MPC555微控制器與汽車(chē)電子

關(guān)鍵詞：MPC555 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE） 實(shí)時(shí)操作系統（RTOS） 汽車(chē)電子

引言

隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車(chē)在控制、通信和網(wǎng)絡(luò )方面的要求越來(lái)越復雜。以32位微控制器及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統為基本技術(shù)特征的新一代電控單元ECU（Electronic Control Unit）成為汽車(chē)電子應用的主流。32位微控制器MPC555以其強大的性能在汽車(chē)電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

1 MPC555微控制器簡(jiǎn)介

MPC555微控制器是Motorola PowerPC 555系列的代表產(chǎn)品，是專(zhuān)為汽車(chē)電子、航空航天、智能系統等高端嵌入式控制系統所設計。該產(chǎn)品可在高速移動(dòng)及苛刻的環(huán)境下工作（工作溫度：-40～125℃），性能優(yōu)良，并具有高度的靈活性和可靠性，適合大批量低成本生產(chǎn)。

MPC555主要有以下功能模塊：

*主頻40MHz的精簡(jiǎn)指令集CPU（RCPU）;

*四級存儲器控制器；

*U-Bus系統接口單元（USIU）；

*靈活的指令和數據存儲保護單元；

*448KB Flash EEPROM;

*26KB SRAM;

*雙時(shí)間處理單元（TPU3）；

*18通道模塊I/O系統（MIOS1）；

*雙隊列模數轉換模塊（QADC）；

*雙CAN2.0B控制器模塊（TouCANs）；

*隊列串行多通道模塊（QSMCM）。

在設計及開(kāi)發(fā)應用MPC555微控制器過(guò)程中，廠(chǎng)商采取合作、聯(lián)合推廣等方式積極引導開(kāi)發(fā)應用產(chǎn)品市場(chǎng)。MPC555微控制器采用了IBM微控制器的芯片結構技術(shù)、AMD閃存存儲器技術(shù)。專(zhuān)業(yè)化嵌入式軟硬件開(kāi)發(fā)公司：ETAS、Pi-Technology、Axiom、ADI、Opti-NumSolution、dSPACE等開(kāi)發(fā)出MPC555應用板、I/O模塊、實(shí)時(shí)操作系統、集成開(kāi)發(fā)工具、應用軟件等嵌入式軟硬件系統與集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。汽車(chē)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商：BOSCH、德?tīng)柛５乳_(kāi)發(fā)出相應的汽車(chē)電子應用產(chǎn)品。從而形成了對MPC555專(zhuān)業(yè)化分工、聯(lián)合開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品鏈方式。這種產(chǎn)業(yè)/產(chǎn)品鏈的開(kāi)發(fā)機制已成為高科技領(lǐng)域成功的發(fā)展模式。

2 MPC555應用軟硬件平臺及系統集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

針對目標系統，首先要選定與應用產(chǎn)品所處環(huán)境和功能參數相匹配的微控制器作為核心控制系統。另外，完備、強大的開(kāi)發(fā)環(huán)境技術(shù)支持也至關(guān)重要。伴隨著(zhù)市場(chǎng)競爭越來(lái)越激烈，要求快速、靈活地開(kāi)發(fā)應用產(chǎn)品，盡量減少和縮短從決策、設計、研發(fā)、測試、修正到最終批量生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節和周期。開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的快慢往往與一個(gè)企業(yè)的生存緊密相連。為了適應這一要求。近幾年，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDE）技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的重視?；谀Ｐ驮O計（Model-Based Design）、簡(jiǎn)化軟件編程、軟硬件一體化、快速原型（Rapid Prototyping）建立目標系統、應用程序模塊化等先進(jìn)的開(kāi)發(fā)手段被廣泛應用。另外，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）對系統的安全運行、管理應用系統程序、系統的兼容通用性也至關(guān)重要。

一套完備的MPC555開(kāi)發(fā)應用系統主要由軟硬件平臺和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境組成。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的功能包括：提供控制操作界面；通過(guò)BDM接口瀏覽MPC555硬件平臺狀態(tài)和信息；建立控制模型；模擬仿真應用系統控制算法；與編譯器連接將控制模型或C語(yǔ)言程序生成MPC555機器源代碼；通過(guò)BDM接口將源代碼傳送到MPC555硬件平臺；實(shí)時(shí)調試運行應用程序等。這種開(kāi)發(fā)模式方便快捷，采用友好界面連接形象化模型框圖、輸入計算公式、經(jīng)驗公式等方式編制開(kāi)發(fā)程序，由系統自動(dòng)將其編譯成目標代碼。在應用程序經(jīng)過(guò)反復模擬仿真，并實(shí)時(shí)調試運行成功后被裝入MPC555硬件平臺。MPC555系統配有各類(lèi)應用I/O模塊與通信接口，并裝有一套實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）。在操作系統的管理下，開(kāi)發(fā)的應用程序在上位機監控下和脫離上位機兩種環(huán)境下運行驗證。一些特定、重復任務(wù)的應用程序被生成模塊化的庫文件已備調用。為了提高開(kāi)發(fā)系統的實(shí)時(shí)性，系統具有HIL（Hardware-in-the-loop）、Bypass等硬件在環(huán)開(kāi)發(fā)、實(shí)時(shí)嵌入加載等功能。模塊化的應用程序可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)導入導出而絲毫不影響系統的正常運行。

