CN1298572C - 微处理器式电动汽车多能源动力总成控制装置 - Google Patents

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Abstract

MPC500处理器式电动汽车多能源动力总成控制装置属于汽车电子控制技术领域，其特征在于它以32位汽车专用结构嵌入式微处理器为核心硬件，设计了对控制总线、地址/数据总线的扩展接口、串行通信接口、BDM调试端口以及各种I/O信号接口，构成核心主板，它和带双端口RAM接口的I/O扩展板，用板间插针型标准连接器相连，组成硬件平台。从而提高了***的集成度、车载可靠性和***技术性能；使控制装置可以通过CAN总线接口和双端口RAM接口与电动汽车多能源动力***每个部件的ECU相连，提高了应用灵活性和可移植性。它只需通过更换必要的软件模块就可适应纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车等不同型式电动汽车的需要。

Description

微处理器式电动汽车多能源动力总成控制装置
技术领域
微处理器式电动汽车多能源动力总成控制装置属于汽车电子控制技术，尤其涉及燃料电池构成的电动汽车多能源动力总成控制***领域。
背景技术
动力总成控制***作为一种新的设计理念，对汽车设计和制造产生了重大的影响。美国福特汽车公司2000年6月在MOBIES工程项目的启动报告中指出，动力总成控制***的开发已经成为汽车开发过程中的核心环节之一，相关的研究开发工作遍布全世界。但“多能源动力总成控制***”则是国家“十五”863计划提出的一个新***概念，这一概念源于传统汽车只有一个动力源，而现在的电动汽车有多个动力源。如燃料电池汽车的动力总成就是由燃料电池发动机、电池、超级电容器等多种能源构成的。由多能源构成的汽车动力总成对控制***的软硬件结构、控制算法提出了新的技术要求，如多能源的动力控制与合理分配问题、控制***的组成和体系结构问题等。多能源动力总成控制***的主要任务是对整车选定的动力总成***各零部件，在各零部件承担单位开发各自控制***的基础上，对整个动力***实施综合控制。基于MPC500系列微处理器的电动汽车多能源动力总成控制装置只需通过更换必要的软件模块，就可适应纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车等不同类型电动汽车的需要，形成多能源动力***控制***的硬件平台。
上海燃料电池汽车动力***有限公司“一种燃料电池轿车动力总成设计方法”已经申报了专利。本发明公开了一种燃料电池轿车动力总成设计方法。本发明的方法可用于燃料电池轿车产品开发过程以完成其动力总成参数的设计。该方法以多工况分析作为基础，可以优化燃料电池轿车动力总成配置方案，准确地计算出燃料电池轿车对动力总成中的燃料电池发动机分总成、其它能源供应分总成、电驱动分总成、多能源动力总成控制***的性能要求，同时确定动力总成的动态特性及高效工作区，并为各分总成的设计提供明确的目标和努力的方向。该方法可以支持多能源混合驱动汽车开发过程以完成其动力***参数设计。
中国第一汽车集团公司“一种新型的混合动力汽车动力总成”已经申报了专利。一种新型的混合动力汽车动力总成涉及以燃油和电为能源的混合动力汽车的动力总成。以解决目前混合动力汽车存在的上述缺点，改善混合动力汽车的使用性能、提高其燃油经济性、实现超低排放。它由发动机、主离合器、电机、动力合成装置、变速器、电池、传动轴、后桥及车轮组成，其特征在于还包括有次离合器，动力合成装置的两个输入端分别通过主离合器、次离合器与发动机的输出轴、电机的输出轴相联接，动力合成装置的输出端与变速器的输入轴相联接。
武汉理工大学“多能源动力总成半实物仿真测试***”已经申报了专利。一种多能源动力总成半实物仿真测试***。包括一台台式计算机、8路模数A/D采集卡、8路数模D/A转换卡、32路开关量I/O卡及与高速串口USB转换器连接的数字式信号发生器，软件开发平台Matlab/simulink，代替实际车辆运行的起动机、内燃发动机、电机、电池、离合器、变速器、车轮、车身、低压配电***总成的动态计算模型，使用汽车的动力学行驶方程建立各总成的能量平衡，各总成模型按自身特性工作，用A/D、D/A、I/O板卡、SCI和USB通信建立多能源动力总成控制器与模型计算机的联系，多能源动力总成控制器对模型进行参数控制和逻辑控制、模型的输出参量均通过A/D、D/A、I/O、CAN板卡和SCI通讯的方式传递，实际的控制器、各种信号转换板卡以及用来代替真实总成器件的仿真模型一起组成闭环测试***。
东风汽车公司“混合动力电动汽车的多能源台架布置方案”已经申报了专利。本发明属于汽车试验技术，特别涉及一种混合动力电动汽车的多能源台架布置方案；该方案是通过以下步骤实施的：A.发动机通过离合器与变速箱连接，主电机联接在变速箱后端，动力通过变速箱后经过差速器双向输出，通过减速机将双向输出合成到一个轴输出，以实现测功机与动力***的连接；B.发动机节气门控制器ECU1、ISG控制器ECU2、AMT控制器ECU3、主电机控制器PMU和电源管理***BMU都与整车控制器联接后，再由台架控制***向整车控制器发送和接收信号。该试验台架方案适合于混合动力汽车多能源动力总成，可以用来验证发动机、电动机、变速箱、ISG、AMT、电池、ECU、线束等零部件及***功能。
东风汽车公司“混合动力电动汽车的整车集成控制***”已经申报了专利。本发明属于汽车控制技术，特别涉及一种混合动力电动汽车的整车集成控制***，其特征在于：所述集成控制***主要由多能源动力总成控制***和由传统整车控制中的弱电控制、强电管理、整车故障保护、整车协调和仪表信号管理集成的整车控制***集合而成，所述多能源动力总成主要控制发动机和电机的功率分配。该***具有整车控制和多能源动力总成控制的功能。与传统的整车控制***和多能源动力总成控制***相比，功能增加了，体积大大减小，可靠性得到增强，控制的有效性和经济性都具有明显的提高。
