基于MPC564的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元硬件設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)是汽車(chē)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(duì)汽車(chē)安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的要求越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，對(duì)控制芯片的要求也隨之提高。32位微控制器功能強(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(guó)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)外存在明顯的差距，研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元對(duì)我國(guó)的汽車(chē)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(duì)賽歐轎車(chē)479QE型汽油機(jī)進(jìn)行了電控單元的硬件設(shè)計(jì)，臺(tái)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(jí)電路、微控制器和輸出級(jí)電路三大部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


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(shì)，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(jiǎn)指令集CPU；
· 64bit浮點(diǎn)數(shù)單元（FPU），支持高級(jí)語(yǔ)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(zhuān)門(mén)為汽車(chē)電子量身定制，使得電控單元無(wú)需過(guò)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(jí)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。


(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(hào)，電壓波動(dòng)范圍為400mV～40V。曲軸位置信號(hào)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(hào)的處理電路非常重要，而且精度要求高，否則會(huì)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(hào)處理，通過(guò)濾波、限幅、比較和整型等處理環(huán)節(jié)得到微控制器識(shí)別的方波信號(hào)?；倦娐啡鐖D3所示。


(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(hào)，該信號(hào)的輸出電壓在0V～1V連續(xù)變化。由于信號(hào)幅值低、變化范圍窄且高頻干擾等因素較多，需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)碾娐诽幚?，方可輸入微控制器的A/D通道。設(shè)計(jì)中選用NSC公司的LM9040芯片，通過(guò)濾波、放大、比較電路將氧傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合5V參考電壓的A/D轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)，如圖4所示。


(4)爆震傳感器

爆震信號(hào)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(hào)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(jí)、兩個(gè)積分器和一個(gè)單端轉(zhuǎn)換器。輸入信號(hào)經(jīng)處理后輸出模擬量信號(hào)進(jìn)入微控制器的A/D通道，基本電路如圖5所示。


(5)其他傳感器

進(jìn)氣歧管壓力、節(jié)氣門(mén)位置、冷卻水溫、進(jìn)氣溫度傳感器輸出信號(hào)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(hào)處理電路，其他輸入信號(hào)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。


3 輸出級(jí)電路

(1)噴油驅(qū)動(dòng)電路

噴油信號(hào)是電控單元最重要的輸出信號(hào)之一，該信號(hào)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(zhuān)門(mén)為汽車(chē)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(hào)，Output1-4為輸出信號(hào)（接噴油器線圈），控制信號(hào)低電平時(shí)觸發(fā)?？赏ㄟ^(guò)對(duì)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Input12控制Output1-2；Input34 控制Output3-4)。驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)具有超載、未接負(fù)載、對(duì)地短路等保護(hù)電路，可檢測(cè)噴油器故障，對(duì)系統(tǒng)的故障診斷提供了硬件支持。