摘 要： 全球范圍汽車尾氣排放法規(guī)的不斷加嚴對發(fā)動機管理系統(tǒng)也提出了更高的要求：控制精度更高，控制功能愈加復雜，以及完善的在板診斷功能 （On Board Diagnostic，OBD）。飛思卡爾半導體應對這些挑戰(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)動機電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）參考設(shè)計。 關(guān)鍵詞：發(fā)動機管理系統(tǒng)；電子控制單元（ECU）；飛思卡爾；MPC5500；智能功率器件SMARTMOS 前 言 現(xiàn)代先進的發(fā)動機管理系統(tǒng)在提高燃油經(jīng)濟性和控制尾氣排放方面都達到了很高的水平，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)先的汽車電子半導體供應商，提供了包括微控制器（MCU）、傳感器、電源管理器件、功率驅(qū)動器件、以及符合AUTOSAR（AUTomotive Open SystemARchitecture）標準的實時操作系統(tǒng)和底層驅(qū)動軟件在內(nèi)的動力傳動（Powertrain）系統(tǒng)解決方案?？蓱糜谄蜋C管理系統(tǒng)，柴油高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，自動變速箱和CVT 控制系統(tǒng)，混合動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)動機電子控制單元（ECU）參考設(shè)計。 發(fā)動機電子控制單元參考設(shè)計系統(tǒng)框架 以典型的汽油發(fā)動機控制系統(tǒng)為例，飛思卡爾的參考設(shè)計系統(tǒng)框架如圖1。 圖1中左側(cè)是信號輸入：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，凸輪軸正時位置，車速等頻率信號經(jīng)MPC5500 的eTPU 模塊采集并處理；爆震傳感器輸出的高頻信號在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，可以實現(xiàn)片上軟件檢測爆震功能，為系統(tǒng)節(jié)省專用爆震處理芯片的成本。 空調(diào)請求開關(guān)、外部負載接合、制動踏板、離合器狀態(tài)等開關(guān)量信號，由智能開關(guān)檢測芯片采集并通過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，可被用來保護開關(guān)觸點接觸面不被氧化。 各傳感器采集的發(fā)動機工況信號提供給主MCU 內(nèi)部復雜的控制軟件，以計算確定噴油、點火等控制參數(shù)并執(zhí)行輸出。圖中右側(cè)是信號輸出：各智能功率驅(qū)動器件都支持并行與SPI 串行兩種方式驅(qū)動，SPI還用于和MCU交換配置參數(shù)及故障診斷信息，高頻信號（如噴油、點火脈沖）均采用并行驅(qū)動方式。 ·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 MC33800：多功能智能功率驅(qū)動芯片 MC33810：4 通道噴油器驅(qū)動和點火線圈IGBT 預驅(qū)動芯片，根據(jù)6 缸/8 缸不同應 用可使用多片并聯(lián)。 MC33926： H-Bridge 驅(qū)動芯片（用于電控節(jié)氣門） - 信號監(jiān)測 MC33975：22 路開關(guān)量檢測芯片，帶睡眠喚醒和32mA 濕電流輸出功能 MC33811：5 通道電磁線圈負載監(jiān)測芯片 - 電源管理 MC33730：板級電源管理芯片 面向動力傳動系統(tǒng)設(shè)計的MPC5500產(chǎn)品家族 32 位MPC5500系列微控制器是面向Powertrain應用開發(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用需求的產(chǎn)品系列。最高總線頻率可達180MHz，片內(nèi)最多集成3M bytes帶ECC功能的Flash，并支持100k 次Flash 塊擦寫壽命和長達20年的數(shù)據(jù)保存時間。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。不同型號相同管腳封裝的芯片保證100％管腳兼容，對同一型號不同封裝的芯片 （208pin /324pin /416pin BGA）保持軟件全兼容，極大方便了用戶進行平臺開發(fā)和形成產(chǎn)品系列化。在項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設(shè)計，待產(chǎn)品基本定型，再根據(jù)實際I/O 和Flash 資源需求選定一款性能價格比最優(yōu)的芯片投入生產(chǎn)。當中軟件和硬件的移植基本不增加額外的工作量，同時也有利于控制BOM成本。 eTPU 是專用于定時和頻率信號處理的模塊，其內(nèi)部的RISC 協(xié)處理器可以獨立于CPU 運行。飛思卡爾提供了面向發(fā)動機控制應用的eTPU 函數(shù)庫，如曲軸轉(zhuǎn)角測量、噴油脈沖輸出、點火脈沖輸出、凸輪軸相位檢測等，使用戶可以專注于發(fā)動機本體控制算法的設(shè)計。 