“燃料电池电动汽车多能源动力总成控制***”是清华大学计算机系负责的燃料电池城市客车零部件课题的研究开发内容。技术特色是以摩托罗拉(MOTOROLA)公司新一代的汽车用32位MPC500系列微处理器为核心开发的硬件平台。截至目前，基于MPC500系列微处理器开发的多能源动力总成控制装置尚未见到。软件平台采用符合“汽车电子的开放式***及其接口软件规范”(OSEK规范)、自主研发的清华OSEK嵌入式实时操作***，以及多能源动力总成控制算法。由此可见，多能源动力总成控制***的研制不仅对燃料电池电动汽车项目本身，而且对汽车工业的发展都具有重大意义。
上述已申请的专利。上海燃料电池汽车动力***有限公司的是一种燃料电池轿车动力总成设计方法；中国第一汽车集团公司的是一种新型的混合动力汽车动力总成的组成结构；武汉理工大学的专利是一种多能源动力总成半实物仿真测试***；东风汽车公司的“混合动力电动汽车的多能源台架布置方案”专利，是一种多能源台架试验布置方案。这几项专利虽然与电动汽车多能源动力总成***相关，但和控制装置没有技术相关性。
东风汽车公司的“混合动力电动汽车的整车集成控制***”专利与本发明的相关度较高。该专利是一种混合动力电动汽车的整车集成控制***，其特征是把多能源动力总成控制***和传统整车控制组合在一起进行集成控制。是一种新型的控制体系结构，但不涉及基于具体微处理器的专门针对电动汽车多能源动力总成的控制装置。
发明内容
本申请的主要目的是为了克服已有技术的局限性和不足之处，提出一种新型的电动汽车多能源动力总成控制装置。该装置以32位汽车专用微处理器(运行温度是-45℃～+125℃)为核心硬件，配置了2M字节的SRAM和2M字节的FLASH存储器、设计了对控制总线、地址/数据总线的扩展接口、串行通信接口、CAN总线接口、BDM调试端口以及各种I/O信号接口，使控制装置的硬件集成度和技术性能大为提高。硬件平台由核心主板和I/O扩展板两部分电子线路板构成，I/O扩展板还设计了汽车ECU专用72针插座，并提供对双端口RAM接口的支持。使控制装置既可以通过CAN总线接口也可以通过双端口RAM接口，与电动汽车多能源动力***每个部件的电控单元(ECU，Electric Control Unit)进行通信和实现控制。控制装置只需通过更换必要的软件模块就可适应纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车等不同类型电动汽车的需要。
本发明的特征在于，它还含有：
核心主板，由以下部分构成：
MPC500微处理器；
与该MPC500微处理器相连的以下各部分；
电路板间插针型标准连接器，它包括：
JP1：外扩控制总线接口；
JP2：外扩地址总线、外扩数据总线接口和电源模块接口；
JP3：时间处理单元接口；
JP4：模数转换接口和串行***接口；
JP5：脉宽调制接口PWM、双功能MIOS(模块化输入输出***)接口、MIOS并行输入输出接口MPIO、2个CAN(控制器局域网)总线接口和2个串行通信接口。
还有：背景调试模式端口BDM；
配汽车专用72针连接器用的串口接口芯片和CAN接口芯片；
外部FLASH；
外部SRAM；
经数据锁存芯片和该微处理器MPC500相连的硬件复位控制字开关；
晶振和受控于硬件配置开关的总线驱动芯片；
此外，还有电源和复位芯片。
用于对核心主板上的接口信号进行有效扩展的I/O扩展板，它通过电路板间插针型标准连接器JP1～JP5与核心主板相连，并配备了汽车ECU(电控单元)专用72针插座，由以下部分构成：
汽车ECU专用72针插座，它包含有：
供电***接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP2中电源模块接口相连；
PWM和模拟信号输出接口：PWM输出接口和JP5的PWM接口相连，模拟信号输出接口经过高速光藕和JP5的PWM接口相连；
模拟信号输入接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP4中模数转换接口相连；
数字量输入/输出接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP5中MIOS并行输入输出接口MPIO相连；
TPU(时间处理单元)接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP3相连；
通信***接口，它包括：
串行通信接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP5中串行通信接口相连；
CAN通信接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP5中CAN总线接口相连；
双端口RAM接口。
数据总线驱动芯片：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP2中外扩数据总线接口和上述双端口RAM接口相连；
地址总线驱动芯片：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP2中外扩地址总线接口和上述双端口RAM接口相连；
地址译码芯片：它分别与上述电路板间插针型标准连接器的JP1中外扩地址总线接口、JP1中外扩控制总线接口和上述双端口RAM接口相连。
开关S1：共8位，其中
VPP位若置为“1”状态，作MPC500内部FLASH擦写操作和编程电压用；
EPEE位置为“1”状态，表示可以编程和擦写FLASH；
MODCK[1:3]三位：经数据锁存芯片驱动，与MPC500相连，以配置锁相环(PLL)/时钟操作模式；
开关S2、S3和S4：各8位，分别通过另外三个数据锁存芯片与数据总线相连，以实现硬件复位控制；
开关S5：共8位，对上述SRAM和FLASH做片选用。
已经完成的基于MPC500微处理器的电动汽车多能源动力总成控制装置的试验样机(THECU-2002)，配置了汽车ECU专用的72针连接器并按国家标准GB/T17619-1998通过了电磁兼容试验。
和现有的电动汽车动力总成***控制装置相比，本发明的具体技术效果是：
1)新一代车用32位PowerPC结构嵌入式微处理器的采用，提高了***的集成度、车载可靠性和***技术性能。截至目前，基于MPC500系列微处理器开发的电动汽车多能源动力总成控制装置尚未见到。
