基于MPC564的發動機電控單元硬件設計

發動機電子控制技術是汽車電子領域的關鍵技術，隨著歐洲排放法規的日益嚴格化，以及對汽車安全、節能、環保、舒適、方便的要求越來越高，發動機電子控制單元的功能也越來越強大，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，目前已經逐漸取代8位、16位微控制器而成為主流應用產品。我國在汽車發動機電子控制等關鍵技術領域與國外存在明顯的差距，研究具有自主知識產權的發動機電子控制單元對我國的汽車工業發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479QE型汽油機進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

根據發動機電控技術的發展趨勢，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的精簡指令集CPU；
· 64bit浮點數單元（FPU），支持高級語言編程；
· 512KB FLASH+32KB SRAM；
· 獨立工作雙時間處理單元（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、實時輸入和輸出、高速AD轉換的能力，同時其卓越的集成模塊，如TPU、CAN等專門為汽車電子量身定制，使得電控單元無需過多外接功能驅動芯片，硬件布線減少，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，同時還帶有3.3V備用電源。基本電路如圖2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，電壓波動范圍為400mV～40V。曲軸位置信號決定各缸何時噴油及點火，它是發動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，否則會引起發動機工作混亂。設計中選用NCV7001芯片進行信號處理，通過濾波、限幅、比較和整型等處理環節得到微控制器識別的方波信號。基本電路如圖3所示。


(3)氧傳感器

氧傳感器監視發動機廢氣，根據空燃比產生電壓信號，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，需要經過適當的電路處理，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進行處理，該芯片包括兩個輸入通道，一個去假頻的低通連續時間濾波器、兩個帶通電容濾波器、兩個平方運算電路、兩個可編程增益級、兩個積分器和一個單端轉換器。輸入信號經處理后輸出模擬量信號進入微控制器的A/D通道，基本電路如圖5所示。


(5)其他傳感器

進氣歧管壓力、節氣門位置、冷卻水溫、進氣溫度傳感器輸出信號均為模擬量，變動范圍為0V～5V，經電路處理后輸入控制器的A/D通道。圖6為進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，兩個二極管起保護作用，RC回路構成一個低通濾波器。


3 輸出級電路

(1)噴油驅動電路

噴油信號是電控單元最重要的輸出信號之一，該信號驅動電路的設計為發動機燃燒和排放奠定了硬件基礎。噴油驅動電路如圖7所示，MC33293是Motorola公司專門為汽車電子和工業控制設計的4路低側功率驅動芯片。該芯片每個通道最大輸出電流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（接噴油器線圈），控制信號低電平時觸發。可通過對Single/Dual的置位、清零操作實現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。