基于MPC555的開(kāi)放式汽車(chē)電子控制平臺(圖)

　　本設計在基于MPC555微控制器硬件平臺基礎上，構建了一個(gè)開(kāi)放的符合OSEKIVDX標準的汽車(chē)電子控制平臺。

　　開(kāi)放式汽車(chē)電控單元設計的關(guān)鍵問(wèn)題

　　根據IEEE的定義，開(kāi)放式控制系統必須使相應的執行程序能夠運行于來(lái)源不同的平臺，與其他的系統應用進(jìn)行無(wú)縫的連接和相互操縱，并為用戶(hù)提供一個(gè)具有一致風(fēng)格的交互接口。這一定義明確的提出了開(kāi)放式控制系統的特點(diǎn)和設計的關(guān)鍵，即可互操作、可復用、可擴展以及可互換。

　　另外，由于車(chē)輛使用環(huán)境變化較大，控制系統要求有較強的適應性，能夠根據環(huán)境的變化進(jìn)行系統動(dòng)態(tài)配置，在線(xiàn)切換算法組件和改變組件間的互連等。

　　在硬件方面，由于硬件結構相對固定，系統升級基本采用部件替換或者增減的方式，更新周期也相對較長(cháng)。因此，其開(kāi)放性著(zhù)重考慮的是硬件系統在汽車(chē)控制領(lǐng)域的通用性和適應性，也就是說(shuō)硬件系統應該適應車(chē)載控制系統針對不同控制對象和控制模型的資源需要，同時(shí)也應注意系統開(kāi)放互連的硬件支持。

　　OpenECU的硬件系統設計

　　系統硬件架構采用Freescale公司的MPC555作為控制核心，由電源模塊、存儲系統、復位電路和接口模塊幾部分組成。由于系統是面向汽車(chē)電子應用的，為保證系統的在汽車(chē)電子領(lǐng)域的開(kāi)放性，應對汽車(chē)電子領(lǐng)域常用的接口信號進(jìn)行處理，采用相應的專(zhuān)用接口芯片以滿(mǎn)足要求。同時(shí)，系統提供豐富的 I/O資源也有利于滿(mǎn)足開(kāi)放性的要求。系統架構如圖1所示。

　　圖1 系統架構圖

　　1 系統CPU選擇方案

　　平臺選用專(zhuān)為汽車(chē)電子等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的處理器MPC555?；趯PC500系列微控制器功能分析，選用MPC555的原因有如下幾點(diǎn)：CPU處理能力可以滿(mǎn)足算法對計算任務(wù)和浮點(diǎn)運算能力的需求；片上資源豐富，很多功能模塊，如TPU、MDA和CAN等，是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)電子行業(yè)量身定制的，片上多種控制功能模塊的集成，使得系統無(wú)須過(guò)多外接功能驅動(dòng)芯片，且硬件布線(xiàn)減少，成本降低，有助于提高系統的可靠性；有較大的內部存儲器容量，用戶(hù)可以在滿(mǎn)足要求的情況下自由選擇是否使用外部存儲器，這有利于節約成本，提高可靠性。

　　2 外擴存儲器系統的設計

　　MPC555微控制器片內有448KB Flash，只提供32KB的SRAM，可能在某些復雜的控制場(chǎng)合存儲空間是不夠用的，為增強適應性，為用戶(hù)提供足夠的資源，本設計還外接SRAM和Flash存儲器芯片。Flash選用AMD公司的AM29LV160DB，共2片?？偞鎯θ萘繛?MB。讀寫(xiě)操作供電電壓范圍2.7～3.6V，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為90ns。SRAM選用ISSI公司的IC61LV5128-10T芯片，共4片，總存儲容量為2MB。訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為10ns，供電電壓3.3V。

　　MPC555中的存儲器控制器提供了對EPROM、靜態(tài)RAM、Flash、EEPROM和其他外圍設備的接口能力，共提供四個(gè)存儲區段，分別由四根片選信號線(xiàn)CS[0]～CS[3]來(lái)進(jìn)行選擇，支持讀寫(xiě)操作。CS[0]還作為系統自舉時(shí)，程序入口地址區段的選擇信號線(xiàn)。根據這個(gè)特性可以把系統配置成Flash啟動(dòng)方式。CS[1]作為SRAM的外擴片選信號。圖2給出MPC555微控制器外擴Flash和SRAM存儲器的連接圖。其中WE[0:3]/BE[0:3]為寫(xiě)使能/字節使能信號線(xiàn)，其中WE[0]/BE[0]確認數據總線(xiàn)DATA[0:7]上的有效數據，WE[1]/BE[1]確認數據總線(xiàn)DATA[8:15]上的有效數據，WE[2]/BE[2]確認數據總線(xiàn)DATA[16:23]上的有效數據，WE[3]/BE[3]確認數據總線(xiàn)DATA[24:31]上的有效數據。OE為輸出有效信號，CE為片選有效信號。由于MPC555微處理器按字尋址，未使用地址線(xiàn)低兩位以避免發(fā)生地址沖突。

