??? 摘 要： 介紹一種基于Freescale公司32位高性能" title="高性能">高性能控制芯片MPC564的汽油機(jī)電控單元" title="電控單元">電控單元硬件設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)、傳感器信號處理電路設(shè)計(jì)、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路" title="驅(qū)動(dòng)電路">驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等。該電控單元采用高性能的處理芯片、高集成度的信號處理模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，為建立可靠的控制系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法及擴(kuò)展控制功能奠定了硬件基礎(chǔ)。
??? 關(guān)鍵詞： 電控單元? 信號處理? 汽油機(jī)? 功率驅(qū)動(dòng)模塊
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??? 發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)是汽車電子領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，隨著歐洲排放法規(guī)的日益嚴(yán)格化，以及對汽車安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的要求越來越高，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元的功能也越來越強(qiáng)大，對控制芯片的要求也隨之提高。32位微控制器" title="微控制器">微控制器功能強(qiáng)大，提供了低功耗、高性能的處理能力，目前已經(jīng)逐漸取代8位、16位微控制器而成為主流應(yīng)用產(chǎn)品。我國在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域與國外存在明顯的差距，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元對我國的汽車工業(yè)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。本文基于Freescale公司的32位高性能控制芯片MPC564對賽歐轎車479QE型汽油機(jī)進(jìn)行了電控單元的硬件設(shè)計(jì)，臺架試驗(yàn)表明硬件設(shè)計(jì)方案可行。
??? 電控單元硬件電路包括輸入級電路、微控制器和輸出級電路三大部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
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1 微控制器
??? 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)中選用了32位高性能微控制器MPC564，其主要功能模塊有：
??? · 最高主頻56M的精簡指令集CPU；
??? · 64bit浮點(diǎn)數(shù)單元（FPU），支持高級語言編程；
??? · 512KB FLASH+32KB SRAM；
??? · 獨(dú)立工作雙時(shí)間處理單元（TPU3）；
??? · 模塊化輸入輸出系統(tǒng)（MIOS）；
??? · 雙隊(duì)列模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（QADC）；
??? · 三個(gè)CAN2.0B控制器模塊（TOUCAN）；
??? · 增強(qiáng)型隊(duì)列串行多通道模塊（QSMCM）。
??? MPC564微控制器不僅具有高速運(yùn)算、實(shí)時(shí)輸入和輸出、高速AD轉(zhuǎn)換的能力，同時(shí)其卓越的集成模塊，如TPU、CAN等專門為汽車電子量身定制，使得電控單元無需過多外接功能驅(qū)動(dòng)芯片，硬件布線減少，成本降低，有助于提高系統(tǒng)的可靠性。
2 輸入級電路
??? (1)電源管理模塊
??? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，電源部分占有重要地位，它直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。PC33994是Freescale公司的一款中等功率的集成芯片，它能提供5V和2.6V的微控制器主電源以及5V的傳感器供電電源，同時(shí)還帶有3.3V備用電源?；倦娐啡鐖D2所示。
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??? (2)曲軸位置傳感器
??? 曲軸位置傳感器為電磁式傳感器，輸出差分的頻率/脈沖信號，電壓波動(dòng)范圍為400mV～40V。曲軸位置信號決定各缸何時(shí)噴油及點(diǎn)火，它是發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元正常工作的基礎(chǔ)。該信號的處理電路非常重要，而且精度要求高，否則會引起發(fā)動(dòng)機(jī)工作混亂。設(shè)計(jì)中選用NCV7001芯片進(jìn)行信號處理，通過濾波、限幅、比較和整型等處理環(huán)節(jié)得到微控制器識別的方波信號?；倦娐啡鐖D3所示。
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??? (3)氧傳感器
????氧傳感器監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣，根據(jù)空燃比產(chǎn)生電壓信號，該信號的輸出電壓在0V～1V連續(xù)變化。由于信號幅值低、變化范圍窄且高頻干擾等因素較多，需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娐诽幚?，方可輸入微控制器?a class="cblue" href="http://theprogrammingfactory.com/search/?q=A/D" title="A/D">A/D通道。設(shè)計(jì)中選用NSC公司的LM9040芯片，通過濾波、放大、比較電路將氧傳感器信號轉(zhuǎn)換為適合5V參考電壓的A/D轉(zhuǎn)換輸入信號，如圖4所示。
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????(4)爆震傳感器
????爆震信號由壓電式爆震傳感器采集，爆震發(fā)生的頻率范圍在5kHz～15kHz，電壓幅值范圍±1.5V，波形的峰值和頻率隨敲擊的強(qiáng)度不同而不同。爆震信號采用Intersil公司的HIP9011進(jìn)行處理，該芯片包括兩個(gè)輸入通道，一個(gè)去假頻的低通連續(xù)時(shí)間濾波器、兩個(gè)帶通電容濾波器、兩個(gè)平方運(yùn)算電路、兩個(gè)可編程增益級、兩個(gè)積分器和一個(gè)單端轉(zhuǎn)換器。輸入信號經(jīng)處理后輸出模擬量信號進(jìn)入微控制器的A/D通道，基本電路如圖5所示。
