摘要：全球范围汽车尾气排放法规的不断加严对发动机管理系统也提出了更高的要求：控制精度更高，控制功能愈加复杂，以及完善的在板诊断功能 (On Board Diagnostic，OBD)。飞思卡尔半导体应对这些挑战，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的发动机电子控制单元(Electronic Control Unit, ECU)参考设计。
关键词：发动机管理系统；电子控制单元(ECU)；飞思卡尔；MPC5500；智能功率器件SMARTMOS
前言
现代先进的发动机管理系统在提高燃油经济性和控制尾气排放方面都达到了很高的水平，这其中电子控制单元(ECU)的软件和硬件性能至关重要。飞思卡尔(Freescale Semiconductor)作为全球领先的汽车电子半导体供应商，提供了包括微控制器(MCU)、传感器、电源管理器件、功率驱动器件、以及符合AUTOSAR(AUTomotive Open SystemARchitecture)标准的实时操作系统和底层驱动软件在内的动力传动(Powertrain)系统解决方案。可应用于汽油机管理系统，柴油高压共轨燃油喷射系统，自动变速箱和CVT 控制系统，混合动力以及燃料电池控制系统。
本文介绍了基于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/柴油发动机电子控制单元(ECU)参考设计。
发动机电子控制单元参考设计系统框架
以典型的汽油发动机控制系统为例，飞思卡尔的参考设计系统框架如图1。
图1中左侧是信号输入：温度、压力、油门踏板和节气门位置等传感器输出的模拟信号经滤波电路由MPC5500 的高速模数转换(ADC)模块采集；曲轴转角，凸轮轴正时位置，车速等频率信号经MPC5500 的eTPU 模块采集并处理；爆震传感器输出的高频信号在eTPU 确定的曲轴转角窗口内通过高速ADC 采样，并经软件滤波和积分处理算法，可以实现片上软件检测爆震功能，为系统节省专用爆震处理芯片的成本。
空调请求开关、外部负载接合、制动踏板、离合器状态等开关量信号，由智能开关检测芯片采集并通过SPI 接口传输结果，可节省MCU 的I/O 资源。此芯片还具有最大32mA湿电流输出功能，可被用来保护开关触点接触面不被氧化。
各传感器采集的发动机工况信号提供给主MCU 内部复杂的控制软件，以计算确定喷油、点火等控制参数并执行输出。图中右侧是信号输出：各智能功率驱动器件都支持并行与SPI 串行两种方式驱动，SPI还用于和MCU交换配置参数及故障诊断信息，高频信号(如喷油、点火脉冲)均采用并行驱动方式。
・32位主微控制器：32-bit Power Architecture MPC5500系列
・8位监控微控制器：MC9S08SG8
・智能功率器件SMARTMOSTM
- 通讯接口
MC33902：高速CAN 总线收发器
MC33661：LIN 总线收发器
- 功率驱动
MC33800：多功能智能功率驱动芯片
MC33810：4 通道喷油器驱动和点火线圈IGBT 预驱动芯片，根据6 缸/8 缸不同应
用可使用多片并联。
MC33926： H-Bridge 驱动芯片(用于电控节气门)
- 信号监测
MC33975：22 路开关量检测芯片，带睡眠唤醒和32mA 湿电流输出功能
MC33811：5 通道电磁线圈负载监测芯片
- 电源管理
MC33730：板级电源管理芯片
面向动力传动系统设计的MPC5500产品家族
32 位MPC5500系列微控制器是面向Powertrain应用开发的新一代产品，其前身是在业界已经成熟应用的MPC500 家族。MPC5500基于高性能的Power Architecture e200RISC 内核，衍生出覆盖高中低档应用需求的产品系列。最高总线频率可达180MHz，片内最多集成3M bytes带ECC功能的Flash，并支持100k 次Flash 块擦写寿命和长达20年的数据保存时间。MPC5500 系列的第一款产品MPC5554，已经在全球供货超过两百万片。
MPC5500 系列具有优秀的软件和硬件兼容性。不同型号相同管脚封装的芯片保证100％管脚兼容，对同一型号不同封装的芯片 (208pin /324pin /416pin BGA)保持软件全兼容，极大方便了用户进行平台开发和形成产品系列化。在项目起始阶段用户可选择片内资源和管脚都比较丰富的芯片作原型机设计，待产品基本定型，再根据实际I/O 和Flash 资源需求选定一款性能价格比最优的芯片投入生产。当中软件和硬件的移植基本不增加额外的工作量，同时也有利于控制BOM成本。
eTPU 是专用于定时和频率信号处理的模块，其内部的RISC 协处理器可以独立于CPU 运行。飞思卡尔提供了面向发动机控制应用的eTPU 函数库，如曲轴转角测量、喷油脉冲输出、点火脉冲输出、凸轮轴相位检测等，使用户可以专注于发动机本体控制算法的设计。
面向发动机控制应用的智能功率驱动芯片SMARTMOS
MC33800
MC33800 是一款集成了多种功能的智能功率驱动芯片，其输出通道包括：
2 路可编程的恒流源驱动，带有叠加的电流抖动控制，适用于驱动自动变速箱执行器电磁阀
。
8 路低端开关，其中1、2 两路具有较高驱动电流(6A)，可以用来驱动指示灯等感性负载，其余通道可用来驱动继电器或电磁阀。其中相邻2 路可并联(如1/2，3/4)以增加驱动能力。通过并行或SPI 串行通讯两种方式驱动。
