1、前言:
随着欧洲二号排放标准向欧洲三号、欧洲四号、欧洲五号发展，发动机电控系统越来越复杂，其使用的微处理器的规模也已经由16位发展到32位，而且越来越多的电控系统采用专业化的系统解决芯片，如Motorola的MPC5××系列芯片就是很好的专业用于汽车电子的微处理器。我国的汽车工业与发达国家有较大的差距，而特别是发动机的电控单元ECU,是汽车电子产品中技术含量最高、最核心的部件，全世界只有少数发达国家的企业能够研发，因此通过研发发动机电控系统对缩小差距和新世纪发展我国民族汽车工业都具有十分重要的意义。
2、系统的硬件开发
图1为发动机电控系统的硬件框图。硬件系统采用模块化设计,主要分为下面几个部分: MPC563微控制器、脉冲输入电路、模拟量输入电路、开关量输入电路、TPU电磁阀驱动电路、CAN接口、电源接口电路、通讯接口电路。
图1：.ECU硬件框图
2.1 MPC563微处理器单元
ECU的核心是微处理器单元，本系统采用摩托罗拉公司生产的专业用于汽车工业的MPC563 32位MCU。它具有较高的执行速度、较高的稳定性和很强的数据处理功能，极高的集成度，且内部硬件采用模块化设计。它的特点如下：
Motorola系列的嵌入式微处理器MPC563为32位单片机，最高工作频率为56M,内部有512K字节flash,32K字节SRAM,含有64位的浮点数单元(FPU),支持高级语言编程，三个CAN控制模块(TOUCAN)，两个定时处理单元(TPU3)，两个队列模数转化模块(QADC64E),一个模块化输入输出系统(MIOS14)，一个增强型串行信道复用模块(QSMCM)等。片内独特的定时处理单元TPU可脱离CPU而单独工作,专门处理与定时有关的事件,可减轻CPU的负担,提高系统运行的实时性【 1 】。MPC563具有BDM仿真运行方式，无需外加仿真器,仅需相应的上位软件与BDM模块就可完成复杂的功能仿真。
2.2传感器及接口电路
发动机控制用传感器主要有三种：输出是脉冲量、模拟量、数字量的传感器。
由于许多输入信号不能满足计算机输入和控制系统的要求，故传感器接口电路需要大量的，形式多样的信号变换和调节电路
对于脉冲量如上止点信号、曲轴位置传感器等，脉冲信号需要调理电路对其滤波、整形、抗干扰，使之达到满足控制需要的波形，然后通过MPC563的TPU模块的输入捕捉功能进行采样，可以实时获得发动机的转速。同时这两个信号也是控制喷油点火的主控制信号。
对于模拟量如冷却水温度传感器、节气门位置传感器等也要调理电路对其滤波放大、抗干扰处理后输入到MPC563的QADC64E模块, 进行A/D转换。QADC64E可以支持32个模拟量的输入。为了提高实时性利用中断方式对模拟量进行循环采样。
对于数字量(开关量)如点火开关、空调请求开关等需要调理电路对其进行防抖、抗干扰、稳压处理，再输入到MPC563的I/O口。MPC563采用存储映像的I/O系统，即为每个I/O指定一个地址，通过读取相应地址的内容，就可以取得数字量。
2.3驱动电路
驱动电路的功能是将控制信号放大，驱动高速电磁阀或继电器实现喷油/点火的控制过程。主要以MPC563的TPU输出辅以外围芯片合成气缸驱动波形，这样就大大提高了电路的集成度，有利于抗干扰。各电磁阀、继电器的驱动上，采用高可靠性的IGBT驱动模块。
2.4通讯接口电路
通讯功能主要实现包括：
(1) 与整车控制器的通讯，采用CAN控制器与之通讯。为了实现汽车整车控制系统的实现如发动机电控，ABS控制，无极变速控制，汽车底盘控制，就需要通过总线控制来实现这些集散控制。CAN总线正是可以实现其功能的总线控制协议。MPC563内部有CAN 2.0控制器模块。
(2) OBD(车载诊断系统)功能接口。(欧3排放标准明确地规定了所有车辆必须配备OBD诊断系统),
(3) 发动机台架实验时需要实时监测，保存发动机各实验参数，为分析故障和程序修改等提供支持。这就需要提供ECU到PC机的接口电路。拟采用MPC563中增强型串行信道复用模块(QSMCM)中的串行控制器接口(SCI)再通过RS232驱动芯片与PC机的串口连接。PC上位机可以采用VC++软件编程实现上位机与下位机的通讯功能。
2.5电源管理模块接口电路
电源管理模块的主要功能是： (1)提供系统芯片MPC563电源要求(2)提供各传感器电源信号(3)提供外围接口电路的电源要求。
摩托罗拉公司的PC33394是带高速CAN收发器的多输出电源集成电路芯片。PC33394是专门设计为摩托罗拉的MPC55×、MPC56×系列微处理器提供电源的一个集成化降压调节器。采用专业的电源解决芯片可以完全的满足微处理器MPC563的电源要求，可以使系统芯片有更高的运行可靠性、稳定性[ 2 ]。