在硬件方面，MPC555微控制器是理想的汽車(chē)電子產(chǎn)品嵌入式硬件系統平臺。表1列出了國內外專(zhuān)業(yè)公司開(kāi)發(fā)的MPC555開(kāi)發(fā)板情況比較。

在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境方面，各開(kāi)發(fā)系統普遍采用MathWorks公司的MATLAB系列軟件產(chǎn)品Simulink、Stateflow等，用于模擬仿真、建立模型，再配上相應的交叉編譯器、控制界面連接程序與硬件平臺相連，構成一完整的開(kāi)發(fā)系統。在MPC555應用領(lǐng)域中，比較有代表的產(chǎn)品有ETAS公司的開(kāi)發(fā)工具ASCET-SD；符合OSEK標準的實(shí)時(shí)操作系統OSEKWorks；調試工具LabCar和相應MPC555的硬件開(kāi)發(fā)板；ADI公司的嵌入式系統的快速原型SIMsystem；開(kāi)發(fā)平臺BEACON，以及Axiom、Pi-technology的MPC555硬件開(kāi)發(fā)系列產(chǎn)品等。

為了適應嵌入式計算機控制軟件開(kāi)發(fā)日益龐大的特點(diǎn)；實(shí)現軟件開(kāi)發(fā)的模塊化和可移植性；確保各分布式控制子系統之間的通信暢通；盡可能地實(shí)現不同廠(chǎng)商的控制模塊間的互換性和兼容性，應用系統的標準化成為迫切需要解決的課題。在汽車(chē)電子領(lǐng)域，CAN總線(xiàn)通信標準在物理層、數據鏈層定義了有關(guān)通信技術(shù)規范OSEK（Open Systems and the Corresponding Interfaces For Automotive Electronics）技術(shù)規范是針對符合汽車(chē)電子開(kāi)放式系統及其接口的軟件規范所研發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。OSEK規范從實(shí)時(shí)操作系統和軟件的開(kāi)發(fā)平臺兩方面作了全面的定義與規定。該規范最先由德、法兩國汽車(chē)行業(yè)所倡導并日趨完善。它所提出的一整套解決方案代表了未來(lái)汽車(chē)電子軟件行業(yè)的發(fā)展方向，在國際車(chē)電子領(lǐng)域的影響力日益增強。

在國家高技術(shù)研究發(fā)展計算（863計劃）電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項課題“燃料電池客車(chē)多能源動(dòng)力總成控制器軟硬件平臺”中，北京西曼自動(dòng)化技術(shù)有限公司配合課題承擔方――清華大學(xué)計算機系智能技術(shù)與系統國家重點(diǎn)實(shí)驗室，積極開(kāi)發(fā)基于MPC500系列新一代汽車(chē)電子ECU軟硬件平臺以及集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括：MPC555評估板MPC565單板系統、OSEKLinux實(shí)時(shí)操作系統等。這些為MPC565單板系統、OSEKLinux實(shí)時(shí)操作系統等。這些為發(fā)展我國自主知識產(chǎn)權汽車(chē)電子關(guān)鍵核心技術(shù)，積極開(kāi)發(fā)嵌入式軟硬件及集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

表1 國內外MPC555應用開(kāi)發(fā)板情況比較

3 MPC555微控制器在汽車(chē)電子領(lǐng)域的應用

MPC555推出不久，便于1999年獲得汽車(chē)行業(yè)國際PACE汽車(chē)創(chuàng )新產(chǎn)品優(yōu)秀獎，并在嵌入式計算機控制領(lǐng)域，特別是汽車(chē)電子應用領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。由于其優(yōu)良的性能和強大的市場(chǎng)推廣力度，MPC555在各個(gè)層次，從高科技研發(fā)項目、終端用戶(hù)（汽車(chē)制造廠(chǎng)家）到各專(zhuān)業(yè)軟硬件開(kāi)發(fā)商都予以高度的重視，并積極開(kāi)發(fā)應用MPC555產(chǎn)品。例如，美國MoBIES(Model-Based Integration of Embedded System)基于模型一體化嵌入式系統科研項目。MoBIES是由美國國防部DOD（Department of Defense）國防高技術(shù)研究項目局DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency）信息處理技術(shù)辦公室IPTO（Information Processing Technology Office）資助的項目。此項目旨在為嵌入式系統開(kāi)發(fā)基于模型的軟件組件集成技術(shù)。MoBIES項目日期從2000年6月開(kāi)始到2003年11月結束。該項目的汽車(chē)OEP（Automobile Open Experimental Platform，汽車(chē)動(dòng)力控制系統開(kāi)放式試驗平臺）由Vehicle Dynamic Laboratory承擔，采用MPC555為系統硬件控制單元。MPC555被重視的程度日益加強。