2)I/O扩展板电子线路设计上增加了双端口RAM接口。使控制装置既可以通过CAN总线接口也可以通过双端口RAM接口，与电动汽车多能源动力***每个部件的ECU进行通信和实现控制。使控制装置的应用灵活性、可移植性提高到一个新水平。
3)控制装置通信抗干扰性能的提高和运算控制速度的加快(在后面有详细介绍)，使多节点的电动汽车动力***分布式控制网络与接口技术水平、多能源***的优化调度与管理控制水平大大提高。
附图说明
图1.燃料电池电动汽车多能源动力总成***结构框图
图2.燃料电池电动汽车多能源动力总成控制装置THECU-2002型试验样机硬件结构图
图3.THECU-2002型试验样机核心主板的硬件原理框图
图4.THECU-2002型试验样机I/O扩展板的硬件原理框图
图5.MPC555微处理器引脚分布图
图6.存储器扩展原理图
图7.I/O扩展板电路原理图
图8.SRAM存储器的读周期时序图
图9.SRAM存储器的写周期时序图
具体实施方式
本发明提出的基于MPC500系列微处理器的电动汽车多能源动力总成控制装置的实施实例是研制开发了燃料电池电动汽车多能源动力总成控制***THECU-2002型试验样机，下面结合附图及实施实例进行详细说明。
燃料电池电动汽车多能源动力总成***架构如图1所示。动力***由电机及控制器、燃料电池、蓄电池、DC/DC变换器等构成，通过电气总线实现物理连接。动力总成ECU与部件ECU间通过CAN(控制器局域网)总线实现通信。本发明涉及的是动力总成电控单元部分(Powertrain ECU)。
燃料电池电动汽车多能源动力总成控制***THECU-2002型试验样机以MPC555微处理器为核心，对其功能进行的充分的扩展，外部存储器FLASH和SRAM分别外扩了2M的字节，整个试验样机以汽车ECU专用的72针连接器为物理接口，为汽车提供CAN总线通信、串行通信、数字量输入/输出、模拟量输入/输出、脉宽调制(PWM)输出以及时间处理单元(TPU)接口的功能。另外，还灵活设计了双端口RAM接口，使控制装置既可以通过CAN总线接口也可以通过双端口RAM接口，与电动汽车多能源动力***每个部件的ECU进行通信和实现控制。该试验样机可以在高速移动、苛刻的环境下工作，具有高度的设计灵活性、***可靠性和强大的扩展功能，并且适合大批量、低成本生产。控制装置支持CAN总线通信，具有较强的抗干扰能力，按国家标准GB/T17619-1998通过了电磁兼容试验。
THECU-2002型试验样机硬件平台由两部分电子线路板构成：核心主板和I/O扩展板。如图2所示。
THECU-2002型试验样机核心主板的原理框图如图3所示。核心主板的开发是采用美国MOROROLA公司的32位嵌入式车用MPC500系列微处理器，配备串行通信接口、CAN总线接口、BDM调试端口以及各种I/O信号接口。实现了控制总线、地址/数据总线扩展接口、TPU接口、PWM脉宽调制接口、A/D接口和I/O***接口等，存储器方面根据实际情况设计SRAM和FLASH各为2M字节。
为了更加适合电动汽车多能源动力总成控制的应用需要，增强核心主板的功能并对核心主板上的接口信号进行有效的扩展。我们进一步研制开发了样机的I/O扩展板。该I/O扩展板通过电路板之间插针型标准连接器和核心主板相连，构成了THECU-2002型试验样机的整体结构，其硬件原理框图如附图4所示。I/O扩展板主要功能是对核心主板的接口信号进行扩展，共由5大接口模块构成：JP1接口模块是对控制总线的扩展，JP2是对地址/数据总线的扩展，JP3是对TPU模块的扩展，JP4是A/D模块和SPI的扩展，JP5是对CAN总线、SCI、MDA、PWM、MPIO功能的扩展。另外扩展板上还增加了对双端口RAM接口的支持并设计配置了汽车ECU专用的72针连接器。
THECU-2002型试验样机的电路结构组成包括：微处理器MPC555、供电***、复位电路、外扩存储器、硬件配置控制字开关、背景调试端口(BDM)、双端口RAM接口电路、通信接口部分、数模转换电路以及汽车ECU专用的72针连接器接口电路等。参见附图5、6、7，主要电路组成部分如下。
(1)微处理器选用MOTOROLA公司的MPC555，外部晶振4MHz。主要引脚名称及功能简述见表1。MPC555的所有引脚名称参见附图5。
(2)供电***部分应用的主要芯片有两个(见图7)：LT1374I5和LT1587-CT3.3。这两个芯片都是LINEAR公司的产品。LT1374I5开关型稳压器(Switching Regulator)具有以下功能特性：6V～25V直流输入电压，5V/4.5A输出。操作温度-40℃～125℃。为***提供5V的供电电压。LT1587-CT3.3输入电压为4.75V～7V，3.3V输出，输出电流0mA～3A；为MPC555提供3.3V供电电压。
  引脚名称   功能
  PORESET   上电复位。
  HRESET   硬件复位。
  SRESET   软件复位。
  A[8:31]   地址总线。
  D[0:31]   数据总线。
  RD/WR   读/写信号线，指示数据传输方向。
  OE   输出有效。
  WE[0:3]   写有效，WE0确认D[0:7]数据，WE1确认D[8:15]，WE2确认D[16:23]，WE3确认D[24:31]。
  CS[0:3]   片选信号线。
  RSTCONF   复位配置—输入。在 HRESET信号确认时进行复位配置。
  VPP   内部FLASH擦写操作电压输入。
  EPEE   内部FLASH擦写操作控制信号线。
  MODCK[1:3]   时钟模式配置字。
  A_CNTX0   CAN控制器串行数据输出信号线。
  B_CNTX0   CAN控制器串行数据输出信号线。
  A_CNRX0   CAN控制器串行数据输入信号线。
  B_CNRX0   CAN控制器串行数据输入信号线。
  TxD[1:2]   SCI的串行数据输出信号线。
  RxD[1:2]   SCI的串行数据输入信号线。
  PWM[0:7]   脉冲宽度调制信号线。
  MPIO[0:15]   通用输入/输出信号线。
  A_TPU[0:4]   TPU功能引脚。
  DSCK   开发端口串行时钟
  DSDI   开发端口串行输入引脚
                              表1MPC555主要引脚功能简述