　　圖2 MPC555微控制器外擴Flash和SRAM存儲器的連接圖

　　3 Lamda傳感器信號調理

　　LM9040是由兩路獨立的Lamda氧氣傳感器采樣輸入的差分放大器組成的雙通道傳感器接口電路。Lamda傳感器監視發(fā)動(dòng)機廢氣，根據空燃比產(chǎn)生測量的電壓信號。LM9040可以將±2V的傳感器差分測量信號轉換為適合5V參考電壓的A/D變換的輸出電壓。電路如圖3所示。

　　圖3 Lamda傳感器信號調理電路圖

　　4 CAN通信總線(xiàn)設計

　　為了實(shí)現動(dòng)力總成控制系統中的分布式控制和實(shí)時(shí)數據交換，必須采用高傳輸速率、抗干擾能力強以及高可靠性的網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)方式。CAN總線(xiàn)以其突出的實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性的特點(diǎn)，在目前存在的多種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )通信標準中最具競爭實(shí)力。

　　MPC555中己經(jīng)內嵌兩個(gè)CAN總線(xiàn)控制器模塊TouCAN，TouCAN符合CAN2.0B技術(shù)規范，兼容標準（11位標志符）和擴展（29位標志符）兩種報文格式，所以本設計采用集成控制器的方式來(lái)實(shí)現CAN節點(diǎn)。要進(jìn)行CAN總線(xiàn)通信，還需要連接一個(gè)CAN收發(fā)器，在本系統中，選用CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口芯片PCA82C251。值得注意的是，總線(xiàn)兩端需加120Ω的電阻，對于匹配總線(xiàn)阻擾，起著(zhù)相當重要的作用。忽略掉它們，會(huì )使數據通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信。通信介質(zhì)選用雙絞線(xiàn)。為了增強抗干擾能力，去除傳送信號過(guò)程中所產(chǎn)生的噪音，采用TDK公司特別為CAN總線(xiàn)使用而設計的高電感共態(tài)濾波器ZJYS81R5。

　　OpenECU的軟件系統設計

　　OpenECU的軟件系統根據開(kāi)放性的要求，對用戶(hù)隱藏底層硬件和設備管理的細節，將系統分層封裝為硬件抽象層和操作系統層，系統結構如圖4所示。

　　圖4 OpenECU軟件系統結構

　　硬件抽象層管理平臺的硬件資源包括三個(gè)主要的部分：硬件系統的設備驅動(dòng)、硬中斷管理和系統調試與診斷支持。它是系統的硬件中斷的管理者，生成和維護中斷向量表，提供操作系統中斷管理的支持；通過(guò)對硬件設備資源的封裝，為操作系統提供設備操作的入口；采用中斷驅動(dòng)的方式響應調試系統的服務(wù)，進(jìn)行系統的狀態(tài)監視。

　　OSEKIVDX為車(chē)用嵌入式操作系統及其相關(guān)服務(wù)提供了一系列標準，目的是促進(jìn)不同設備之間的協(xié)調工作能力，為軟件開(kāi)發(fā)者提供統一的編程接口，以提高軟件的復用性和互換性。OpenECU選擇TH-OSEK操作系統作為管理軟硬件資源的系統平臺和用戶(hù)控制算法的運行平臺。主要是因為其實(shí)時(shí)性較強，具有規范的應用程序接口，為控制模型提供標準的系統服務(wù)，可方便模型的實(shí)現和移植。另外，為了適用于廣泛的目標處理器，支持運行在廣泛硬件基礎上的實(shí)時(shí)程序，OSEK操作系統具備高度模塊化和可靈活配置的特性。這些特點(diǎn)顯然是與OpenECU開(kāi)放式開(kāi)發(fā)平臺所希望達到的開(kāi)放性相一致的。OpenECU利用操作系統完成設備的進(jìn)一步封裝，為控制模型提供了規范的服務(wù)接口，并滿(mǎn)足設備復用和控制實(shí)時(shí)性的要求，另外TH-OSEK操作系統定義了開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )管理和通信系統，可以方便的實(shí)現控制節點(diǎn)的動(dòng)態(tài)配置。

　　對于系統的診斷和測試，本設計側重于提供一個(gè)實(shí)現診斷和測試服務(wù)的平臺和手段，而不關(guān)心具體的診斷和測試項目，這部分功能用戶(hù)可以根據具體情況在系統支持下進(jìn)行定義。OSEK ORTI實(shí)現系統診斷測試應用的基本服務(wù)支持，提供對OSEK操作系統進(jìn)行查詢(xún)和監控的接口，通過(guò)這個(gè)接口上層的診斷服務(wù)可以獲取自己所關(guān)心的系統信息，并為診斷服務(wù)提供對目標操縱的基本手段。這部分是系統診斷和測試功能的實(shí)現基礎，與診斷通信服務(wù)一起實(shí)現對目標的分布式調試與診斷。

　　結束語(yǔ)

　　初步的實(shí)際使用證明，本平臺可以方便用戶(hù)構建復合汽車(chē)控制系統，有效提高系統的可靠性，具有較高的實(shí)用價(jià)值。