MPC555微控制器在汽車(chē)電子領(lǐng)域得到了廣泛的應用，是目前被國際汽車(chē)電子系統廣泛采用的新一代芯片。MPC555系列產(chǎn)品在2000年汽車(chē)行業(yè)的年銷(xiāo)售額達10億美元之多（據Motorola報道）。國外的汽車(chē)電子工業(yè)已形成了從半導體硬件到軟件到部件開(kāi)發(fā)，再到系統集成應用的一整套開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)體系。圍繞著(zhù)汽車(chē)制造商，形成了專(zhuān)業(yè)化、可提供全套應用系統的各類(lèi)供應商：從硬件設計到軟件開(kāi)發(fā)，以及各種專(zhuān)用控制原型的提供，再配用先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具，使專(zhuān)業(yè)設計人員和制造商在生產(chǎn)一線(xiàn)開(kāi)發(fā)、調試新產(chǎn)品等。這大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

以32位嵌入式微控制器為基本技術(shù)特征的新一代電控單元（Electronic Control Unit,ECU）已成為汽車(chē)電子發(fā)展應用的主流。汽車(chē)工業(yè)是使用微控制器最多的工業(yè)，一輛現代汽車(chē)最多可使用達上百個(gè)微控制器（如圖1所示）。汽車(chē)電子系統占整車(chē)成本的比例在90年代末已超過(guò)了30%，現在還在繼續上升。

汽車(chē)電子行業(yè)的發(fā)展依賴(lài)于汽車(chē)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，以及后者在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域所處的重要地位。汽車(chē)電子的技術(shù)基礎來(lái)源于半導體行業(yè)、軟件開(kāi)發(fā)、執行器和傳感器等電子技術(shù)的發(fā)展。汽車(chē)電子產(chǎn)品能夠在高速移動(dòng)、苛刻和劇烈變化的環(huán)境下運行，并且具有高可靠性、安全性、較強的機電結合性、適于大指和低成本的生產(chǎn)等特點(diǎn)。

國際汽車(chē)電子技術(shù)正處于全面快速發(fā)展的階段，其特征主要體現在四化一功能，即多樣的功能（從最初的發(fā)動(dòng)機電子點(diǎn)火與噴油發(fā)展到如今的各種控制功能，如自動(dòng)巡航、自動(dòng)啟停、自動(dòng)避撞等）、技術(shù)一體化（從最初的機電部件松散組合到如今的機液電磁一體化，如直噴式發(fā)動(dòng)機電控共軌燃料噴射系統）、系統集成化（從最初的單一控制發(fā)展到如今睥多變量多目標結合協(xié)調控制，如動(dòng)力總成綜合控制、集成安全控制系統等）、通信網(wǎng)絡(luò )化（從初期的多子系統分別工作到如今的分布式模塊化控制器局部網(wǎng)絡(luò )，如以CAN總線(xiàn)為基礎的整車(chē)信息共享的車(chē)載分布式控制系統，以及D2B無(wú)線(xiàn)通信為基礎的遠程高頻網(wǎng)絡(luò )通信系統）、技術(shù)標準化（如OSEK技術(shù)規范，將成為未來(lái)汽車(chē)電子行業(yè)嵌入式操作系統的技術(shù)標準，廣泛被采用）。國外的汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)形成了從半導體到軟件到部件開(kāi)發(fā)再到系統集成應用的一整套的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)體系。而國內的汽車(chē)電子科研和產(chǎn)業(yè)還處于分散、分割、重復、重疊的低水平階段，現狀不容樂(lè )觀(guān)。

