制器：32-bit Power Architecture MPC5500系列 ·8位監(jiān)控微控制器：MC9S08SG8 ·智能功率器件SMARTMOSTM - 通訊接口 MC33902：高速CAN 總線收發(fā)器 MC33661：LIN 總線收發(fā)器 - 功率驅(qū)動(dòng) MC33800：多功能智能功率驅(qū)動(dòng)芯片 MC33810：4 通道噴油器驅(qū)動(dòng)和點(diǎn)火線圈IGBT 預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片，根據(jù)6 缸/8 缸不同應(yīng) 用可使用多片并聯(lián)。 MC33926： H-Bridge 驅(qū)動(dòng)芯片（用于電控節(jié)氣門） - 信號(hào)監(jiān)測(cè) MC33975：22 路開關(guān)量檢測(cè)芯片，帶睡眠喚醒和32mA 濕電流輸出功能 MC33811：5 通道電磁線圈負(fù)載監(jiān)測(cè)芯片 - 電源管理 MC33730：板級(jí)電源管理芯片 面向動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的MPC5500產(chǎn)品家族 32 位MPC5500系列微控制器是面向Powertrain應(yīng)用開發(fā)的新一代產(chǎn)品，其前身是在業(yè)界已經(jīng)成熟應(yīng)用的MPC500 家族。MPC5500基于高性能的Power Architecture e200RISC 內(nèi)核，衍生出覆蓋高中低檔應(yīng)用需求的產(chǎn)品系列。最高總線頻率可達(dá)180MHz，片內(nèi)最多集成3M bytes帶ECC功能的Flash，并支持100k 次Flash 塊擦寫壽命和長(zhǎng)達(dá)20年的數(shù)據(jù)保存時(shí)間。MPC5500 系列的第一款產(chǎn)品MPC5554，已經(jīng)在全球供貨超過兩百萬片。 MPC5500 系列具有優(yōu)秀的軟件和硬件兼容性。不同型號(hào)相同管腳封裝的芯片保證100％管腳兼容，對(duì)同一型號(hào)不同封裝的芯片 （208pin /324pin /416pin BGA）保持軟件全兼容，極大方便了用戶進(jìn)行平臺(tái)開發(fā)和形成產(chǎn)品系列化。在項(xiàng)目起始階段用戶可選擇片內(nèi)資源和管腳都比較豐富的芯片作原型機(jī)設(shè)計(jì)，待產(chǎn)品基本定型，再根據(jù)實(shí)際I/O 和Flash 資源需求選定一款性能價(jià)格比最優(yōu)的芯片投入生產(chǎn)。當(dāng)中軟件和硬件的移植基本不增加額外的工作量，同時(shí)也有利于控制BOM成本。 eTPU 是專用于定時(shí)和頻率信號(hào)處理的模塊，其內(nèi)部的RISC 協(xié)處理器可以獨(dú)立于CPU 運(yùn)行。飛思卡爾提供了面向發(fā)動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用的eTPU 函數(shù)庫，如曲軸轉(zhuǎn)角測(cè)量、噴油脈沖輸出、點(diǎn)火脈沖輸出、凸輪軸相位檢測(cè)等，使用戶可以專注于發(fā)動(dòng)機(jī)本體控制算法的設(shè)計(jì)。 面向發(fā)動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用的智能功率驅(qū)動(dòng)芯片SMARTMOS MC33800 MC33800 是一款集成了多種功能的智能功率驅(qū)動(dòng)芯片，其輸出通道包括： 2 路可編程的恒流源驅(qū)動(dòng)，帶有疊加的電流抖動(dòng)控制，適用于驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速箱執(zhí)行器電磁閥。 8 路低端開關(guān)，其中1、2 兩路具有較高驅(qū)動(dòng)電流（6A），可以用來驅(qū)動(dòng)指示燈等感性負(fù)載，其余通道可用來驅(qū)動(dòng)繼電器或電磁閥。其中相鄰2 路可并聯(lián)（如1/2，3/4）以增加驅(qū)動(dòng)能力。通過并行或SPI 串行通訊兩種方式驅(qū)動(dòng)。 6 路MOSFET 預(yù)驅(qū)動(dòng)，支持PWM輸出?？梢杂脕眚?qū)動(dòng)燃油泵，冷卻風(fēng)扇電機(jī)，氧傳感器加熱，EGR 或碳罐清洗電磁閥。在片內(nèi)還集成了負(fù)載電阻測(cè)量功能，可以實(shí)現(xiàn)加熱型氧傳感器（HEGO）的負(fù)載診斷功能。 這款芯片具有過壓，欠壓和過熱保護(hù)功能，輸出驅(qū)動(dòng)和開關(guān)具有過電流保護(hù)，開路檢測(cè)、短路檢測(cè)和SPI 故障信息反饋功能。 MC33810 MC33810 是一款同時(shí)集成了噴油器驅(qū)動(dòng)和點(diǎn)火線圈預(yù)驅(qū)動(dòng)的芯片，高集成度可以節(jié)省電路板上器件數(shù)量和布局空間，是應(yīng)用于四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的理想選擇。輸出通道包括： 4 路低端開關(guān)，用來直接驅(qū)動(dòng)噴油器。 4 路（IGBT/MOSFET）預(yù)驅(qū)動(dòng)，支持PWM輸出?？梢杂脕眚?qū)動(dòng)IBGT 控制點(diǎn)火線圈，也可以作為通用的PWM輸出驅(qū)動(dòng)MOSFET。當(dāng)設(shè)置為IGBT 預(yù)驅(qū)動(dòng)功能時(shí)，還提供了初級(jí)線圈閉合時(shí)間，點(diǎn)火時(shí)間和點(diǎn)火線圈次級(jí)電流的檢測(cè)功能。 