基于MPC564的发动机电控单元硬件设计

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发动机电子控制技术是汽车电子领域的关键技术，随着欧洲排放法规的日益严格化，以及对汽车安全、节能、环保、舒适、方便的要求越来越高，发动机电子控制单元的功能也越来越强大，对控制芯片的要求也随之提高。32位微控制器功能强大，提供了低功耗、高性能的处理能力，目前已经逐渐取代8位、16位微控制器而成为主流应用产品。我国在汽车发动机电子控制等关键技术领域与国外存在明显的差距，研究具有自主知识产权的发动机电子控制单元对我国的汽车工业发展具有重要的战略意义。本文基于Freescale公司的32位高性能控制芯片MPC564对赛欧轿车479QE型汽油机进行了电控单元的硬件设计，台架试验表明硬件设计方案可行。

电控单元硬件电路包括输入级电路、微控制器和输出级电路三大部分，其结构框图如图1所示。


1 微控制器
根据发动机电控技术的发展趋势，设计中选用了32位高性能微控制器MPC564，其主要功能模块有：
· 最高主频56M的精简指令集CPU；
· 64bit浮点数单元（FPU），支持高级语言编程；
· 512KB FLASH+32KB SRAM；
· 独立工作双时间处理单元（TPU3）；
· 模块化输入输出系统（MIOS）；
· 双队列模数转换模块（QADC）；
· 三个CAN2.0B控制器模块（TOUCAN）；
· 增强型队列串行多通道模块（QSMCM）。
MPC564微控制器不仅具有高速运算、实时输入和输出、高速AD转换的能力，同时其卓越的集成模块，如TPU、CAN等专门为汽车电子量身定制，使得电控单元无需过多外接功能驱动芯片，硬件布线减少，成本降低，有助于提高系统的可靠性。

2 输入级电路

(1)电源管理模块

系统的硬件设计中，电源部分占有重要地位，它直接影响系统的稳定性、可靠性和抗干扰能力。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的微控制器主电源以及5V的传感器供电电源，同时还带有3.3V备用电源。基本电路如图2所示。


(2)曲轴位置传感器

曲轴位置传感器为电磁式传感器，输出差分的频率/脉冲信号，电压波动范围为400mV～40V。曲轴位置信号决定各缸何时喷油及点火，它是发动机电控单元正常工作的基础。该信号的处理电路非常重要，而且精度要求高，否则会引起发动机工作混乱。设计中选用NCV7001芯片进行信号处理，通过滤波、限幅、比较和整型等处理环节得到微控制器识别的方波信号。基本电路如图3所示。


(3)氧传感器

氧传感器监视发动机废气，根据空燃比产生电压信号，该信号的输出电压在0V～1V连续变化。由于信号幅值低、变化范围窄且高频干扰等因素较多，需要经过适当的电路处理，方可输入微控制器的A/D通道。设计中选用NSC公司的LM9040芯片，通过滤波、放大、比较电路将氧传感器信号转换为适合5V参考电压的A/D转换输入信号，如图4所示。


(4)爆震传感器

爆震信号由压电式爆震传感器采集，爆震发生的频率范围在5kHz～15kHz，电压幅值范围±1.5V，波形的峰值和频率随敲击的强度不同而不同。爆震信号采用Intersil公司的HIP9011进行处理，该芯片包括两个输入通道，一个去假频的低通连续时间滤波器、两个带通电容滤波器、两个平方运算电路、两个可编程增益级、两个积分器和一个单端转换器。输入信号经处理后输出模拟量信号进入微控制器的A/D通道，基本电路如图5所示。


(5)其他传感器

进气歧管压力、节气门位置、冷却水温、进气温度传感器输出信号均为模拟量，变动范围为0V～5V，经电路处理后输入控制器的A/D通道。图6为进气歧管压力传感器信号处理电路，其他输入信号的处理与其大致相同。图6中运算放大器接成射极跟随器，起阻抗匹配作用，两个二极管起保护作用，RC回路构成一个低通滤波器。


3 输出级电路

(1)喷油驱动电路

喷油信号是电控单元最重要的输出信号之一，该信号驱动电路的设计为发动机燃烧和排放奠定了硬件基础。喷油驱动电路如图7所示，MC33293是Motorola公司专门为汽车电子和工业控制设计的4路低侧功率驱动芯片。该芯片每个通道最大输出电流3A，工作电压9V～14.5V,控制输入与微控制器兼容，漏源极钳位电压65V。图7中Input1-4为输入信号，Output1-4为输出信号（接喷油器线圈），控制信号低电平时触发。可通过对Single/Dual的置位、清零操作实现4路独立控制输出，或者2路分组控制输出(即Input1&2控制Output1-2；Input3&4 控制Output3-4)。驱动芯片内具有超载、未接负载、对地短路等保护电路，可检测喷油器故障，对系统的故障诊断提供了硬件支持。


(2)点火控制电路

赛欧479QE型发动机的点火线圈和点火驱动器集成一体安装在发动机上，电控单元输出的点火信号经过光电隔离后送到驱动器，驱动器内的大功率驱动管在点火信号的作用下交替截止、导通，从而控制点火线圈初级电流切断与导通，实现点火功能，点火控制电路如图8所示。


(3)怠速控制阀驱动电路

怠速控制阀由两相步进电机驱动，驱动电路采用SAA1042芯片实现，该芯片内部集成了3个输入级模块，1个逻辑控制部分和2个输出级模块，可实现正转/反转和全步/半步等控制功能，其中对偏置电阻R22的合理配置可以优化电机效率。基本电路如图9所示。


(4)汽油泵、活性炭罐控制阀驱动

汽油泵与活性炭罐电磁阀的控制选用MC33385芯片，基本电路如图10所示，该芯片四个CMOS输入NON1～NON4支持输入频率0～1kHz，平均输出电流2.5A，且芯片输出端具有过电流、对地短路、负载短路和过温度的逻辑诊断识别功能，适用于电磁阀等一类执行器的驱动。


(4)通讯接口

为实现电控单元和标定软件或车内其他为控制器之间的通讯及数据共享，通讯接口的设计是必须的。MPC564集成了三路CAN2.0B控制模块，电控单元中只需增加一个收发器即可完成高速通讯，本设计中选用Philips公司的PCA82C250收发器，其传输数率高达1Mb/s，接口电路如图11所示。

当电控单元作为实验室发动机测试平台时，需对电控单元进行监控，随时改变各控制参数，或进行大量数据采集。此时电控单元作为下位机，上位机（PC）则需要增加CAN总线PC采集卡，实现MPC564与PC之间基于高速CAN总线的数据通讯。对传输速率要求不高的地方，MPC564提供了串口通讯方式，可以直接与监控PC进行通讯。

本电控单元的设计定位于高性能的发动机控制单元，融合了大量最新的电子器件和电子技术。处理器采用功能强大的32位PowerPC，具有浮点运算单元，处理速度快，内部Flash、RAM容量大，足以加载更高级的嵌入式实时操作系统，可屏蔽底层设备，提供多进程的并行操作，合理调度不同的任务，使开发者集中精力关注算法的实现。信号处理模块采用集成模块，功率驱动模块具有在线错误诊断和保护功能，大大提高了系统的可靠性、稳定性，使本系统成为高性能的发动机电子控制单元。