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??? (5)其他傳感器
??? 進(jìn)氣歧管壓力、節(jié)氣門位置、冷卻水溫、進(jìn)氣溫度傳感器輸出信號均為模擬量，變動(dòng)范圍為0V～5V，經(jīng)電路處理后輸入控制器的A/D通道。圖6為進(jìn)氣歧管壓力傳感器信號處理電路，其他輸入信號的處理與其大致相同。圖6中運(yùn)算放大器接成射極跟隨器，起阻抗匹配作用，兩個(gè)二極管起保護(hù)作用，RC回路構(gòu)成一個(gè)低通濾波器。
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3 輸出級電路
??? (1)噴油驅(qū)動(dòng)電路
??? 噴油信號是電控單元最重要的輸出信號之一，該信號驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放奠定了硬件基礎(chǔ)。噴油驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，MC33293是Motorola公司專門為汽車電子和工業(yè)控制設(shè)計(jì)的4路低側(cè)功率驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片每個(gè)通道最大輸出電流3A，工作電壓9V～14.5V,控制輸入與微控制器兼容，漏源極鉗位電壓65V。圖7中Input1-4為輸入信號，Output1-4為輸出信號（接噴油器線圈），控制信號低電平時(shí)觸發(fā)?？赏ㄟ^對Single/Dual的置位、清零操作實(shí)現(xiàn)4路獨(dú)立控制輸出，或者2路分組控制輸出(即Input1&2控制Output1-2；Input3&4 控制Output3-4)。驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)具有超載、未接負(fù)載、對地短路等保護(hù)電路，可檢測噴油器故障，對系統(tǒng)的故障診斷提供了硬件支持。
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??? (2)點(diǎn)火控制電路
??? 賽歐479QE型發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火線圈和點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器集成一體安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，電控單元輸出的點(diǎn)火信號經(jīng)過光電隔離后送到驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的大功率驅(qū)動(dòng)管在點(diǎn)火信號的作用下交替截止、導(dǎo)通，從而控制點(diǎn)火線圈初級電流切斷與導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火功能，點(diǎn)火控制電路如圖8所示。
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??? (3)怠速控制閥驅(qū)動(dòng)電路
??? 怠速控制閥由兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路采用SAA1042芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片內(nèi)部集成了3個(gè)輸入級模塊，1個(gè)邏輯控制部分和2個(gè)輸出級模塊，可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)和全步/半步等控制功能，其中對偏置電阻R22的合理配置可以優(yōu)化電機(jī)效率?；倦娐啡鐖D9所示。
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??? (4)汽油泵、活性炭罐控制閥驅(qū)動(dòng)
??? 汽油泵與活性炭罐電磁閥的控制選用MC33385芯片，基本電路如圖10所示，該芯片四個(gè)CMOS輸入NON1～NON4支持輸入頻率0～1kHz，平均輸出電流2.5A，且芯片輸出端具有過電流、對地短路、負(fù)載短路和過溫度的邏輯診斷識別功能，適用于電磁閥等一類執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)。
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??? (4)通訊接口
??? 為實(shí)現(xiàn)電控單元和標(biāo)定軟件或車內(nèi)其他為控制器之間的通訊及數(shù)據(jù)共享，通訊接口的設(shè)計(jì)是必須的。MPC564集成了三路CAN2.0B控制模塊，電控單元中只需增加一個(gè)收發(fā)器即可完成高速通訊，本設(shè)計(jì)中選用Philips公司的PCA82C250收發(fā)器，其傳輸數(shù)率高達(dá)1Mb/s，接口電路如圖11所示。
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??? 當(dāng)電控單元作為實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)測試平臺時(shí)，需對電控單元進(jìn)行監(jiān)控，隨時(shí)改變各控制參數(shù)，或進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集。此時(shí)電控單元作為下位機(jī)，上位機(jī)（PC）則需要增加CAN總線PC采集卡，實(shí)現(xiàn)MPC564與PC之間基于高速CAN總線的數(shù)據(jù)通訊。對傳輸速率要求不高的地方，MPC564提供了串口通訊方式，可以直接與監(jiān)控PC進(jìn)行通訊。
??? 本電控單元的設(shè)計(jì)定位于高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，融合了大量最新的電子器件和電子技術(shù)。處理器采用功能強(qiáng)大的32位PowerPC，具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，處理速度快，內(nèi)部Flash、RAM容量大，足以加載更高級的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可屏蔽底層設(shè)備，提供多進(jìn)程的并行操作，合理調(diào)度不同的任務(wù)，使開發(fā)者集中精力關(guān)注算法的實(shí)現(xiàn)。信號處理模塊采用集成模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊具有在線錯(cuò)誤診斷和保護(hù)功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，使本系統(tǒng)成為高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元。
參考文獻(xiàn)
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