基于MPC5500和新一代SMARTMOS器件的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)電子控制單元參考設(shè)計

摘要：全球范圍汽車尾氣排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)對發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)也提出了更高的要求：控制精度更高，控制功能愈加復(fù)雜，以及完善的在板診斷功能 (On Board Diagnostic，OBD)。飛思卡爾半導(dǎo)體應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，提出了基于MPC5500 系列32 位Power Architecture微控制器和新一代智能功率器件SMARTMOSTM的發(fā)動機(jī)電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)參考設(shè)計。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)；電子控制單元(ECU)；飛思卡爾；MPC5500；智能功率器件SMARTMOS

前言

　　現(xiàn)代先進(jìn)的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)在提高燃油經(jīng)濟(jì)性和控制尾氣排放方面都達(dá)到了很高的水平，這其中電子控制單元(ECU)的軟件和硬件性能至關(guān)重要。飛思卡爾(Freescale Semiconductor)作為全球領(lǐng)先的汽車電子半導(dǎo)體供應(yīng)商，提供了包括微控制器(MCU)、傳感器、電源管理器件、功率驅(qū)動器件、以及符合AUTOSAR(AUTomotive Open SystemARchitecture)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時操作系統(tǒng)和底層驅(qū)動軟件在內(nèi)的動力傳動(Powertrain)系統(tǒng)解決方案?？蓱?yīng)用于汽油機(jī)管理系統(tǒng)，柴油高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，自動變速箱和CVT 控制系統(tǒng)，混合動力以及燃料電池控制系統(tǒng)。

　　本文介紹了基于MPC5500 系列32 位Power Architecture微控制器和新一代智能功率器件SMARTMOSTM的汽油/柴油發(fā)動機(jī)電子控制單元(ECU)參考設(shè)計。

發(fā)動機(jī)電子控制單元參考設(shè)計系統(tǒng)框架

　　以典型的汽油發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)為例，飛思卡爾的參考設(shè)計系統(tǒng)框架如圖1。

　　圖1中左側(cè)是信號輸入：溫度、壓力、油門踏板和節(jié)氣門位置等傳感器輸出的模擬信號經(jīng)濾波電路由MPC5500 的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊采集；曲軸轉(zhuǎn)角，凸輪軸正時位置，車速等頻率信號經(jīng)MPC5500 的eTPU 模塊采集并處理；爆震傳感器輸出的高頻信號在eTPU 確定的曲軸轉(zhuǎn)角窗口內(nèi)通過高速ADC 采樣，并經(jīng)軟件濾波和積分處理算法，可以實(shí)現(xiàn)片上軟件檢測爆震功能，為系統(tǒng)節(jié)省專用爆震處理芯片的成本。

　　空調(diào)請求開關(guān)、外部負(fù)載接合、制動踏板、離合器狀態(tài)等開關(guān)量信號，由智能開關(guān)檢測芯片采集并通過SPI 接口傳輸結(jié)果，可節(jié)省MCU 的I/O 資源。此芯片還具有最大32mA濕電流輸出功能，可被用來保護(hù)開關(guān)觸點(diǎn)接觸面不被氧化。

　　各傳感器采集的發(fā)動機(jī)工況信號提供給主MCU 內(nèi)部復(fù)雜的控制軟件，以計算確定噴油、點(diǎn)火等控制參數(shù)并執(zhí)行輸出。圖中右側(cè)是信號輸出：各智能功率驅(qū)動器件都支持并行與SPI 串行兩種方式驅(qū)動，SPI還用于和MCU交換配置參數(shù)及故障診斷信息，高頻信號(如噴油、點(diǎn)火脈沖)均采用并行驅(qū)動方式。

　　·32位主微控制器：32-bit Power Architecture MPC5500系列
　　·8位監(jiān)控微控制器：MC9S08SG8
　　·智能功率器件SMARTMOSTM

　　- 通訊接口
　　MC33902：高速CAN 總線收發(fā)器
　　MC33661：LIN 總線收發(fā)器

　　- 功率驅(qū)動
　　MC33800：多功能智能功率驅(qū)動芯片
　　MC33810：4 通道噴油器驅(qū)動和點(diǎn)火線圈IGBT 預(yù)驅(qū)動芯片，根據(jù)6 缸/8 缸不同應(yīng)
用可使用多片并聯(lián)。
　　MC33926： H-Bridge 驅(qū)動芯片(用于電控節(jié)氣門)

　　- 信號監(jiān)測
　　MC33975：22 路開關(guān)量檢測芯片，帶睡眠喚醒和32mA 濕電流輸出功能
　　MC33811：5 通道電磁線圈負(fù)載監(jiān)測芯片

　　- 電源管理
　　MC33730：板級電源管理芯片

面向動力傳動系統(tǒng)設(shè)計的MPC5500產(chǎn)品家族

　　32 位MPC5500系列微控制器是面向Powertrain應(yīng)用開發(fā)的新一代產(chǎn)品，其前身是在業(yè)界已經(jīng)成熟應(yīng)用的MPC500 家族。MPC5500基于高性能的Power Architecture e200RISC 內(nèi)核，衍生出覆蓋高中低檔應(yīng)用需求的產(chǎn)品系列。最高總線頻率可達(dá)180MHz，片內(nèi)最多集成3M bytes帶ECC功能的Flash，并支持100k 次Flash 塊擦寫壽命和長達(dá)20年的數(shù)據(jù)保存時間。MPC5500 系列的第一款產(chǎn)品MPC5554，已經(jīng)在全球供貨超過兩百萬片。




　　MPC5500 系列具有優(yōu)秀的軟件和硬件兼容性。不同型號相同管腳封裝的芯片保證100％管腳兼容，對同一型號不同封裝的芯片 (208pin /324pin /416pin BGA)保持軟件全兼容，極大方便了用戶進(jìn)行平臺開發(fā)和形成產(chǎn)品系列化。在項目起始階段用戶可選擇片內(nèi)資源和管腳都比較豐富的芯片作原型機(jī)設(shè)計，待產(chǎn)品基本定型，再根據(jù)實(shí)際I/O 和Flash 資源需求選定一款性能價格比最優(yōu)的芯片投入生產(chǎn)。當(dāng)中軟件和硬件的移植基本不增加額外的工作量，同時也有利于控制BOM成本。