基于MPC555的開放式汽車電子控制平臺

本設(shè)計在基于MPC555微控制器硬件平臺基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個開放的符合OSEKIVDX標(biāo)準(zhǔn)的汽車電子控制平臺。

開放式汽車電控單元設(shè)計的關(guān)鍵問題

根據(jù)IEEE的定義，開放式控制系統(tǒng)必須使相應(yīng)的執(zhí)行程序能夠運行于來源不同的平臺，與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行無縫的連接和相互操縱，并為用戶提供一個具有一致風(fēng)格的交互接口。這一定義明確的提出了開放式控制系統(tǒng)的特點和設(shè)計的關(guān)鍵，即可互操作、可復(fù)用、可擴展以及可互換。

另外，由于車輛使用環(huán)境變化較大，控制系統(tǒng)要求有較強的適應(yīng)性，能夠根據(jù)環(huán)境的變化進(jìn)行系統(tǒng)動態(tài)配置，在線切換算法組件和改變組件間的互連等。

在硬件方面，由于硬件結(jié)構(gòu)相對固定，系統(tǒng)升級基本采用部件替換或者增減的方式，更新周期也相對較長。因此，其開放性著重考慮的是硬件系統(tǒng)在汽車控制領(lǐng)域的通用性和適應(yīng)性，也就是說硬件系統(tǒng)應(yīng)該適應(yīng)車載控制系統(tǒng)針對不同控制對象和控制模型的資源需要，同時也應(yīng)注意系統(tǒng)開放互連的硬件支持。

OpenECU的硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件架構(gòu)采用Freescale公司的MPC555作為控制核心，由電源模塊、存儲系統(tǒng)、復(fù)位電路和接口模塊幾部分組成。由于系統(tǒng)是面向汽車電子應(yīng)用的，為保證系統(tǒng)的在汽車電子領(lǐng)域的開放性，應(yīng)對汽車電子領(lǐng)域常用的接口信號進(jìn)行處理，采用相應(yīng)的專用接口芯片以滿足要求。同時，系統(tǒng)提供豐富的 I/O資源也有利于滿足開放性的要求。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1 系統(tǒng)CPU選擇方案

平臺選用專為汽車電子等領(lǐng)域開發(fā)的處理器MPC555。基于對MPC500系列微控制器功能分析，選用MPC555的原因有如下幾點：CPU處理能力可以滿足算法對計算任務(wù)和浮點運算能力的需求；片上資源豐富，很多功能模塊，如TPU、MDA和CAN等，是專門為汽車電子行業(yè)量身定制的，片上多種控制功能模塊的集成，使得系統(tǒng)無須過多外接功能驅(qū)動芯片，且硬件布線減少，成本降低，有助于提高系統(tǒng)的可靠性；有較大的內(nèi)部存儲器容量，用戶可以在滿足要求的情況下自由選擇是否使用外部存儲器，這有利于節(jié)約成本，提高可靠性。

2 外擴存儲器系統(tǒng)的設(shè)計

MPC555微控制器片內(nèi)有448KB Flash，只提供32KB的SRAM，可能在某些復(fù)雜的控制場合存儲空間是不夠用的，為增強適應(yīng)性，為用戶提供足夠的資源，本設(shè)計還外接SRAM和Flash存儲器芯片。Flash選用AMD公司的AM29LV160DB，共2片?？偞鎯θ萘繛?MB。讀寫操作供電電壓范圍2.7～3.6V，訪問時間為90ns。SRAM選用ISSI公司的IC61LV5128-10T芯片，共4片，總存儲容量為2MB。訪問時間為10ns，供電電壓3.3V。

MPC555中的存儲器控制器提供了對EPROM、靜態(tài)RAM、Flash、EEPROM和其他外圍設(shè)備的接口能力，共提供四個存儲區(qū)段，分別由四根片選信號線CS[0]～CS[3]來進(jìn)行選擇，支持讀寫操作。CS[0]還作為系統(tǒng)自舉時，程序入口地址區(qū)段的選擇信號線。根據(jù)這個特性可以把系統(tǒng)配置成Flash啟動方式。CS[1]作為SRAM的外擴片選信號。圖2給出MPC555微控制器外擴Flash和SRAM存儲器的連接圖。其中WE[0:3]/BE[0:3]為寫使能/字節(jié)使能信號線，其中WE[0]/BE[0]確認(rèn)數(shù)據(jù)總線DATA[0:7]上的有效數(shù)據(jù)，WE[1]/BE[1]確認(rèn)數(shù)據(jù)總線DATA[8:15]上的有效數(shù)據(jù)，WE[2]/BE[2]確認(rèn)數(shù)據(jù)總線DATA[16:23]上的有效數(shù)據(jù)，WE[3]/BE[3]確認(rèn)數(shù)據(jù)總線DATA[24:31]上的有效數(shù)據(jù)。OE為輸出有效信號，CE為片選有效信號。由于MPC555微處理器按字尋址，未使用地址線低兩位以避免發(fā)生地址沖突。