(3)复位电路采用了DALLAS公司的DS1233复位芯片(见图7)，其操作温度范围是-40℃～85℃。DS1233提供电源监控(有效改善***的电压监控精度及可靠性，当任意输入电压跌落到相应的检测门限以下时，芯片产生复位输出。)和按钮复位两种功能。在本控制装置中，我们使用了DS1233的按钮复位控制功能。PORESET(电源复位)按钮连接DS1233的 RST输出引脚，当按下PORESET按钮时，DS1233将产生350毫秒的复位脉冲(低电平有效)直到释放按钮，MPC555的 PORESET引脚确认复位脉冲信号之后，进入电源复位状态。当DS1233不在复位周期之中，它连续监控 RST信号等待低电平的上升沿，如果检测到这个上升沿，DS1233将反跳切换置 RST信号为低电平。内部定时器超时之后，DS1233将继续监控 RST信号线的电平。如果信号线依旧为低电平，DS1233将继续监控该信号线寻找上升沿，直到检测到一个释放信号，DS1233将置 RST信号为低电平并且保持350毫秒。
另外两个复位按钮(HRESET和SRESET)的功能是使MPC555产生硬件复位和软件复位操作。按下HRESET(硬件复位)按钮后，将向MPC555的 HRESET引脚发送一个低电平信号，当MPC555检测到一个 HRESET低电平信号的确认后，进入硬件复位状态。同样，如果按下SRESET(软件复位)按钮后，将向MPC555的 SRESET引脚发送一个低电平信号，当MPC555检测到一个 SRESET低电平信号的确认后，进入软件复位状态。
(4)THECU-2002型试验样机的外扩存储器包括FLASH和SRAM(见图6)。FLASH选用AMD公司的AM29LV800BB-90EC，共两片。总存储容量为2M字节。读写操作供电电压范围2.7～3.6V，访问时间为90纳秒。主要引脚名称及其功能说明如表2所示：
  引脚  功能描述   电路连接
  A[0:18]  地址输入。   与MPC555的地址引脚A[29:11]相连。
  DQ[0:14]  15位数据输入/输出。   第一片AM29LV800BB-90EC的DQ[0:15]引脚与MPC555的D[15:0]数据线相连，第二片AM29LV800BB-90EC的DQ[0:15]引脚与MPC555的D[31:16]数据线相连。
  DQ15/A-1  DQ15(数据输入/输出，字模式)，A-1(地址输入引脚，字节模式)。
  CE  芯片有效。   由S5开关控制。
  OE  输出有效。   与MPC555的RD/WR引脚相连。
  WE  写操作有效。   与MPC555的 OE引脚相连。
  RESET  硬件复位引脚，低电平激活。   与MPC555的 HRESET引脚相连。
  BYTE   接高电平。
                 表2AM29LV800BB-90EC芯片主要引脚说明及电路连接
其中 BYTE是用来控制数据I/O(输入输出)引脚DQ[0:15]操作是以字的模式还是以字节的模式的配置。也就是选择16位(字)模式还是8位(字节)模式。如果 BYTE设为逻辑“1”，FLASH配置为字的模式，DQ[0:15]引脚被激活并且由 CE、 OE引脚控制。如果 BYTE被设置为逻辑“0”，FLASH将被配置为字节模式。DQ[0:7]引脚被激活并且由 CE、 OE引脚控制。DQ[8:14]引脚处于三态(tri-stated)状态。在字节模式下，DQ15将作为输入引脚实现A-1地址功能。在我们的***中， BYTE被置为高电平，也就是把FLASH配置为字模式，DQ[0:15]用来作为数据输入/输出引脚。
SRAM选用ISSI公司的IC61LV5128-12K芯片，共四片，总存储容量为2M字节。访问时间为12纳秒。供电电压3.3V。主要引脚功能说明如表3所示：
  引脚   功能描述   电路连接
  A[0:18]   地址输入。   与MPC555的地址引脚A[29:11]相连。
  CE   芯片有效。   由S5开关控制。
  OE   输出有效。   与MPC555的 OE引脚相连。
  I/O[0:7]   输入/输出端口。   四片IC61LV5128-12K的I/O[0:7]引脚分别连接MPC555的数据线D[31:24]、D[23:16]、D[15:8]、D[7:0]。
  WE   写操作有效。   四片IC61LV5128-12K的 WE引脚分别连接MPC555的WE[0:3]引脚。
                   表3IC61LV5128-12K芯片主要引脚说明及电路连接
(5)五个硬件配置控制字开关(8位的拨位开关)。功能如表4所示。
 开关名称   功能描述
 S1开关，共8位。   VPP位   如果置为导通状态，将作为MPC555内部FLASH擦写和编程5V供电电压。
  EPEE位   MPC555内部FLASH编程或者擦写操作的控制信号。置为导通状态，表示可以编程擦写FLASH。
  MODCK[1:3]三位   经过PHILIPS公司的74LVC125芯片的驱动，与MPC555的MODCK[1:3]引脚相连。功能是配置时钟操作模式。
  EN_CFG位   如果置为导通状态，将允许配置MPC555的复位控制字，否则，使用复位控制字的缺省值。
 S2，S3，S4开关，各8位。   分别为D[16:23]、D[24:31]和D[0:7]的硬件复位控制字开关。S2，S3，S4开关通过3个PHILIPS公司的74LVC573A锁存芯片与数据总线相连，实现硬件复位控制功能。
 S5开关，共8位。   控制MPC555的四个片选信号CS0～CS3，前面四位是SRAM片选控制开关，后面四位是FLASH片选控制开关。本控制装置中SRAM片选信号为CS1，FLASH片选信号为CS0。
                    表4硬件配置控制字开关功能表
(6)通信***接口包括CAN总线通信、串口通信和双端口RAM接口。CAN控制器接口芯片选用PHILIPS公司的PCA82C250。由于MPC555内置两个TouCAN模块(CAN总线控制器)，所以选用两片PCA82C250作为接口芯片。供电电压范围是4.5V～5.5V。操作温度范围是-40℃～125℃。主要引脚功能如表5所示：
  引脚   功能描述   电路连接
