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                        通用的汽車ECU開發平臺

                        添加時間:2018/12/21 來源:南京理工大學 作者:陳家雨
                        本文針對現階段汽車產業和汽車ECU發展狀態,結合沃爾沃公司的實際產品需求,基于恩智浦的MK66FX1M0VLQ18,希望能夠設計出一款通用的汽車ECU開發平臺。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          隨著汽車行業的發展,汽車電子在汽車中的作用越來越重要。尤其是汽車ECU,協調汽車各部分工作,如同汽車的"大腦",在汽車安全穩定行駛以及汽車的舒適性方面具有極其重要的作用,F階段,國內外越來越多的廠商和高校在汽車ECU研發上投入大量的資源,希望能夠研制出高性能汽車ECU,促進國內汽車產業的發展。

                          不同類型的汽車所使用的汽車ECU有著自己的特點,但具有一定的共性,差別主要體現在功能的側重點不同。針對這些共性,可W設計出一種適用于不同車輛的汽車ECU,即通用的汽車ECU。本文通過分析傳統ECU的設計要點和功能需求,采用模塊設計方法,提出了一種通用汽車ECU的實現方案,通過對所設計的汽車ECU進行相關配置即可用于不同類型車輛。本文著重實現汽車ECU的各種基本功能,具體的汽車控制方案由其他研發人員提供。汽車控制方案實現人員在設計自己的汽車ECU時,只需要提供控制方案,設置相關參數即可。本文從硬件和軟件角度,以及分別從數據輸入輸出模塊、通信模塊、數據存儲模塊和故障診斷等方面介紹了通用汽車ECU的實現方案。在設計時著重強調了其通用性。在硬件方面設計時突出了其可配置性;在軟件方面,通過移植德國3S公司的CoDeSys,在嵌入式平臺上實現了軟PLC,利用嵌入式軟PLC這個開放軟件平臺,極大方便各種汽車控制方案的實現。另外,本系統通過簡潔的電路,可以實現在線故障檢測,一旦出現故障可及時發現并執行相應故障處理措施。

                          關鍵詞:通用性;汽車ECU;硬件;軟件;軟PLC

                        Abstract

                          Witrtre development of the automotive industry,tre role of automotive electronics in the vehicle is more and more important. In particular, the automobile ECU, like the car,s "brain" coordinates various parts of tre automotive 1:0 work efficiently. It,s very important for the safety stability and comfort of a car. Nowadays more and more domestic manufacturers and niversities invert a lot of resources in the research of automotive ECU, hoping to develop high-performance automotive ECU and promote the development of the domestic automotive industry.

                          The automotive ECUs used in different types of vehicles has their own charackristics, but we can find the generality from different automotive ECUs and the difference mainly manifests in focusing on different points.Against tre generality,we can design an automotive ECU for different vehicles, and 1:hat is general automotive ECU. In this paper, by analyzing l;he design points and functional requirements of the traditional ECU,using a modular design method, we put forward a realization of the general automotive ECU. We can get a certain automotive ECU applicable to a particular kind of vehicles by some configurations. This paper focuses on the realization of a variety of automotive ECU's basic functions,the specific vehicle control program provided by other R&D personnel. When the R&D personnel want tr develop their own aul:omotive ECU to control the vehicles, what they need to do is 0nly providing control program and setting the relevant paramet;ers.

                          In this paper,we introduced the general automotive ECU implementation from the perspective of hardware and software, and from the data inp山 and outp山 modules, communication modules, data storage modules and fault diagnosis, etc. We focus on the generality when we design the ECU. In hardware, we emphasize the configurability. In software^ we use a open software platform, the CoDeSys of German 3S company, to realize the soft-PLC in embedded platform. By this platform,ifs very convenient to realize a control program of a variety of vehicles. In addition, through a simple circuit, the system can realize 0nline fault deletion. Once a fault happened,l:he system can find it and perform the corresponding troubleshooting.