圖2 MPC555微控制器外擴Flash和SRAM存儲器的連接圖

3 Lamda傳感器信號調(diào)理

LM9040是由兩路獨立的Lamda氧氣傳感器采樣輸入的差分放大器組成的雙通道傳感器接口電路。Lamda傳感器監(jiān)視發(fā)動機廢氣，根據(jù)空燃比產(chǎn)生測量的電壓信號。LM9040可以將2V的傳感器差分測量信號轉(zhuǎn)換為適合5V參考電壓的A/D變換的輸出電壓。電路如圖3所示。

圖3 Lamda傳感器信號調(diào)理電路圖

4 CAN通信總線設(shè)計

為了實現(xiàn)動力總成控制系統(tǒng)中的分布式控制和實時數(shù)據(jù)交換，必須采用高傳輸速率、抗干擾能力強以及高可靠性的網(wǎng)絡(luò)總線方式。CAN總線以其突出的實時性、可靠性和靈活性的特點，在目前存在的多種汽車網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)中最具競爭實力。

MPC555中己經(jīng)內(nèi)嵌兩個CAN總線控制器模塊TouCAN，TouCAN符合CAN2.0B技術(shù)規(guī)范，兼容標(biāo)準(zhǔn)（11位標(biāo)志符）和擴展（29位標(biāo)志符）兩種報文格式，所以本設(shè)計采用集成控制器的方式來實現(xiàn)CAN節(jié)點。要進(jìn)行CAN總線通信，還需要連接一個CAN收發(fā)器，在本系統(tǒng)中，選用CAN控制器與物理總線之間的接口芯片PCA82C251。值得注意的是，總線兩端需加120Ω的電阻，對于匹配總線阻擾，起著相當(dāng)重要的作用。忽略掉它們，會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無法通信。通信介質(zhì)選用雙絞線。為了增強抗干擾能力，去除傳送信號過程中所產(chǎn)生的噪音，采用TDK公司特別為CAN總線使用而設(shè)計的高電感共態(tài)濾波器ZJYS81R5。

OpenECU的軟件系統(tǒng)設(shè)計

OpenECU的軟件系統(tǒng)根據(jù)開放性的要求，對用戶隱藏底層硬件和設(shè)備管理的細(xì)節(jié)，將系統(tǒng)分層封裝為硬件抽象層和操作系統(tǒng)層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 OpenECU軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件抽象層管理平臺的硬件資源包括三個主要的部分：硬件系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動、硬中斷管理和系統(tǒng)調(diào)試與診斷支持。它是系統(tǒng)的硬件中斷的管理者，生成和維護中斷向量表，提供操作系統(tǒng)中斷管理的支持；通過對硬件設(shè)備資源的封裝，為操作系統(tǒng)提供設(shè)備操作的入口；采用中斷驅(qū)動的方式響應(yīng)調(diào)試系統(tǒng)的服務(wù)，進(jìn)行系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視。

OSEKIVDX為車用嵌入式操作系統(tǒng)及其相關(guān)服務(wù)提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)，目的是促進(jìn)不同設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作能力，為軟件開發(fā)者提供統(tǒng)一的編程接口，以提高軟件的復(fù)用性和互換性。OpenECU選擇TH-OSEK操作系統(tǒng)作為管理軟硬件資源的系統(tǒng)平臺和用戶控制算法的運行平臺。主要是因為其實時性較強，具有規(guī)范的應(yīng)用程序接口，為控制模型提供標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)服務(wù)，可方便模型的實現(xiàn)和移植。另外，為了適用于廣泛的目標(biāo)處理器，支持運行在廣泛硬件基礎(chǔ)上的實時程序，OSEK操作系統(tǒng)具備高度模塊化和可靈活配置的特性。這些特點顯然是與OpenECU開放式開發(fā)平臺所希望達(dá)到的開放性相一致的。OpenECU利用操作系統(tǒng)完成設(shè)備的進(jìn)一步封裝，為控制模型提供了規(guī)范的服務(wù)接口，并滿足設(shè)備復(fù)用和控制實時性的要求，另外TH-OSEK操作系統(tǒng)定義了開放的網(wǎng)絡(luò)管理和通信系統(tǒng)，可以方便的實現(xiàn)控制節(jié)點的動態(tài)配置。

對于系統(tǒng)的診斷和測試，本設(shè)計側(cè)重于提供一個實現(xiàn)診斷和測試服務(wù)的平臺和手段，而不關(guān)心具體的診斷和測試項目，這部分功能用戶可以根據(jù)具體情況在系統(tǒng)支持下進(jìn)行定義。OSEK ORTI實現(xiàn)系統(tǒng)診斷測試應(yīng)用的基本服務(wù)支持，提供對OSEK操作系統(tǒng)進(jìn)行查詢和監(jiān)控的接口，通過這個接口上層的診斷服務(wù)可以獲取自己所關(guān)心的系統(tǒng)信息，并為診斷服務(wù)提供對目標(biāo)操縱的基本手段。這部分是系統(tǒng)診斷和測試功能的實現(xiàn)基礎(chǔ)，與診斷通信服務(wù)一起實現(xiàn)對目標(biāo)的分布式調(diào)試與診斷。

結(jié)束語

初步的實際使用證明，本平臺可以方便用戶構(gòu)建復(fù)合汽車控制系統(tǒng)，有效提高系統(tǒng)的可靠性，具有較高的實用價值。