MPC555微控制器在汽車(chē)電子領(lǐng)域的應用范例：

*BMW的Valwetronic電子閥門(mén)系統為目前國際最先進(jìn)的動(dòng)力控制系統技術(shù)（其三種車(chē)型已在道路上運行）；

*Ford的Taurus動(dòng)力控制系統；

*由BMW聯(lián)合Motorola等開(kāi)發(fā)的Byteflight數據傳送系統（用于安全氣囊）；

*Siemens VDO汽車(chē)動(dòng)力管理一體化系統；

*Ford采用MPC500系列為L(cháng)incoln LS Luxury Sedans開(kāi)發(fā)的動(dòng)力控制系統；

*Ford采用MPC500系列為Jaguar S-TypeSedans車(chē)型的點(diǎn)火、噴油、排氣控制；

*韓國現代公司最新燃料電池轎車(chē)SNATA FE FCEV（EVS19展出的）的總成控制；

*MoBIES項目OEP汽車(chē)動(dòng)力控制開(kāi)放式試驗平臺硬件控制單元（ECU）。

汽車(chē)動(dòng)力系統、底盤(pán)系統、車(chē)體以及安全系統等逐漸從傳統的機械、液壓結構向電子結構以及智能化控制演變。在制動(dòng)、駕駛、懸掛、助力、車(chē)身等控制方面都借助電子化的手段提高性能。GPA全球衛星定位導航、穩定管理、電制動(dòng)、自動(dòng)駕駛以及防撞車(chē)、語(yǔ)音識別、網(wǎng)絡(luò )化、夜間辨別加強等系統都在積極的開(kāi)發(fā)應用當中。另外，通過(guò)內部網(wǎng)絡(luò )將各個(gè)獨立功能的子系統連接形成實(shí)時(shí)的資源共享，使系統集成化、智能化。例如，底盤(pán)穩定控制系統；通過(guò)對制動(dòng)、駕駛和懸掛系統信息的獲得而得以?xún)?yōu)化。

4 MPC555應用發(fā)展前景

汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展為提高整車(chē)性能起到了關(guān)鍵性的作用。隨著(zhù)汽車(chē)電子化發(fā)展的深入，32位微控制器將逐漸取代8位、16位微控制器而成為主流應用產(chǎn)品。未來(lái)的發(fā)展趨勢應重視以下領(lǐng)域技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

（1）軟件

標準的I/O驅動(dòng)模塊、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統、高級語(yǔ)言控制編程、基于模型的算法設計、自動(dòng)代碼生成及虛擬仿真測試。

（2）硬件

提供完整的與軟件系統一體化的硬件開(kāi)發(fā)平臺。靈活、多功能的快速原型，硬件在環(huán)仿真HIL（Hardware-in-the-Loop）Simulation,Bypass方法的應用等。

（3）快速原型建立軟硬件一體化應用系統

采用快速原型建立目標系統：基于模型設計建立控制算法；模擬系統動(dòng)態(tài)測試驗證控制算法；模型實(shí)時(shí)檢驗；系統聯(lián)機測試、檢驗、調試、修改；自動(dòng)生成源代碼、在線(xiàn)調試標定。

（4）標準化

汽車(chē)電子正處于全面發(fā)展時(shí)期，相關(guān)技術(shù)的標準也處于建立、完善的階段。關(guān)通信、網(wǎng)絡(luò )規范、實(shí)時(shí)操作系統規范等技術(shù)規范日趨成熟。這類(lèi)規范與針對性硬件系統到相滲透、互相依賴(lài)，成為一體。各大汽車(chē)公司聯(lián)盟爭先開(kāi)發(fā)、建立不同的標準體系，以便在汽車(chē)電子競爭中搶得先機。

汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展圍繞安全、節能、環(huán)保、舒適、方便的主題，為消費者提供高質(zhì)量、安全可靠、多功能低價(jià)位的創(chuàng )新產(chǎn)品。開(kāi)發(fā)商面臨的挑戰是如何在最短的時(shí)間內將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。為了適應這一特點(diǎn)，汽車(chē)行業(yè)以及IT行業(yè)的企業(yè)越來(lái)越認同聯(lián)合開(kāi)發(fā)的方式，并著(zhù)重在制定標準、統一開(kāi)發(fā)模式方面加大力度。

MPC555嵌入式系統在汽車(chē)行業(yè)有著(zhù)廣闊的應用前景。隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人民生活水平的提高，汽車(chē)有望成為居民新的消費熱點(diǎn)以及國民經(jīng)濟新的增長(cháng)點(diǎn)。隨著(zhù)中國加入WTO，競爭也越來(lái)越激烈。正像BMW總裁Helmut Panke所說(shuō)的，未來(lái)的發(fā)展趨勢將是“from the sheet metal to software”。傳統汽車(chē)制造業(yè)必然要與信息、計算、電子技術(shù)相結合，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)與IT行業(yè)的合作關(guān)系將越來(lái)越緊密。先進(jìn)的方法和手段將不斷應用到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)當中。MPC555在汽車(chē)電子領(lǐng)域的應用將不斷得到提升。我們有必要加大開(kāi)發(fā)MPC555嵌入式計算機控制系統的應用，推進(jìn)我國汽車(chē)電子行業(yè)的發(fā)展。