                          Key words:general,aiUomobile ECU, hardware, software,soft-PLC

                          ECU初始定義為Engine Control Unit(發動機控制單元),用于特指電噴發動機的電子控制系統[1]。隨著汽車電子的快速發展,ECU的具體的含義也發生了巨大的變化,成為Electronic Control Unit(電子控制單元)的縮寫,通常用來泛指汽車上所有電子控制系統,具體來說可是指調速ECU,也可1心是指轉向ECU,還可指應用于其他地方的ECU。原來的含義發動機控制單元,或者稱為發動機ECU,現在有很多的公司稱么為EMS,即Engine Management System。隨著汽車電子的自動化程度不斷提高,汽車零部件中也出現了越來越多的ECU,線路么間復雜程度也急劇增加。通常使用一些總線能將車輛上多個ECU之間的信息傳遞形成一個局域網絡,常見的一種就是CAN總線[2-3]。目前德爾福,博世,電裝,大陸的VDO等都是汽車ECU行業的領導者[4]。

                          現階段,各廠商的汽車ECU都是適用于某一種特定車型。為了節約開發成本,提高生產效率,各廠商迫切希望有一種通用的汽車ECU,可適用于各種汽車和一般工程車輛。在此背景下,著名汽車生產廠商沃爾沃公司提出希望能夠有一款經過簡單配置就可yX適用于不同車輛的汽車ECU。針對沃爾沃公司的實際需求以及汽車電子市場的市場情況,本文設計了一款具有極強通用性的汽車ECU開發平臺改革開放后,我國的汽車行業發展非常迅猛,現階段形成了相對完整的工業體系,成為我國支柱產業以。中國的汽車市場在不遠的將來會是發展潛力最大的市場這一觀點,己經得到普遍的認同。根據汽車工業協會統計:2009年,中國成為世界上最大的汽車銷售市場,同時結束了美國由福特公司開始在汽車市場跨越一個多世紀的統治地位[6]。在2009年,中國的汽車產量比美國的汽車產量和日本的汽車產量相加還多,中國的汽車產銷總置分別達到1379.1萬輛和1364.8萬輛,同比增長48.30%和46.15%。

                          我國汽車的產銷總量正在逐年遞增,在2015年,汽車產銷總量分別達到2450.33萬輛和2459.76萬輛[叫。

                          汽車電子控制單元(汽車ECU)是現代汽車中技術含量最高同時也是利澗空間最大的部件之一,長期^文來汽車生產廠商^文及零部件供應商對此高度重視。伴隨著科學技術的發展,汽車電子設備在汽車中的應用越來越廣泛作用越來越強,使得汽車的電子化程度不斷提高。目前汽車電子信息產品在汽車總成本中所占的比例平均高達的1/3。

                          隨著科技的發展、社會的進步這個比例在不斷上升。根據一些專家的分析,未來10年內該比例可能會達到40%[8]。汽車ECU相當于汽車的"大腦",控制這些電子裝備協調工作。隨著人們對汽車智能化和人性化的要求的提高,汽車ECU的應用無疑會越來越廣泛,并且作用也會越來越重要。

                          汽車電子行業在很大程度上屬于電子產業。自從進入21世紀以來,我國的電子信息產業得到了持續快速發展,技術水平、產業規模及產業結構都得到大幅提升。但需要正確認識到的是,這些成績僅表現在在加工制造方面,而在基礎研巧方面還很薄弱,對國外技術的依賴程度相當高[9]。在硬件上,從電感、電容、電阻直至集成芯片,幾乎全是從國外的公司購買;在軟件方面,從開發工具到核必軟件,也是幾乎全由國外公司提供;在生產方面,從貼片到出廠,一系列的生產設備和測試設備也全由國外公司包辦。芯片廠商針對特定的應用,提供的專用芯片解決方案使汽車電子產品的開發周期變短、成本降低,而且質量有保障。所以目前幾乎所有的汽車電子單元全是由芯片廠商提供設計方案進行二次開發。微電子行業技術薄弱是決定了我國的汽車電子產業總體上受制于國外技術的根本原因。

                          基于以上實際情況,本文設計一個通用的汽車ECU開發平臺,提供給相關開發人員使用,幫助他們快速地實現汽車控制方案,設計出符合特定車輛的汽車ECU。該開發平臺不僅僅適用于汽車的發動機控制,還能適用于對汽車其他電子器件的控制。該控制器具備的特點主要包括:

                          (1)高度靈活的可配置性:數字量端口的功能可配置,模擬量端口的模擬量采樣類型和范圍可配置,部分模巧量端口可以配置為數字量輸入端口等。根據具體的應用背景可基本滿足輸入輸出要求。

                          (2)在控制器上移植了德國3S公司的CoDeSys軟件。這是一款與制造商無關的圧C61131-1編程軟件,在嵌入式平臺上實現了軟PLC,使得開發人員可以利用圧C61131-3標準CFC、SFC、IL、LD、ST、FBD六種PLC編程語言實現具體的汽車控制方數大大縮短了相關開發人員的開發周期,提高工作效率。

                          (3)具備故障診斷功能。本系統設計的時候對于相關的參數設計了故障診斷環節。一旦出現故障,能夠自動快速檢測出來。同時執行相應的故障處理模塊,處理故障并且記錄存儲故障信息。

                          通用的汽車ECU開發平臺功能測試:

                        正常負載時高邊低負荷電路控制輸出端上升沿跳變
                        正常負載時高邊低負荷電路控制輸出端上升沿跳變

                        正常負載時控制輸出端高邊低負荷電路電壓下降沿跳變
                        正常負載時控制輸出端高邊低負荷電路電壓下降沿跳變

                        負載開路時高邊低負荷電路控制輸出端上升沿跳變
                        負載開路時高邊低負荷電路控制輸出端上升沿跳變

                        負載短路時CPLD輸出管腳輸出電壓跳變時檢測輸入端電壓波形
                        負載短路時CPLD輸出管腳輸出電壓跳變時檢測輸入端電壓波形

                        負載短路時低邊低負荷電路CPLD輸出管腳輸出電壓跳變時檢測輸入端電壓波形
                        負載短路時低邊低負荷電路CPLD輸出管腳輸出電壓跳變時檢測輸入端電壓波形

                        負載開路時低邊低負荷電路
                        負載開路時低邊低負荷電路 

                        目錄

                          摘要
                          Abstract
                          1 緒論
                            1.1 課題研究背景和意義
                            1.2 國內外研究現狀
                            1.3 論文主要工作
                            1.4 論文結構安排
                          2 通用汽車ECU總體設計
                            2.1 系統需求分析
                            2.2 系統總體結構設計
                            2.3 系統性能指標
                            2.4 本章小結
                          3 通用汽車ECU的硬件設計
                            3.1 硬件總體框架設計
                            3.2 控制模塊設計
                              3.2.1 控制核也的巧片選型
                              3.2.2 時鐘電路的設計
                              3.2.3 復位電路的設計
                              3.2.4 程序裝載和調試接口電路
                            3.3 外部模塊的設計
                              3.3.1 電源模塊電路
                              3.3.2 故障診斷電路
                              3.3.3 數據輸入輸出模塊
                              3.3.4 通信模塊
                              3.3.5 存儲模塊
                            3.4 PCB電路板設計
                            3.5 本章小結
                          4 通用汽車ECU的軟件設計
                            4.1 系統時鐘的軟件設計
                            4.2 數據輸入輸出軟件實現
                              4.2.1 故障診斷的的軟件設計
                              4.2.2 數字量端口功能可配置的軟件設計
                              4.2.3 模擬量采樣軟件設計
                              4.2.4 模擬量輸出軟件設計
                            4.3 通信模塊軟件設計
                              4.3.1 RS232通信程序的設計
                              4.3.2 CAN通信軟件設計
                            4.4 存儲擴展模塊軟件設計
                              4.4.1 擴展Nor Flash軟件設計
                              4.4.1 擴展SRAM軟件設計
                            4.5 軟件調試
                              4.5.1 串口的格式化輸出
                              4.5.2 定位硬件錯誤中斷
                            4.6 本章小結
                          5 軟件通用性實現
                            5.1 軟PLC基本介紹
                            5.2 嵌入式軟PLC的實現——移植CoDeSys
                            5.3 PC端開發環境介紹
                            5.4 本章小結
                          6 系統主要功能的測試
                            6.1 故障診斷模塊測試
                            6.2 時鐘頻率測試
                            6.3 RS232串口通信測試
                            6.4 Flash模塊測試
                            6.5 嵌入式軟PLC實現測試
                            6.5 本章小結
                          7 總結與展望
                          致謝
                          參考文獻
                          附 錄

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