基于MPC564的發(fā)動(dòng)機電控單元硬件設計

發(fā)動(dòng)機電子控制技術(shù)是汽車(chē)電子領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，隨著(zhù)歐洲排放法規的日益嚴格化，以及對汽車(chē)安全、節能、環(huán)保、舒適、方便的要求越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機電子控制單元的功能也越來(lái)越強大，對控制芯片的要求也隨之提高。32位微控制器功能強大，提供了低功耗、高性能的處理能力，目前已經(jīng)逐漸取代8位、16位微控制器而成為主流應用產(chǎn)品。我國在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機電子控制等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域與國外存在明顯的差距，研究具有自主知識產(chǎn)權的發(fā)動(dòng)機電子控制單元對我國的汽車(chē)工業(yè)發(fā)展具有重要的戰略意義。本文基于Freescale公司的32位高性能控制芯片MPC564對賽歐轎車(chē)479QE型汽油機進(jìn)行了電控單元的硬件設計，臺架試驗表明硬件設計方案可行。

電控單元硬件電路包括輸入級電路、微控制器和輸出級電路三大部分，其結構框圖如圖1所示。


1 微控制器

根據發(fā)動(dòng)機電控技術(shù)的發(fā)展趨勢，設計中選用了32位高性能微控制器MPC564，其主要功能模塊有：
· 最高主頻56M的精簡(jiǎn)指令集CPU；
· 64bit浮點(diǎn)數單元（FPU），支持高級語(yǔ)言編程；
· 512KB FLASH+32KB SRAM；
· 獨立工作雙時(shí)間處理單元（TPU3）；
· 模塊化輸入輸出系統（MIOS）；
· 雙隊列模數轉換模塊（QADC）；
· 三個(gè)CAN2.0B控制器模塊（TOUCAN）；
· 增強型隊列串行多通道模塊（QSMCM）。
MPC564微控制器不僅具有高速運算、實(shí)時(shí)輸入和輸出、高速AD轉換的能力，同時(shí)其卓越的集成模塊，如TPU、CAN等專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)電子量身定制，使得電控單元無(wú)需過(guò)多外接功能驅動(dòng)芯片，硬件布線(xiàn)減少，成本降低，有助于提高系統的可靠性。

2 輸入級電路

(1)電源管理模塊

系統的硬件設計中，電源部分占有重要地位，它直接影響系統的穩定性、可靠性和抗干擾能力。PC33994是Freescale公司的一款中等功率的集成芯片，它能提供5V和2.6V的微控制器主電源以及5V的傳感器供電電源，同時(shí)還帶有3.3V備用電源?；倦娐啡鐖D2所示。


(2)曲軸位置傳感器

曲軸位置傳感器為電磁式傳感器，輸出差分的頻率/脈沖信號，電壓波動(dòng)范圍為400mV～40V。曲軸位置信號決定各缸何時(shí)噴油及點(diǎn)火，它是發(fā)動(dòng)機電控單元正常工作的基礎。該信號的處理電路非常重要，而且精度要求高，否則會(huì )引起發(fā)動(dòng)機工作混亂。設計中選用NCV7001芯片進(jìn)行信號處理，通過(guò)濾波、限幅、比較和整型等處理環(huán)節得到微控制器識別的方波信號?；倦娐啡鐖D3所示。


(3)氧傳感器

氧傳感器監視發(fā)動(dòng)機廢氣，根據空燃比產(chǎn)生電壓信號，該信號的輸出電壓在0V～1V連續變化。由于信號幅值低、變化范圍窄且高頻干擾等因素較多，需要經(jīng)過(guò)適當的電路處理，方可輸入微控制器的A/D通道。設計中選用NSC公司的LM9040芯片，通過(guò)濾波、放大、比較電路將氧傳感器信號轉換為適合5V參考電壓的A/D轉換輸入信號，如圖4所示。


(4)爆震傳感器

爆震信號由壓電式爆震傳感器采集，爆震發(fā)生的頻率范圍在5kHz～15kHz，電壓幅值范圍±1.5V，波形的峰值和頻率隨敲擊的強度不同而不同。爆震信號采用Intersil公司的HIP9011進(jìn)行處理，該芯片包括兩個(gè)輸入通道，一個(gè)去假頻的低通連續時(shí)間濾波器、兩個(gè)帶通電容濾波器、兩個(gè)平方運算電路、兩個(gè)可編程增益級、兩個(gè)積分器和一個(gè)單端轉換器。輸入信號經(jīng)處理后輸出模擬量信號進(jìn)入微控制器的A/D通道，基本電路如圖5所示。


(5)其他傳感器

進(jìn)氣歧管壓力、節氣門(mén)位置、冷卻水溫、進(jìn)氣溫度傳感器輸出信號均為模擬量，變動(dòng)范圍為0V～5V，經(jīng)電路處理后輸入控制器的A/D通道。圖6為進(jìn)氣歧管壓力傳感器信號處理電路，其他輸入信號的處理與其大致相同。圖6中運算放大器接成射極跟隨器，起阻抗匹配作用，兩個(gè)二極管起保護作用，RC回路構成一個(gè)低通濾波器。


3 輸出級電路

(1)噴油驅動(dòng)電路

噴油信號是電控單元最重要的輸出信號之一，該信號驅動(dòng)電路的設計為發(fā)動(dòng)機燃燒和排放奠定了硬件基礎。噴油驅動(dòng)電路如圖7所示，MC33293是Motorola公司專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)電子和工業(yè)控制設計的4路低側功率驅動(dòng)芯片。該芯片每個(gè)通道最大輸出電流3A，工作電壓9V～14.5V,控制輸入與微控制器兼容，漏源極鉗位電壓65V。圖7中Input1-4為輸入信號，Output1-4為輸出信號（接噴油器線(xiàn)圈），控制信號低電平時(shí)觸發(fā)?？赏ㄟ^(guò)對Single/Dual的置位、清零操作實(shí)現4路獨立控制輸出，或者2路分組控制輸出(即Input12控制Output1-2；Input34 控制Output3-4)。驅動(dòng)芯片內具有超載、未接負載、對地短路等保護電路，可檢測噴油器故障，對系統的故障診斷提供了硬件支持。