  TxD   发送数据输入。   与MPC555的A_CNTX0和B_CNTX0引脚。
  RxD   接收数据输出。   连接MPC555的A_CNRX0和B_CNRX0引脚。
  CANL   CAN电压输入/输出的低电平   连接72针汽车ECU专用插座
  CANH   CAN电压输入/输出的高电平。   连接72针汽车ECU专用插座
  Rs   斜率电阻输入。   接地
            表5PCA82C250接口芯片主要引脚说明及电路连接
其中Rs引脚是斜率电阻输入，由跳线控制。共三种不同的操作模式选择：高速、斜率控制和备用模式。在高速操作模式下，发送输出的晶体管将尽可能快的切换，没有限制上升和下降斜率的测量。使用屏蔽电缆以避免射频干扰的(RFI：radio frequency interference)问题。可以通过Rs引脚接地来选择高速模式。对于低传输速率或者较短的总线长度的情况，总线可采用非屏蔽双绞线或者并行线。为了减少射频干扰，应该限制上升和下降的斜率。Rs引脚通过连接电阻来控制斜率的比例。如果Rs连接高电平，将进入低电流备用模式。在这种模式下，发送端将关闭，接收端切换到低电流模式。微处理器通过把发送端切换正常操作模式，才能正常工作。在本控制装置中，我们选用高速模式，也就是使Rs引脚接地。
串口通信的接口芯片选用MAXIM公司的MAX233AEWP。操作温度是-40℃～85℃。主要引脚功能说明如表6所示。
  引脚   功能描述   电路连接
  T1IN和T2IN   TTL/CMOS输入端。   与MPC555的SCI模块TxD[1:2]引脚相连。
  R1OUT和R2OUT   TTL/CMOS输出端。   与MPC555的SCI模块RxD[1:2]引脚相连。
  T1OUT和T2OUT   RS-232输出端。   与72针汽车ECU专用插座相连
  R1IN和R2IN   RS-232输入端。   与72针汽车ECU专用插座相连
                表6MAX233AEWP串行通信接口芯片引脚说明及电路连接
双端口RAM接口电路如表7所示。双端口RAM的接口包含在72针汽车ECU专用插座中。
  引脚   功能描述   电路连接
  A[0:10]   地址线   与MPC555的A[31:21]引脚相连。提供2K的双端口RAM的地址空间。
  D[0:7]   数据线   与MPC555的D[0:7]引脚相连。8位的数据宽度。
  WR   写有效   连接MPC555的 WE0引脚
  CS   片选信号   连接MPC555的 CS2引脚
  RD   读有效   连接MPC555的RD/ WR引脚
                     表7双端口RAM接口电路说明及电路连接
(7)模拟量输入/输出、PWM、数字量输入/输出及TPU功能引脚说明如表8所示。
  引脚  功能描述   电路连接
  ACC_IN  模拟量输入   连接MPC555的QADC模块的A_AN0引脚。
  BRK_IN  模拟量输入   连接MPC555的QADC模块的A_AN1引脚。
  AIN[2:7]  模拟量输入   连接MPC555的QADC模块的A_AN[2:7]引脚。
  PW[0:3]  PWM输出   连接MPC555的PWM[0:3]引脚。
  AO[0:3]  模拟量输出   MPC555的PWM[4:7]信号线经过高速光藕6N137隔离后输出。
  DIN[0:7]  数字量输入   连接MPC555的MPIO[0:7]引脚
  DOT[0:7]  数字量输入   连接MPC555的MPIO[8:15]引脚
  TPU[0:4]  TPU功能支持   连接MPC555的A_TPU[0:4]引脚。
              表8模拟量输入/输出、PWM、数字量输入/输出及TPU功能引脚说明
(8)汽车ECU专用的72针连接器功能组。
第一组引脚的功能是为控制装置的供电***。
第二组引脚提供4路PWM信号和4路模拟输出信号。
第三组引脚提供8路模拟输入信号。与MPC555的ADC(模数转换)模块连接，实现汽车模拟信号到数字信号的转换。
第四组引脚提供16路数字信号输入/输出功能。
第五组引脚提供通信功能，包括串行通信，CAN总线通信。
第六组引脚提供TPU功能。
第七组引脚提供对双端口RAM接口的支持。
表9给出了72针连接器的引脚定义和功能描述。
  组名   引脚名   性质   物理意义   备注
  第一组POWER   VBAT   24V电源输入
  VBAT
  DVIN   电压输入   数字量参考电压输入
  GND   ***地
  GND
  第二组AO/PWM   AO0   模拟输出量   水温控制(+)   量程：0-4.5V表示-20℃-100℃
  AO1   模拟输出量   水温控制(-)
  AO2   模拟输出量   电机转速控制(+)   量程：0-4.5V表示0-5400rpm
  AO3   模拟输出量   电机转速控制(-)
  PWM0   PWM输出
  PWM1   PWM输出
  PWM2   PWM输出
  PWM3   PWM输出
  第三组A_IN   ACC_IN   模拟输入量   加速踏板
  BRK_IN   模拟输入量   制动踏板
  AIN2   模拟输入量   汽车车速信号(+)   量程：0-9V
  AIN3   模拟输入量
  AIN4   模拟输入量
  AIN5   模拟输入量
  AIN6   模拟输入量
  AIN7   模拟输入量
  第四组D_I/O   DIN0   数字输入量   Fuel Cell Engine开关
  DIN1   数字输入量   紧急开关
  DIN2   数字输入量   R档(倒档)
  DIN3   数字输入量   I档
  DIN4   数字输入量   II档
  DIN5   数字输入量   N档(空档)
  DIN6   数字输入量   钥匙处在ON位置   表示进入真正的驱动状态
  DIN7   数字输入量   氢气泄漏
  DOT0   数字输出量   水温过热报警
  DOT1   数字输出量   Ready信号
  DOT2   数字输出量
  DOT3   数字输出量
  DOT4   数字输出量