6 路MOSFET 预驱动，支持PWM输出。可以用来驱动燃油泵，冷却风扇电机，氧传感器加热，EGR 或碳罐清洗电磁阀。在片内还集成了负载电阻测量功能，可以实现加热型氧传感器(HEGO)的负载诊断功能。
这款芯片具有过压，欠压和过热保护功能，输出驱动和开关具有过电流保护，开路检测、短路检测和SPI 故障信息反馈功能。
MC33810
MC33810 是一款同时集成了喷油器驱动和点火线圈预驱动的芯片，高集成度可以节省电路板上器件数量和布局空间，是应用于四缸汽油发动机的理想选择。输出通道包括：
4 路低端开关，用来直接驱动喷油器。
4 路(IGBT/MOSFET)预驱动，支持PWM输出。可以用来驱动IBGT 控制点火线圈，也可以作为通用的PWM输出驱动MOSFET。当设置为IGBT 预驱动功能时，还提供了初级线圈闭合时间，点火时间和点火线圈次级电流的检测功能。
这款芯片具有过流、过热和对电源短路保护功能，输出驱动具有开路检测、短路检测和SPI 故障信息反馈功能。
MC33811
MC33811 是一款带有5 路电磁线圈负载监测功能的智能芯片。它通过检测和分析通过线圈的电流波形来判断当前负载是否工作正常，通过SPI 端口设置工作模式并返回检测结果。
在发动机控制应用中，MC33811提供的诊断功能可以及时汇报喷油器故障，以防止损坏发动机。同时还可以用于其他需要诊断电磁阀的应用中，如变速箱控制器或电磁气门控制器。
MC33926
MC33926是一款具有5A电流输出的H-Bridge智能功率驱动芯片，满足汽车工作环境的严苛要求。典型应用为发动机电控节气门电机控制，也可以作普通双向直流电机控制，例如EGR电磁阀。
MC33926 具有输出电流限流功能以保护电机，输出对电源或对地短路保护，带滞回区的过温关断保护等功能。同时带有输出电流反馈以实现闭环电机调速或扭矩控制。
符合AUTOSAR 规范的RTOS 和底层驱动软件支持
飞思卡尔半导体作为第一个加入AUTOSAR 组织的半导体器件供应商，提供符合AUTOSAR R2.1 最新规范的底层驱动软件和实时操作系统。随着AUTOSAR 日趋成熟，并逐渐为世界主要汽车制造商和一级零部件供应商所采纳，飞思卡尔也准备好为用户提供各级设计应用支持。
飞思卡尔提供的AUTOSAR 基础软件包有：微控制器抽象层驱动MCAL(Microcontroller Abstraction Layer )，I/O 硬件抽象层驱动以及基于EEPROM模拟的存储器硬件抽象层驱动。目前产品可支持S12X，MPC556X 和MPC551X 微控制器平台，并在不断更新扩展。
操作系统方面提供符合AUTOSAR 规范的4 级可裁减的实时操作系统。
・SC1―确定性的RTOS 基础(tasks, events, counters, alarms, messages)
・SC2―基于时间的任务管理(low-latency, precise timing for periodic tasks)
・SC3―任务级的内存保护(MMU/MPU)，以避免安全系统的内存冲突问题
・SC4―任务级的时间和内存保护，充分利用芯片的功能，以提供汽车领域RTOS 的安全保护
参考设计PCB 板布局
结语
本文介绍了飞思卡尔基于MPC5500 和智能功率器件的发动机控制单元参考设计，在满足现代发动机复杂控制要求的同时，也为用户带来很大的设计优势：
*满足典型发动机控制应用中负载和器件的电压、电流指标；
*片内集成的诊断和监控功能，有助于实现系统功能完整性和可维护性；
*高集成度的器件实现了电路板的简化布线和紧凑布局；
*MCU 与外围器件通过并行或SPI 串行方式通讯，实现灵活简便的控制连接；
*片内集成了面向发动机控制应用而设计的特殊功能和特性；
*32 位MCU 家族良好的兼容性和扩展性方便用户进行平台开发和产品系列设计。
在硬件参考设计的基础上，飞思卡尔还开发了符合AUTOSAR 规范的底层驱动软件和实时操作系统等软件包，为用户提供系统级应用解决方案及设计支持。
参考文献：
1． MC33800 Fact Sheet, MC33800FS, Rev 2, Freescale Semiconductor, 2007
2． MC33810 Fact Sheet, MC33810FS, Rev 0, Freescale Semiconductor, 2007
3． MC33811 Fact Sheet, MC33811FS, Rev 0, Freescale Semiconductor, 2007
4． MC33926 Fact Sheet, MC33926FS, Rev 0, Freescale Semiconductor, 2007
5． MC33975 Fact Sheet, MC33975FS, Rev 4, Freescale Semiconductor, 2007
6． MPC5554 and MPC5553 Reference Manual, Rev 4.0, 2007
7． MPC5554 datasheet, Rev 2.0, 2007
8． Freescale’s e200 Core Family, E200CORELCNWP, Rev 0, 2007
9． AUTOSARA4FS, Rev 0, 2007
作者：杨斌 康晓敦 飞思卡尔半导体(中国)有限公司
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