基于MPC5500和新一代SMARTMOS器件的發動機管理系統電子控制單元參考設計

摘要：全球范圍汽車尾氣排放法規的不斷加嚴對發動機管理系統也提出了更高的要求：控制精度更高，控制功能愈加復雜，以及完善的在板診斷功能 (On Board Diagnostic，OBD)。飛思卡爾半導體應對這些挑戰，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的發動機電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)參考設計。

關鍵詞：發動機管理系統；電子控制單元(ECU)；飛思卡爾；MPC5500；智能功率器件SMARTMOS

前言

　　現代先進的發動機管理系統在提高燃油經濟性和控制尾氣排放方面都達到了很高的水平，這其中電子控制單元(ECU)的軟件和硬件性能至關重要。飛思卡爾(Freescale Semiconductor)作為全球領先的汽車電子半導體供應商，提供了包括微控制器(MCU)、傳感器、電源管理器件、功率驅動器件、以及符合AUTOSAR(AUTomotive Open SystemARchitecture)標準的實時操作系統和底層驅動軟件在內的動力傳動(Powertrain)系統解決方案。可應用于汽油機管理系統，柴油高壓共軌燃油噴射系統，自動變速箱和CVT 控制系統，混合動力以及燃料電池控制系統。

　　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/柴油發動機電子控制單元(ECU)參考設計。

發動機電子控制單元參考設計系統框架

　　以典型的汽油發動機控制系統為例，飛思卡爾的參考設計系統框架如圖1。

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

　　空調請求開關、外部負載接合、制動踏板、離合器狀態等開關量信號，由智能開關檢測芯片采集并通過SPI 接口傳輸結果，可節省MCU 的I/O 資源。此芯片還具有最大32mA濕電流輸出功能，可被用來保護開關觸點接觸面不被氧化。

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

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

　　- 通訊接口
　　MC33902：高速CAN 總線收發器
　　MC33661：LIN 總線收發器

　　- 功率驅動
　　MC33800：多功能智能功率驅動芯片
　　MC33810：4 通道噴油器驅動和點火線圈IGBT 預驅動芯片，根據6 缸/8 缸不同應
用可使用多片并聯。
　　MC33926： H-Bridge 驅動芯片(用于電控節氣門)

　　- 信號監測
　　MC33975：22 路開關量檢測芯片，帶睡眠喚醒和32mA 濕電流輸出功能
　　MC33811：5 通道電磁線圈負載監測芯片

　　- 電源管理
　　MC33730：板級電源管理芯片

面向動力傳動系統設計的MPC5500產品家族

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




　　MPC5500 系列具有優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，極大方便了用戶進行平臺開發和形成產品系列化。在項目起始階段用戶可選擇片內資源和管腳都比較豐富的芯片作原型機設計，待產品基本定型，再根據實際I/O 和Flash 資源需求選定一款性能價格比最優的芯片投入生產。當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。