  DOT5   数字输出量
  DOT6   数字输出量
  DOT7   数字输出量
  第五组COM_Port   CANH  CAN总线   高电平CAN电压输入/输出端
  CANL  CAN总线   低电平CAN电压输入/输出端
  CANH  CAN总线   高电平CAN电压输入/输出端
  CANL  CAN总线   低电平CAN电压输入/输出端
  TXD1  RS232   串行通信发送端
  RXD1  RS232   串行通信接收端
  TXD2  RS232   串行通信发送端
  RXD2  RS232   串行通信接收端
  第六组TPU   TPU0
  TPU1
  TPU2
  TPU3
  TPU4
  第七组DPRAM   ADDR0  双端口RAM地址线
  ADDR1  双端口RAM地址线
  ADDR2  双端口RAM地址线
  ADDR3  双端口RAM地址线
  ADDR4  双端口RAM地址线
  ADDR5  双端口RAM地址线
  ADDR6  双端口RAM地址线
  ADDR7  双端口RAM地址线
  ADDR8  双端口RAM地址线
  ADDR9  双端口RAM地址线
  ADDR10  双端口RAM地址线
  DATA0  双端口RAM数据线
  DATA1  双端口RAM数据线
  DATA2  双端口RAM数据线
  DATA3  双端口RAM数据线
  DATA4  双端口RAM数据线
  DATA5  双端口RAM数据线
  DATA6  双端口RAM数据线
  DATA7  双端口RAM数据线
  /WR  双端口RAM写信号
  /CS  双端口RAM片选信号
  /RD  双端口RAM读信号
表9汽车ECU专用的72针连接器功能解释
以上给出了控制装置的主要硬件电路组成结构及实现原理，下面将详细说明***的工作过程。
(1)上电复位前后***工作流程。
在***加电之前，须根据应用需要的不同对控制装置进行配置工作，主要是完成跳线的设置和硬件配置开关的置位。现举例说明如下。
S1中MODCK[1:3]置为“010”EN_CFG位置“0”。“1”表示导通，“0”表示未导通。置S5的第2位为“1”状态，使CS1导通，选中外部SRAM。S5的第5位CS0置为“1”状态，选中外部FLASH。
***上电之后，经过稳压器LT1374I5将输入电压转换为5V，为电子线路板上5V电压供电的芯片提供电压。再经过固定输出3.3V的稳压器LT1587-CT3.3，将5V电压转换为3.3V电压。为MPC555微处理器和3.3V供电电压的芯片供电。到此，整个控制装置的供电***已经完成。
在上电复位操作时，MPC555将检测 PORESET低电平的输入信号，确认后进入上电复位状态，根据MODCK[1:3]的信号确定晶振频率、锁相环(PLL：phase-locked loop)倍频因子、周期中断定时器时钟(PITRCLK)和时间基时钟源(TMBCLK)。并且MPC555还确认 HRESET和 SRESET引脚输入。在 PORESET的上升沿时将确定MODCK引脚的状态，本示例中MODCK[1:3]已经设置为“010”，因为晶振的频率为4MHz，所以主时钟参考频率为4MHz，PLL有效，正常操作模式，倍频因子为5，TMBCLK时钟将4分频，PITRCLK时钟将256分频。此时已经得到了***时钟频率。在退出上电复位状态之后，MPC555将继续驱动 HRESET和SRESET引脚持续512个***时钟周期。确认 HRESET信号后，在采样时间里( HRESET为低电平)， RSTCONF被确认，在本控制装置中， RSTCONF信号由硬件配置开关S1的EN_CFG位确定， RSTCONF信号应为高电平输入，此时在MPC555的硬件复位配置字寄存器的第20位 HC为0，***将从外部存储器启动。此时复位配置字由CMFCFIG寄存器提供。该寄存器中与装置启动相关的位有如下：
BDIS位为0，表示复位之后，存储器控制器Bank0被激活，BR0寄存器有效，MPC555的CS0片选信号有效，由S5的第5位开关选通CS0，***将从FLASH启动。
IP位为0，表示复位后，机器状态寄存器(MSR)寄存器中的IP位等于0，异常向量表将从FLASH的物理地址0x00000000处开始。由于是硬件复位操作，产生了***复位异常，根据异常向量表，程序指针应指向0x00000100处，***程序应该以此地址为入口，进行执行。
在 SRESET引脚驱动被确认后，调试端口的配置将从DSCK和DSDI引脚采样。
当512个时钟周期之后，MPC555停止驱动 HRESET和 SRESET引脚，上电复位操作完成。在一次上电复位操作中，包含了复位逻辑和PLL状态复位、***配置复位、时钟模块复位、 HRESET引脚驱动、调试端口配置、其他内部逻辑复位和 SRESET引脚驱动。
以上以一个示例描述了***从上电前硬件电路的开关配置和跳线设置工作开始，到***上电复位MPC555微处理器的信号流向和相关操作，以及完成复位的全过程。该示例也说明了本控制装置工作时的主要上电复位机制。
(2)存储器工作流程
对于外扩FLASH存储器，我们可以从表10中看出，在复位、读和写操作时FLASH芯片的引脚状态。
在FLASH复位时， RSET引脚与MPC555的 HRESET引脚相连，当确认MPC555有复位操作时， RSET为低电平，FLASH器件的各引脚状态详见表10。
注：“L”表示低电平，“H”表示高电平，“-”表示不影响操作
               表10FLASH存储器操作时各引脚的状态
在读FLASH操作时，MPC555的RD/WR和CS0引脚输出低电平信号驱动FLASH存储器 OE、 CE引脚为低电平。地址总线给出稳定的地址信号， CE信号用来选中FLASH存储器，OE为数据输出控制信号，允许数据输出。 WE引脚应保持输出高电平。此时，FLASH存储器的数据引脚将输出有效的数据，通过数据总线传送给MPC555微处理器的数据引脚，完成接收数据操作，也就是将数据读到指定的地址。
FLASH的写操作包括对FLASH的编程和擦写操作。 WE和 CE被驱动为低电平， OE为高电平。
在说明SRAM存储器读写周期时序之前，首先由表11给读/写周期的时间特性。
