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1、基于MPC5500和新一代SMARTMOS器件的发动机治理系统电子控制单元参考设计基于MPC5500和新一代SMARTMOS器件的发动机治理系统电子控制单元参考设计zhangting导语：全球范围汽车尾气排放法规的不断加严对发动机治理系统也提出了更高的要求摘要：全球范围汽车尾气排放法规的不断加严对发动机治理系统也提出了更高的要求：控制精度更高，控制功能愈加复杂，以及完善的在板诊断功能OnBoardDiagnostic，OBD。飞思卡尔半导体应对这些挑战，提出了基于MPC5500系列32位PowerArchitecture微控制器和新一代智能功率器件SMARTMOSTM的发动机电子控制单元Ele
2、ctronicControlUnit,ECU参考设计。关键词：发动机治理系统；电子控制单元ECU；飞思卡尔；MPC5500；智能功率器件SMARTMOS当代先进的发动机治理系统在进步燃油经济性和控制尾气排放方面都到达了很高的程度，这其中电子控制单元ECU的软件和硬件性能至关重要。飞思卡尔FreescaleSemiconductor作为全球领先的汽车电子半导体供给商，提供了包括微控制器MCU、传感器、电源治理器件、功率驱动器件、以及符合AUTOSARAUTomotiveOpenSystemARchitecture标准的实时操纵系统和底层驱动软件在内的动力传动Powertrain系统解决方案。可应
3、用于汽油机治理系统，柴油高压共轨燃油喷射系统，自动变速箱和CVT控制系统，混合动力以及燃料电池控制系统。本文介绍了基于MPC5500系列32位PowerArchitecture微控制器和新一代智能功率器件SMARTMOSTM的汽油/柴油发动机电子控制单元ECU参考设计。发动机电子控制单元参考设计系统框架以典型的汽油发动机控制系统为例，飞思卡尔的参考设计系统框架如图1。图1中左侧是信号输入：温度、压力、油门踏板和节气门位置等传感器输出的模拟信号经滤波电路由MPC5500的高速模数转换ADC模块收集；曲轴转角，凸轮轴正时位置，车速等频率信号经MPC5500的eTPU模块收集并处理；爆震传感器输出的
4、高频信号在eTPU确定的曲轴转角窗口内通过高速ADC采样，并经软件滤波和积分处理算法，可以实现片上软件检测爆震功能，为系统节省专用爆震处理芯片的本钱。空调恳求开关、外部负载接合、制动踏板、离合器状态等开关量信号，由智能开关检测芯片收集并通过SPI接口传输结果，可节省MCU的I/O资源。此芯片还具有最大32mA湿电流输出功能，可被用来保护开关触点接触面不被氧化。各传感器收集的发动机工况信号提供应主MCU内部复杂的控制软件，以计算确定喷油、点火等控制参数并执行输出。图中右侧是信号输出：各智能功率驱动器件都支持并行与SPI串行两种方式驱动，SPI还用于和MCU交换配置参数及故障诊断信息，高频信号如喷
5、油、点火脉冲均采用并行驱动方式。32位主微控制器：32-bitPowerArchitectureMPC5500系列8位监控微控制器：MC9S08SG8智能功率器件SMARTMOSTM-通讯接口MC33902：高速CAN总线收发器MC33661：LIN总线收发器-功率驱动MC33800：多功能智能功率驱动芯片MC33810：4通道喷油器驱动和点火线圈IGBT预驱动芯片，根据6缸/8缸不同应用可使用多片并联。MC33926：H-Bridge驱动芯片用于电控节气门-信号监测MC33975：22路开关量检测芯片，带睡眠唤醒和32mA湿电流输出功能MC33811：5通道电磁线圈负载监测芯片-电源治理MC
6、33730：板级电源治理芯片面向动力传动系统设计的MPC5500产品家族32位MPC5500系列微控制器是面向Powertrain应用开发的新一代产品，其前身是在业界已经成熟应用的MPC500家族。MPC5500基于高性能的PowerArchitecturee200RISC内核，衍生出覆盖高中低档应用需求的产品系列。最高总线频率可达180MHz，片内最多集成3Mbytes带ECC功能的Flash，并支持100k次Flash块擦写寿命和长达20年的数据保存时间。MPC5500系列的第一款产品MPC5554，已经在全球供货超过两百万片。MPC5500系列具有优秀的软件和硬件兼容性。不同型号一样管脚