面向發(fā)動機控制應用的智能功率驅(qū)動芯片SMARTMOS MC33800 MC33800 是一款集成了多種功能的智能功率驅(qū)動芯片，其輸出通道包括： 2 路可編程的恒流源驅(qū)動，帶有疊加的電流抖動控制，適用于驅(qū)動自動變速箱執(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)動電流（6A），可以用來驅(qū)動指示燈等感性負載，其余通道可用來驅(qū)動繼電器或電磁閥。其中相鄰2 路可并聯(lián)（如1/2，3/4）以增加驅(qū)動能力。通過并行或SPI 串行通訊兩種方式驅(qū)動。 6 路MOSFET 預驅(qū)動，支持PWM輸出?？梢杂脕眚?qū)動燃油泵，冷卻風扇電機，氧傳感器加熱，EGR 或碳罐清洗電磁閥。在片內(nèi)還集成了負載電阻測量功能，可以實現(xiàn)加熱型氧傳感器（HEGO）的負載診斷功能。 這款芯片具有過壓，欠壓和過熱保護功能，輸出驅(qū)動和開關(guān)具有過電流保護，開路檢測、短路檢測和SPI 故障信息反饋功能。 MC33810 MC33810 是一款同時集成了噴油器驅(qū)動和點火線圈預驅(qū)動的芯片，高集成度可以節(jié)省電路板上器件數(shù)量和布局空間，是應用于四缸汽油發(fā)動機的理想選擇。輸出通道包括： 4 路低端開關(guān)，用來直接驅(qū)動噴油器。 4 路（IGBT/MOSFET）預驅(qū)動，支持PWM輸出。可以用來驅(qū)動IBGT 控制點火線圈，也可以作為通用的PWM輸出驅(qū)動MOSFET。當設(shè)置為IGBT 預驅(qū)動功能時，還提供了初級線圈閉合時間，點火時間和點火線圈次級電流的檢測功能。 這款芯片具有過流、過熱和對電源短路保護功能，輸出驅(qū)動具有開路檢測、短路檢測和SPI 故障信息反饋功能。 MC33811 MC33811 是一款帶有5 路電磁線圈負載監(jiān)測功能的智能芯片。它通過檢測和分析通過線圈的電流波形來判斷當前負載是否工作正常，通過SPI 端口設(shè)置工作模式并返回檢測結(jié)果。 在發(fā)動機控制應用中，MC33811提供的診斷功能可以及時匯報噴油器故障，以防止損壞發(fā)動機。同時還可以用于其他需要診斷電磁閥的應用中，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)動芯片，滿足汽車工作環(huán)境的嚴苛要求。典型應用為發(fā)動機電控節(jié)氣門電機控制，也可以作普通雙向直流電機控制，例如EGR電磁閥。 MC33926 具有輸出電流限流功能以保護電機，輸出對電源或?qū)Φ囟搪繁Ｗo，帶滯回區(qū)的過溫關(guān)斷保護等功能。同時帶有輸出電流反饋以實現(xiàn)閉環(huán)電機調(diào)速或扭矩控制。 符合AUTOSAR 規(guī)范的RTOS 和底層驅(qū)動軟件支持 飛思卡爾半導體作為第一個加入AUTOSAR 組織的半導體器件供應商，提供符合AUTOSAR R2.1 最新規(guī)范的底層驅(qū)動軟件和實時操作系統(tǒng)。隨著AUTOSAR 日趨成熟，并逐漸為世界主要汽車制造商和一級零部件供應商所采納，飛思卡爾也準備好為用戶提供各級設(shè)計應用支持。 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MCAL（Microcontroller Abstraction Layer ），I/O 硬件抽象層驅(qū)動以及基于EEPROM模擬的存儲器硬件抽象層驅(qū)動。目前產(chǎn)品可支持S12X，MPC556X 和MPC551X 微控制器平臺，并在不斷更新擴展。 操作系統(tǒng)方面提供符合AUTOSAR 規(guī)范的4 級可裁減的實時操作系統(tǒng)。 ·SC1—確定性的RTOS 基礎(chǔ)（tasks, events, counters, alarms, messages） ·SC2—基于時間的任務(wù)管理（low-latency, precise timing for periodic tasks） ·SC3—任務(wù)級的內(nèi)存保護（MMU/MPU），以避免安全系統(tǒng)的內(nèi)存沖突問題 ·SC4—任務(wù)級的時間和內(nèi)存保護，充分利用芯片的功能，以提供汽車領(lǐng)域RTOS 的安全保護 參考設(shè)計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)動機控制單元參考設(shè)計，在滿足現(xiàn)代發(fā)動機復雜控制要求的同時，也為用戶帶來很大的設(shè)計優(yōu)勢： ＊滿足典型發(fā)動機控制應用中負載和器件的電壓、電流指標； ＊片內(nèi)集成的診斷和監(jiān)控功能，有助于實現(xiàn)系統(tǒng)功能完整性和可維護性； ＊高集成度的器件實現(xiàn)了電路板的簡化布線和緊湊布局； ＊MCU 與外圍器件通過并行或SPI 串行方式通訊，實現(xiàn)靈活簡便的控制連接； ＊片內(nèi)集成了面向發(fā)動機控制應用而設(shè)計的特殊功能和特性； ＊32 位MCU 家族良好的兼容性和擴展性方便用戶進行平臺開發(fā)和產(chǎn)品系列設(shè)計。 在硬件參考設(shè)計的基礎(chǔ)上，飛思卡爾還開發(fā)了符合AUTOSAR 規(guī)范的底層驅(qū)動軟件和實時操作系統(tǒng)等軟件包，為用戶提供系統(tǒng)級應用解決方案及設(shè)計支持。