  标号   描述   最小时间   最大时间   时间单位
  tRC   读周期时间   12   -   纳秒
  tAA   地址访问时间   -   12   纳秒
  tWC   写周期时间   12   -   纳秒
  tSA   地址建立时间   0   -   纳秒
  tPWE   写脉冲宽度   8   -   纳秒
  tSD   数据建立到写结束   6   -   纳秒
  tHD   写结束后的数据保持时间   0   -   纳秒
                表11SRAM存储器读/写周期时间特性
SRAM的读周期时序要求如图8，在A点处，MPC555送存储单元的地址，读周期从此开始计算，为了在tRC时间之后，读出的数据真正在数据总线上稳定，所以要求在地址信号有效后，片选信号 CE有效。如果在地址信号有效后， CE不能及时到达有效电平，则很可能仅仅在内部数据总线上出现数据，而不能将数据送到***的数据总线上。C点之后，输出数据成为有效，并且只要地址信号和输出允许信号 OE没有撤销，那么输出数据就会一直保持有效。在整个读周期中， WE信号应该保持高电平。
SRAM的写周期时序要求如图9，在写周期开始时，先有一段地址建立时间tSA，在B点处，地址信号已经有效，在此时，MPC555置片选信号 CE和写信号 WE均为低电平，对于写入数据来讲，只要 CE和 WE为低电平时，数据能够稳定即可。写周期tWC就是A点到D点之间的时间，它时地址建立时间tSA、写脉冲宽度tPWE和写操作恢复时间tHD三者之和。
(3)汽车ECU专用72针插座
本发明设计配置的汽车ECU专用72针插座，为汽车控制的应用提供了多种功能接口，包括电池供电、模拟量输入/输出、PWM输出、数字量输入/输出、TPU功能、串行通信、CAN总线通信以及对双端口RAM接口的支持。
通过VBAT引脚为***提供24V电源，经过供电***电路控制装置可以获得5V和3.3V电压。汽车的加速踏板、制动踏板以及车速等信号可以通过72针插座之中的模拟量输入引脚输入，经过控制装置的模数转换模块将以上汽车的模拟输入量转换为数字量，交由MPC555微处理器处理。水温控制及电机转速控制等模拟量将从72针插座的模拟量输出引脚输出。控制装置还可以接收Fuel Cell Engine开关量、紧急开关、R档、I档、II档、N档和氢气泄漏等数字输入量，输出水温过热报警、Ready信号等数字输出量。另外，控制装置还提供了4路的PWM信号输出和TPU功能的支持。作为动力总成的控制装置，需要频繁地与其它ECU进行通信和传输控制信号，为此，我们在72针插座中提供了通信接口***，包括串口通信、CAN总线通信以及对双端口RAM的支持。下面将详细介绍这三种通信的工作过程。
串口通信：
在MPC555的内置队列式串行多通道模块(QSMCM：Queued Serial Multi-ChannelModule)中，有两个串行通信接口子模块(SCI：Serial Communication Interface)，通过串行总线与***设备和其他ECU进行通信。在控制装置通过SCI输出数据的过程中，MPC555将数据送到SCI的并行数据输出寄存器中(TDR：Transmit Data Register)，然后传输到串行发送移位寄存器(serial shifter)中，串行移位寄存器用移位的方法将并行数据变为串行数据，然后通过MPC555的引脚TxD[1:2]送往MAX233AEWP接口芯片，MAX233AEWP的功能是将TTL电平转换为RS-232口电平，可以同计算机串口相连，将采样数据实时发送至计算机以便监测。
在接收串行总线的数据时，首先由MAX233AEWP芯片作电平转换，数据从MPC555的RxD[1:2]引脚串行输入到接收移位寄存器中，接收移位寄存器将到达RxD[1:2]引脚的串行数据进行移位操作，变为并行数据传送到并行数据输入寄存器(RDR：Receive Data Register)中，然后传送到CPU中。
串口通信采用异步发送方式，当置SCI控制寄存器(SCCR)的发送允许位(TE)为“1”后，便开始发送过程。置SCCR寄存器的接收允许位(RE)为“1”后，将开始接收数据。数据传输格式为1位起始位、8位数据位和1位停止位的10位帧格式(无奇/偶校验位)。数据传输的波特率为9600位/秒。
CAN总线通信：
由于MPC555微处理器中已经内置了两个CAN总线控制器TouCAN模块，所以在我们的控制装置中无需外接CAN控制器芯片，只需连接CAN总线控制器的接口芯片PCA82C250。PCA82C250接口芯片的功能是对CAN控制器提供差动接收能力，对CAN总线提供差动发送能力。TouCAN模块提供四个引脚，A_CNTX0和B_CNTX0为串行数据的发送端，A_CNRX0和B_CNRX0为串行数据输入端。每个TouCAN模块中提供16个报文缓冲区，每个报文缓冲区具有发送和接收双重功能，另外TouCAN模块中还有两个串行数据缓冲区，分别负责数据的发送和接收。在同一时间里只能激活其中之一。
在发送数据时，TouCAN模块将数据从报文缓冲区中送入串行数据发送缓冲区，经A_CNTX0、B_CNTX0引脚送出，发送到PCA82C250接口芯片的TxD引脚，经过PCA82C250芯片的CANH引脚将数据从72针接口发送到CAN总线上。在接收数据时，CAN总线上的数据经过PCA82C250接口芯片RxD引脚发送到TouCAN的A_CNRX0、B_CNRX0端，由TouCAN模块的串行数据接收缓冲区接收到报文缓冲区。
双端口RAM接口的支持：
双端口RAM接口提供8位数据线D0～D7，11位地址线A21～A31与 WR、 CS和 RD配合工作，实现控制装置与其他电控单元的数据交换。DPRAM接口兼容2K和1K的双端口RAM， WR为低电平时双端口RAM写信号有效， CS为低电平时，双端口RAM片选信号有效， RD为低电平时，双端口RAM读信号有效。
(4)控制装置技术效果
和现有的电动汽车动力***控制装置相比，本发明的具体技术效果体现在，新一代车用32位PowerPC结构嵌入式微处理器的采用，提高了***的集成度、车载可靠性和***技术性能。在72针汽车ECU专用插座中设计增加了双端口RAM接口的支持，使控制装置既可以通过CAN总线接口也可以通过双端口RAM接口，与电动汽车多能源动力***每个部件的ECU进行通信和实现控制。控制装置的应用灵活性、可移植性提高到一个新水平。控制装置通信抗干扰性能的提高和运算控制速度的加快，使多节点的电动汽车动力***分布式控制网络与接口技术水平、多能源***的优化调度与管理控制水平大大提高。
