MPC555微控制器在汽車(chē)電子中的應(yīng)用 - 全文

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　　隨著汽車(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(fù)雜。以32位微控制器及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)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(yīng)用的主流。

　　32位微控制器MPC555以其強(qiáng)大的性能在汽車(chē)電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　1、MPC555微控制器簡(jiǎn)介

　　MPC555 微控制器是Motorola PowerPC 500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(tǒng)等高端嵌入式控制系統(tǒng)所設(shè)計(jì)。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(jí)存儲(chǔ)器控制器;

　　?U-Bus系統(tǒng)接口單元(USIU);

　　?靈活的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)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(tǒng)(MIOS1);

　　?雙隊(duì)列模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(QADC) ;

　　?雙CAN2.0B控制器模塊(TouCANs);

　　?隊(duì)列串行多通道模塊(QSMCM)。

　　在設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)應(yīng)用MPC555微控制器過(guò)程中，廠商采取合作、聯(lián)合推廣等方式積極引導(dǎo)開(kāi)發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品市場(chǎng)。MPC555微控制器采用了IBM 微控制器的芯片結(jié)構(gòu)技術(shù)、AMD閃存存儲(chǔ)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- Num Solution、dSPACE等開(kāi)發(fā)出MPC555應(yīng)用板、I/O模塊、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、集成開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用軟件等嵌入式軟硬件系統(tǒng)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(yīng)的汽車(chē)電子應(yīng)用產(chǎn)品。從而形成了對(duì)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(jī)制已成為高科技領(lǐng)域成功的發(fā)展模式。

　　2、MPC555應(yīng)用軟硬件平臺(tái)及系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)，首先要選定與應(yīng)用產(chǎn)品所處環(huán)境和功能參數(shù)相匹配的微控制器作為核心控制系統(tǒng)。另外，完備、強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)環(huán)境技術(shù)支持也至關(guān)重要。伴隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，要求快速、靈活地開(kāi)發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品，盡量減少和縮短從決策、設(shè)計(jì)、研發(fā)、測(cè)試、修正到最終批量生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)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(yīng)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。基于模型設(shè)計(jì)(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(biāo)系統(tǒng)、應(yīng)用程序模塊化等先進(jìn)的開(kāi)發(fā)手段被廣泛應(yīng)用。另外，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行、管理應(yīng)用系統(tǒng)程序、系統(tǒng)的兼容通用性也至關(guān)重要。

　　一套完備的MPC555開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)主要由軟硬件平臺(tái)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(tái)狀態(tài)和信息;建立控制模型;模擬仿真應(yīng)用系統(tǒng)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(jī)器源代碼;通過(guò)BDM 接口將源代碼傳送到MPC555硬件平臺(tái);實(shí)時(shí)調(diào)試運(yùn)行應(yīng)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(jì)算公式、經(jīng)驗(yàn)公式等方式編制開(kāi)發(fā)程序，由系統(tǒng)自動(dòng)將其編譯成目標(biāo)代碼。在應(yīng)用程序經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬仿真，并實(shí)時(shí)調(diào)試運(yùn)行成功后被裝入MPC555硬件平臺(tái)。MPC555系統(tǒng)配有各類(lèi)應(yīng)用I/O模塊與通信接口，并裝有一套實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。

　　在操作系統(tǒng)的管理下，開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序在上位機(jī)監(jiān)控下和脫離上位機(jī)兩種環(huán)境下運(yùn)行驗(yàn)證。一些特定、重復(fù)任務(wù)的應(yīng)用程序被生成模塊化的庫(kù)文件已備調(diào)用。為了提高開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)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(yīng)用程序可以實(shí)時(shí)在線導(dǎo)入導(dǎo)出而絲毫不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)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(tǒng)平臺(tái)。表1列出了國(guó)內(nèi)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(tǒng)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(yīng)的交叉編譯器、 控制界面連接程序與硬件平臺(tái)相連，構(gòu)成一完整的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。在MPC555應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)OSEKWorks;調(diào)試工具LabCar和相應(yīng)MPC555的硬件開(kāi)發(fā)板;ADI公司的嵌入式系統(tǒng)的快速原型 SIMsystem;開(kāi)發(fā)平臺(tái)BEACON，以及Axiom、 Pi-technology 的MPC555硬件開(kāi)發(fā)系列產(chǎn)品等。

　　為了適應(yīng)嵌入式計(jì)算機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)日益龐大的特點(diǎn);實(shí)現(xiàn)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(tǒng)之間的通信暢通;盡可能地實(shí)現(xiàn)不同廠商的控制模塊間的互換性和兼容性，應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化成為迫切需要解決的課題。在汽車(chē)電子領(lǐng)域，CAN總線通信標(biāo)準(zhǔn)在物理層、數(shù)據(jù)鏈層定義了有關(guān)通信技術(shù)規(guī)范。 OSEK(Open Systems and the Corresponding InteRFaces For Automotive Electronics)技術(shù)規(guī)范是針對(duì)符合汽車(chē)電子開(kāi)放式系統(tǒng)及其接口的軟件規(guī)范所研發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。OSEK規(guī)范從實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)兩方面作了全面的定義與規(guī)定。該規(guī)范最先由德、法兩國(guó)汽車(chē)行業(yè)所倡導(dǎo)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(guó)際汽車(chē)電子領(lǐng)域的影響力日益增強(qiáng)。