這款芯片具有過流、過熱和對(duì)電源短路保護(hù)功能，輸出驅(qū)動(dòng)具有開路檢測(cè)、短路檢測(cè)和SPI 故障信息反饋功能。 MC33811 MC33811 是一款帶有5 路電磁線圈負(fù)載監(jiān)測(cè)功能的智能芯片。它通過檢測(cè)和分析通過線圈的電流波形來判斷當(dāng)前負(fù)載是否工作正常，通過SPI 端口設(shè)置工作模式并返回檢測(cè)結(jié)果。 在發(fā)動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用中，MC33811提供的診斷功能可以及時(shí)匯報(bào)噴油器故障，以防止損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)還可以用于其他需要診斷電磁閥的應(yīng)用中，如變速箱控制器或電磁氣門控制器。 MC33926 MC33926是一款具有5A電流輸出的H-Bridge智能功率驅(qū)動(dòng)芯片，滿足汽車工作環(huán)境的嚴(yán)苛要求。典型應(yīng)用為發(fā)動(dòng)機(jī)電控節(jié)氣門電機(jī)控制，也可以作普通雙向直流電機(jī)控制，例如EGR電磁閥。 MC33926 具有輸出電流限流功能以保護(hù)電機(jī)，輸出對(duì)電源或?qū)Φ囟搪繁Ｗo(hù)，帶滯回區(qū)的過溫關(guān)斷保護(hù)等功能。同時(shí)帶有輸出電流反饋以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電機(jī)調(diào)速或扭矩控制。 符合AUTOSAR 規(guī)范的RTOS 和底層驅(qū)動(dòng)軟件支持 飛思卡爾半導(dǎo)體作為第一個(gè)加入AUTOSAR 組織的半導(dǎo)體器件供應(yīng)商，提供符合AUTOSAR R2.1 最新規(guī)范的底層驅(qū)動(dòng)軟件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。隨著AUTOSAR 日趨成熟，并逐漸為世界主要汽車制造商和一級(jí)零部件供應(yīng)商所采納，飛思卡爾也準(zhǔn)備好為用戶提供各級(jí)設(shè)計(jì)應(yīng)用支持。 飛思卡爾提供的AUTOSAR 基礎(chǔ)軟件包有：微控制器抽象層驅(qū)動(dòng)MCAL（Microcontroller Abstraction Layer ），I/O 硬件抽象層驅(qū)動(dòng)以及基于EEPROM模擬的存儲(chǔ)器硬件抽象層驅(qū)動(dòng)。目前產(chǎn)品可支持S12X，MPC556X 和MPC551X 微控制器平臺(tái)，并在不斷更新擴(kuò)展。 操作系統(tǒng)方面提供符合AUTOSAR 規(guī)范的4 級(jí)可裁減的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 ·SC1—確定性的RTOS 基礎(chǔ)（tasks, events, counters, alarms, messages） ·SC2—基于時(shí)間的任務(wù)管理（low-latency, precise timing for periodic tasks） ·SC3—任務(wù)級(jí)的內(nèi)存保護(hù)（MMU/MPU），以避免安全系統(tǒng)的內(nèi)存沖突問題 ·SC4—任務(wù)級(jí)的時(shí)間和內(nèi)存保護(hù)，充分利用芯片的功能，以提供汽車領(lǐng)域RTOS 的安全保護(hù) 參考設(shè)計(jì)PCB 板布局 結(jié) 語 本文介紹了飛思卡爾基于MPC5500 和智能功率器件的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元參考設(shè)計(jì)，在滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜控制要求的同時(shí)，也為用戶帶來很大的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)： ＊滿足典型發(fā)動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用中負(fù)載和器件的電壓、電流指標(biāo)； ＊片內(nèi)集成的診斷和監(jiān)控功能，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能完整性和可維護(hù)性； ＊高集成度的器件實(shí)現(xiàn)了電路板的簡(jiǎn)化布線和緊湊布局； ＊MCU 與外圍器件通過并行或SPI 串行方式通訊，實(shí)現(xiàn)靈活簡(jiǎn)便的控制連接； ＊片內(nèi)集成了面向發(fā)動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的特殊功能和特性； ＊32 位MCU 家族良好的兼容性和擴(kuò)展性方便用戶進(jìn)行平臺(tái)開發(fā)和產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)。 在硬件參考設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，飛思卡爾還開發(fā)了符合AUTOSAR 規(guī)范的底層驅(qū)動(dòng)軟件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等軟件包，為用戶提供系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用解決方案及設(shè)計(jì)支持。