2.6硬件电路的抗干扰
由于ECU应用环境的特殊性，必须考虑电磁兼容性问题，还有电路的抗干扰问题。从使用的元件上，要尽量提高集成度，电容、电阻采用薄膜式的，主要芯片采用贴片封装。印刷板设计上，采用多层板方案，将电源/地线层置于中间层，扩大接地面积，降低干扰的机率[ 3 ]. MPC653是一种高度集成、高干扰的芯片，外部用4M的时钟作基频，内部使用PLL电路将工作频率提高到56M的高频，芯片集成度的提高减少了外围芯片的需要，这样就大大降低了干扰。抗扰设计的成功与否是ECU 应用的关键。
3、系统的软件开发
发动机电控系统中，软件是被利用来满足严格的喷射标准和提高发动机性能的关键技术。
Metrowerk公司的商业化软件Metrowerks CODewarrior for EPPC 6.1集成开发环境(IDE)是专门针对嵌入式处理器的软件开发工具集，支持MPC563 嵌入式处理器。它集成了源程序编辑器，源程序浏览器，编译器，连接器，汇编器，调试跟踪器，用户可以通过图形用户接口(GUI)方便地使用该系统来进行程序地编辑，浏览，检查，修改，编译，连接和调试。Codewarrior for EPPC 6.1支持P&E公司的BDM模块，可运行于仿真模式下，通过此模块可以实现对MPC563芯片资源的访问及运行控制,与指令挂牌及断点逻辑配合，可以实现系统开发，现场检测和芯片内程序固化等开发功能。同时编程我们采用C语言和模块化设计,可以有效提高软件开发时间和维护的效率，软件设计具有更高的灵活性。
3.1系统控制方案
发动机电控单元主要有下面几个模块组成：
(1)喷油量控制模块 依据发动机的工作特点,将发动机的运行工况分为起动、怠速、加减速、中小负荷和大负荷几种控制模式,依据各个控制模式的特点分别对其采用开环或闭环方法调节供油量。为此该模块包括起动、怠速、加减速、中小负荷、大负荷控制子模块
(2)点火提前角控制模块 发动机运行过程中,点火提前角的控制分为3种模式:起动模式,怠速模式和常用工况模式。此模块包括起动模块、怠速模块、常用工况模块这三个子模块。
(3)传感器信号采样及处理模块。该模块主要是利用传感器采样发动机的各参量，并进行软件的数字滤波，提高系统的抗干扰，供CPU进行实时处理。
4)通讯模块 该模块主要功能实现整车控制需要的参数信息互递。发动机台架实验需要的各种状态参数的管理，为故障诊断和系统控制策略提供依据。
(5)OBD-II 车载诊断系统模块 欧3排放标准明确地规定了所有车辆必须配备OBD诊断系统，并对其作了具体的规定。拟采用SAE1850协议标准进行模块开发。
3.2控制系统的软件设计
控制系统软件需要实现的功能有：系统输入信号的采集与处理，控制决策的实现，以及控制量的输出等。软件设计的要求是可靠和实用。主要包括以下几个：
3.2.1 控制系统的主程序设计。主程序的设计是整个软件系统的中心设计环节。它主要包括控制系统通电后的初始化程序，启动程序，发动机工况测量、判别和处理程序等。程序的初始化包括RAM的初始化，各功能模块的初始化，I/O口的初始化等。主程序担负着判断发动机各种运行工况的任务，根据发动机转速和节气门开度确定发动机的运行工况，并此转入相应的工况处理程序中。主程序为一循环体，发动机运行时，它一直在该循环体中运行。
3.2.2 传感器信号采集程序 包括A/D 转换子程序，如水温传感器等模拟量的输入均采用相同的A/D转换模块QADC64E来进行。通过软件写入转换命令字(CCW)队列进行相应传感器的模数转换，完成后自动写入结果字表，供CPU读取处理。
3.2.3 控制量输出程序。该程序用来进行点火时刻、喷油量的输出，同时还要实现一些其他的功能如怠速控制，EGR控制等辅助控制。
3.2.4系统软件的抗干扰设计 可以采用以下一些措施(1)用数字滤波技术消除测量误差;(2)利用看门狗技术(3)设置软件陷阱(4)在控制系统控制程序中采用软件冗余措施。把控制条件的一次采样处理控制输出改为循环采样处理控制输出。
4、结束语
32位嵌入式微处理器MPC563片内拥有丰富的子模块和强大的处理能力，使ECU具有较强的实时事件处理能力、故障诊断、通讯能力和可靠性、扩展性。硬件设计上，使用较少外围电路就可以实现控制和管理功能，提高了硬件系统的可靠性和硬件开发的效率。且软件开发基于Codewarrior for EPPC 6.1集成开发环境(IDE)，并采用C语言和模块化设计方法，提高了软件的可靠性和开发效率。总之,利用MPC563芯片对于解决发动机电控系统是一个很好的方案。