　　在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)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(tái)”中，北京西曼自動(dòng)化技術(shù)有限公司配合課題承擔(dān)方——清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tái)以及集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括：MPC555評(píng)估板、MPC565單板系統(tǒng)、OSEKLinux 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等。這些為發(fā)展我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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。

　　3、MPC555微控制器在汽車(chē)電子領(lǐng)域的應(yīng)用

　　MPC555推出不久，便于1999年獲得汽車(chē)行業(yè)國(guó)際PACE汽車(chē)創(chuàng)新產(chǎn)品優(yōu)秀獎(jiǎng),并在嵌入式計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域，特別是汽車(chē)電子應(yīng)用領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。由于其優(yōu)良的性能和強(qiáng)大的市場(chǎng)推廣力度，MPC555在各個(gè)層次，從高科技研發(fā)項(xiàng)目、終端用戶(hù)(汽車(chē)制造廠家)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(yīng)用MPC555產(chǎn)品。例如，美國(guó)MoBIES (Model-Based Integration of Embedded System)基于模型一體化嵌入式系統(tǒng)科研項(xiàng)目。MoBIES是由美國(guó)國(guó)防部DOD(Department of Defense)國(guó)防高技術(shù)研究項(xiàng)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(xiàng)目。此項(xiàng)目旨在為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于模型的軟件組件集成技術(shù)。MoBIES項(xiàng)目日期從2000年6月開(kāi)始到2003年11月結(jié)束。該項(xiàng)目的汽車(chē)OEP(Automobile Open Experimental Platform，汽車(chē)動(dòng)力控制系統(tǒng)開(kāi)放式試驗(yàn)平臺(tái))由Vehicle Dynamic Laboratory承擔(dān)，采用MPC555為系統(tǒng)硬件控制單元。MPC555被重視的程度日益加強(qiáng)。

　　MPC555微控制器在汽車(chē)電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是目前被國(guó)際汽車(chē)電子系統(tǒng)廣泛采用的新一代芯片。MPC500系列產(chǎn)品在2000年汽車(chē)行業(yè)的年銷(xiāo)售額達(dá)10億美元之多(據(jù)Motorola報(bào)道)。國(guó)外的汽車(chē)電子工業(yè)已形成了從半導(dǎo)體硬件到軟件到部件開(kāi)發(fā)，再到系統(tǒng)集成應(yīng)用的一整套開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)體系。圍繞著汽車(chē)制造商，形成了專(zhuān)業(yè)化、可提供全套應(yīng)用系統(tǒng)的各類(lèi)供應(yīng)商：從硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員和制造商在生產(chǎn)一線開(kāi)發(fā)、調(diào)試新產(chǎn)品等。這大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

　　MPC555微控制器在汽車(chē)電子領(lǐng)域的應(yīng)用范例：

　　BMW 的 Valvetronic 電子閥門(mén)系統(tǒng)為目前國(guó)際最先進(jìn)的動(dòng)力控制系統(tǒng)技術(shù)(其三種車(chē)型已在道路上運(yùn)行);

　　Ford 的Taurus 動(dòng)力控制系統(tǒng);

　　由BMW 聯(lián)合Motorola 等開(kāi)發(fā)的Byteflight數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)(用于安全氣囊);

　　Siemens VDO 汽車(chē)動(dòng)力管理一體化系統(tǒng);

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

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

　　韓國(guó)現(xiàn)代公司最新燃料電池轎車(chē)SANTA FE FCEV (EVS19展出的)的總成控制;

　　MoBIES 項(xiàng)目OEP汽車(chē)動(dòng)力控制開(kāi)放式試驗(yàn)平臺(tái)硬件控制單元(ECU)。

　　汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、底盤(pán)系統(tǒng)、車(chē)體以及安全系統(tǒng)等逐漸從傳統(tǒng)的機(jī)械、液壓結(jié)構(gòu)向電子結(jié)構(gòu)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。GPS全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航、穩(wěn)定管理、電制動(dòng)、自動(dòng)駕駛以及防撞車(chē)、語(yǔ)音識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)化、夜間辨別加強(qiáng)等系統(tǒng)都在積極的開(kāi)發(fā)應(yīng)用當(dāng)中。另外，通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)獨(dú)立功能的子系統(tǒng)連接形成實(shí)時(shí)的資源共享，使系統(tǒng)集成化、智能化。例如，底盤(pán)穩(wěn)定控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)制動(dòng)、駕駛和懸掛系統(tǒng)信息的獲得而得以?xún)?yōu)化。

　　4、MPC555應(yīng)用發(fā)展前景

　　MPC555嵌入式系統(tǒng)在汽車(chē)行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(fèi)熱點(diǎn)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。隨著中國(guó)加入WTO, 競(jìng)爭(zhēng)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(shì)將是 “from the sheet metal to software”。傳統(tǒng)汽車(chē)制造業(yè)必然要與信息、計(jì)算、電子技術(shù)相結(jié)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(yīng)用到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)當(dāng)中。MPC555在汽車(chē)電子領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷得到提升。我們有必要加大開(kāi)發(fā)MPC555嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，推進(jìn)我國(guó)汽車(chē)電子行業(yè)的發(fā)展。