控制装置技术效果对比及具体试验测试方案：
东风汽车公司的混合动力电动汽车的整车集成控制***采用的是16位微处理器MC912DG128A，其最高工作频率为8MHz。数据总线为16位，2组A/D转换口，每组8通道，4个PWM输出，需外接CAN总线控制器，无外扩存储器。而基于MPC500系列微处理器的电动汽车多能源动力总成控制装置采用32位汽车专用微处理器MPC555，时钟工作频率为40MHz，是MC912DG128A微处理器的5倍，提高了***的运算速度，并且MPC555还具有双精度浮点单元，能够处理较复杂的浮点运算，对多能源***的优化调度和***的管理控制水平都大为提高。同时，32位的数据总线宽度，使得存储器的吞吐量比16位微处理器增加了一倍，由于MPC555是MOTOLORA公司为汽车开发而生产的专用微处理器，所以其技术性能非常适合于汽车动力总成ECU控制器。它提供了2个32路的A/D转换模块，共64路的模拟量输入通道，8路PWM信号输出，TPU功能，集成CAN总线控制器TouCAN，它符合CAN2.0B规范，通信速度可达1Mbit/s。控制器集成度的提高，简化了控制装置电路的设计，也使得控制装置运行更加稳定和可靠。本控制装置还外扩了2M字节的FLASH和2M字节的SRAM，能够满足软件开发存储空间的需要，在本控制装置中运行清华OSEK、μC/OS-II以及嵌入式LINUX等实时操作***，无论在存储空间还是在处理速度上本控制装置均可满足要求。
对于控制装置通信***接口部分，我们采用三台控制装置(A、B、C)之间通过CAN总线方式进行数据通信的试验方案进行了测试。三台控制装置全部运行清华OSEK嵌入式实时操作***，控制装置A运行7个CAN通信的发送任务，每个任务将向CAN总线上发送数据，数据传输速率为1Mbit/s，控制装置B、C运行接收任务，从CAN总线上接收A所传的数据，由串行通信接口发送到PC机的串口显示出来。试验结果表明，本控制装置可以实现基于操作***的CAN总线通信，增强了通信能力和可靠性。另外，基于MPC500微处理器的电动汽车多能源动力总成控制装置的试验样机(THECU-2002)已按国家标准GB/T17619-1998通过了电磁兼容试验。在扫描频率为20MHz～1000MHz，试验场强60V/m环境下，本控制装置工作正常。

Claims (2)

1.微处理器式电动汽车多能源动力总成控制装置，包括微处理器，其特征在于，它还含有：
核心主板，由以下部分构成：
MPC500微处理器；
与该MPC500微处理器相连的以下各部分；
电路板间插针型标准连接器，它包括：
JP1：外扩控制总线接口；
JP2：外扩地址总线、外扩数据总线接口和电源模块接口；
JP3：时间处理单元接口；
JP4：模数转换接口和串行***接口；
JP5：脉宽调制接口PWM、双功能MIOS即模块化输入输出***接口、MIOS并行输入输出接口MPIO、2个CAN即控制器局域网总线接口和2个串行通信接口；
还有：背景调试模式端口BDM；
配汽车专用72针连接器用的串口接口芯片和CAN接口芯片；
外部FLASH；
外部SRAM；
经数据锁存芯片和该微处理器MPC500相连的硬件复位控制字开关；
晶振和受控于硬件配置开关的总线驱动芯片；
此外，还有电源和复位芯片；
用于对核心主板上的接口信号进行有效扩展的I/O扩展板，它通过电路板间插针型标准连接器JP1～JP5与核心主板相连，并配备了汽车ECU即电控单元专用72针插座，由以下部分构成：
汽车ECU专用72针插座，它包含有：
供电***接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP2中电源模块接口相连；
PWM和模拟信号输出接口：PWM输出接口和JP5的PWM接口相连，模拟信号输出接口经过高速光藕和JP5的PWM接口相连；
模拟信号输入接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP4中模数转换接口相连；
数字量输入/输出接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP5中MIOS并行输入输出接口MPIO相连；
TPU即时间处理单元接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP3相连；
通信***接口，它包括：
串行通信接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP5中串行通信接口相连；
CAN通信接口：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP5中CAN总线接口相连；
双端口RAM接口；
数据总线驱动芯片：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP2中外扩数据总线接口和上述双端口RAM接口相连；
地址总线驱动芯片：它与上述电路板间插针型标准连接器的JP2中外扩地址总线接口和上述双端口RAM接口相连；
地址译码芯片：它分别与上述电路板间插针型标准连接器的JP1中外扩地址总线接口、JP1中外扩控制总线接口和上述双端口RAM接口相连。
2.根据权利要求1所述的MPC500处理器式电动汽车多能源动力总成控制装置，其特征在于，所述的硬件复位控制字开关包含有：
开关S1：共8位，其中
VPP位若置为“1”状态，作MPC500内部FLASH擦写操作和编程电压用；
EPEE位置为“1”状态，表示可以编程和擦写FLASH；
MODCK[1:3]三位：经数据锁存芯片驱动，与MPC500相连，以配置锁相环即PLL/时钟操作模式；
开关S2、S3和S4：各8位，分别通过另外三个数据锁存芯片与数据总线相连，以实现硬件复位控制；
开关S5：共8位，对上述SRAM和FLASH做片选用。
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