基于MPC5500和新一代SMARTMOS器件的发动机管理系统电子控制单元参考设计

摘要：全球范围汽车尾气排放法规的不断加严对发动机管理系统也提出了更高的要求：控制精度更高，控制功能愈加复杂，以及完善的在板诊断功能 (On Board Diagnostic，OBD)。飞思卡尔半导体应对这些挑战，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的发动机电子控制单元(Electronic Control Unit, ECU)参考设计。

关键词：发动机管理系统；电子控制单元(ECU)；飞思卡尔；MPC5500；智能功率器件SMARTMOS

前言

　　现代先进的发动机管理系统在提高燃油经济性和控制尾气排放方面都达到了很高的水平，这其中电子控制单元(ECU)的软件和硬件性能至关重要。飞思卡尔(Freescale Semiconductor)作为全球领先的汽车电子半导体供应商，提供了包括微控制器(MCU)、传感器、电源管理器件、功率驱动器件、以及符合AUTOSAR(AUTomotive Open SystemARchitecture)标准的实时操作系统和底层驱动软件在内的动力传动(Powertrain)系统解决方案。可应用于汽油机管理系统，柴油高压共轨燃油喷射系统，自动变速箱和CVT 控制系统，混合动力以及燃料电池控制系统。

　　本文介绍了基于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/柴油发动机电子控制单元(ECU)参考设计。

发动机电子控制单元参考设计系统框架

　　以典型的汽油发动机控制系统为例，飞思卡尔的参考设计系统框架如图1。

　　图1中左侧是信号输入：温度、压力、油门踏板和节气门位置等传感器输出的模拟信号经滤波电路由MPC5500 的高速模数转换(ADC)模块采集；曲轴转角，凸轮轴正时位置，车速等频率信号经MPC5500 的eTPU 模块采集并处理；爆震传感器输出的高频信号在eTPU 确定的曲轴转角窗口内通过高速ADC 采样，并经软件滤波和积分处理算法，可以实现片上软件检测爆震功能，为系统节省专用爆震处理芯片的成本。

　　空调请求开关、外部负载接合、制动踏板、离合器状态等开关量信号，由智能开关检测芯片采集并通过SPI 接口传输结果，可节省MCU 的I/O 资源。此芯片还具有最大32mA湿电流输出功能，可被用来保护开关触点接触面不被氧化。

　　各传感器采集的发动机工况信号提供给主MCU 内部复杂的控制软件，以计算确定喷油、点火等控制参数并执行输出。图中右侧是信号输出：各智能功率驱动器件都支持并行与SPI 串行两种方式驱动，SPI还用于和MCU交换配置参数及故障诊断信息，高频信号(如喷油、点火脉冲)均采用并行驱动方式。

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

　　- 通讯接口
　　MC33902：高速CAN 总线收发器
　　MC33661：LIN 总线收发器

　　- 功率驱动
　　MC33800：多功能智能功率驱动芯片
　　MC33810：4 通道喷油器驱动和点火线圈IGBT 预驱动芯片，根据6 缸/8 缸不同应
用可使用多片并联。
　　MC33926： H-Bridge 驱动芯片(用于电控节气门)

　　- 信号监测
　　MC33975：22 路开关量检测芯片，带睡眠唤醒和32mA 湿电流输出功能
　　MC33811：5 通道电磁线圈负载监测芯片

　　- 电源管理
　　MC33730：板级电源管理芯片

面向动力传动系统设计的MPC5500产品家族

　　32 位MPC5500系列微控制器是面向Powertrain应用开发的新一代产品，其前身是在业界已经成熟应用的MPC500 家族。MPC5500基于高性能的Power Architecture e200RISC 内核，衍生出覆盖高中低档应用需求的产品系列。最高总线频率可达180MHz，片内最多集成3M bytes带ECC功能的Flash，并支持100k 次Flash 块擦写寿命和长达20年的数据保存时间。MPC5500 系列的第一款产品MPC5554，已经在全球供货超过两百万片。




　　MPC5500 系列具有优秀的软件和硬件兼容性。不同型号相同管脚封装的芯片保证100％管脚兼容，对同一型号不同封装的芯片 (208pin /324pin /416pin BGA)保持软件全兼容，极大方便了用户进行平台开发和形成产品系列化。在项目起始阶段用户可选择片内资源和管脚都比较丰富的芯片作原型机设计，待产品基本定型，再根据实际I/O 和Flash 资源需求选定一款性能价格比最优的芯片投入生产。当中软件和硬件的移植基本不增加额外的工作量，同时也有利于控制BOM成本。