7、封装的芯片保证100管脚兼容，对同一型号不同封装的芯片208pin/324pin/416pinBGA保持软件全兼容，极大方便了用户进展平台开发和形成产品系列化。在工程起始阶段用户可选择片内资源和管脚都比拟丰富的芯片作原型机设计，待产品根本定型，再根据实际I/O和Flash资源需求选定一款性能价格比最优的芯片投入消费。当中软件和硬件的移植根本不增加额外的工作量，同时也有利于控制BOM本钱。eTPU是专用于定时和频率信号处理的模块，其内部的RISC协处理器可以独立于CPU运行。飞思卡尔提供了面向发动机控制应用的eTPU函数库，如曲轴转角测量、喷油脉冲输出、点火脉冲输出、凸轮轴相位检测等，使用户可以
8、专注于发动机本体控制算法的设计。面向发动机控制应用的智能功率驱动芯片SMARTMOSMC33800MC33800是一款集成了多种功能的智能功率驱动芯片，其输出通道包括：2路可编程的恒流源驱动，带有叠加的电流抖动控制，适用于驱动自动变速箱执行器电磁阀。8路低端开关，其中1、2两路具有较高驱动电流6A，可以用来驱动指示灯等感性负载，其余通道可用来驱动继电器或者电磁阀。其中相邻2路可并联如1/2，3/4以增加驱动才能。通过并行或者SPI串行通讯两种方式驱动。6路MOSFET预驱动，支持PWM输出。可以用来驱动燃油泵，冷却风扇电机，氧传感器加热，EGR或者碳罐清洗电磁阀。在片内还集成了负载电阻测量功能
9、，可以实现加热型氧传感器HEGO的负载诊断功能。这款芯片具有过压，欠压和过热保护功能，输出驱动和开关具有过电流保护，开路检测、短路检测和SPI故障信息反应功能。MC33810MC33810是一款同时集成了喷油器驱动和点火线圈预驱动的芯片，高集成度可以节省电路板上器件数目和布局空间，是应用于四缸汽油发动机的理想选择。输出通道包括：4路低端开关，用来直接驱动喷油器。4路IGBT/MOSFET预驱动，支持PWM输出。可以用来驱动IBGT控制点火线圈，也可以作为通用的PWM输出驱动MOSFET。当设置为IGBT预驱动功能时，还提供了初级线圈闭合时间，点火时间和点火线圈次级电流的检测功能。这款芯片具有过
10、流、过热和对电源短路保护功能，输出驱动具有开路检测、短路检测和SPI故障信息反应功能。MC33811MC33811是一款带有5路电磁线圈负载监测功能的智能芯片。它通过检测和分析通过线圈的电流波形来判定当前负载是否工作正常，通过SPI端口设置工作形式并返回检测结果。在发动机控制应用中，MC33811提供的诊断功能可以及时汇报喷油器故障，以防止损坏发动机。同时还可以用于其他需要诊断电磁阀的应用中，如变速箱控制器或者电磁气门控制器。MC33926MC33926是一款具有5A电流输出的H-Bridge智能功率驱动芯片，知足汽车工作环境的严苛要求。典型应用为发动机电控节气门电机控制，也可以作普通双向直流
11、电机控制，例如EGR电磁阀。MC33926具有输出电流限流功能以保护电机，输出对电源或者对地短路保护，带滞回区的过温关断保护等功能。同时带有输出电流反应以实现闭环电机调速或者扭矩控制。符合AUTOSAR标准的RTOS和底层驱动软件支持飞思卡尔半导体作为第一个参加AUTOSAR组织的半导体器件供给商，提供符合AUTOSARR2.1最新标准的底层驱动软件和实时操纵系统。随着AUTOSAR日趋成熟，并逐渐为世界主要汽车制造商和一级零部件供给商所采纳，飞思卡尔也预备好为用户提供各级设计应用支持。飞思卡尔提供的AUTOSAR根底软件包有：微控制器抽象层驱动MCALMicrocontrollerAbstr
12、actionLayer，I/O硬件抽象层驱动以及基于EEPROM模拟的存储器硬件抽象层驱动。目前产品可支持S12X，MPC556X和MPC551X微控制器平台，并在不断更新扩展。操纵系统方面提供符合AUTOSAR标准的4级可裁减的实时操纵系统。SC1确定性的RTOS根底tasks,events,counters,alarms,messagesSC2基于时间的任务治理low-latency,precisetimingforperiodictasksSC3任务级的内存保护MMU/MPU，以防止平安系统的内存冲突问题SC4任务级的时间和内存保护，充分利用芯片的功能，以提供汽车领域RTOS的平安保护参
13、考设计PCB板布局本文介绍了飞思卡尔基于MPC5500和智能功率器件的发动机控制单元参考设计，在知足当代发动机复杂控制要求的同时，也为用户带来很大的设计上风：知足典型发动机控制应用中负载和器件的电压、电流指标；片内集成的诊断和监控功能，有助于实现系统功能完好性和可维护性；高集成度的器件实现了电路板的简化布线和紧凑布局；MCU与外围器件通过并行或者SPI串行方式通讯，实现灵敏简便的控制连接；片内集成了面向发动机控制应用而设计的特殊功能和特性；32位MCU家族良好的兼容性和扩展性方便用户进展平台开发和产品系列设计。在硬件参考设计的根底上，飞思卡尔还开发了符合AUTOSAR标准的底层驱动软件和实时操纵系统等软件包，为用户提供系统级应用解决方案及设计支持。0