MPC555微控制器與汽車電子

關(guān)鍵詞：MPC555 集成開發(fā)環(huán)境（IDE） 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS） 汽車電子

引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車在控制、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 555系列的代表產(chǎn)品，是專為汽車電子、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)。專業(yè)化嵌入式軟硬件開發(fā)公司：ETAS、Pi-Technology、Axiom、ADI、Opti-NumSolution、dSPACE等開發(fā)出MPC555應(yīng)用板、I/O模塊、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、集成開發(fā)工具、應(yīng)用軟件等嵌入式軟硬件系統(tǒng)與集成開發(fā)環(huán)境。汽車電子產(chǎn)品開發(fā)商：BOSCH、德爾福等開發(fā)出相應(yīng)的汽車電子應(yīng)用產(chǎn)品。從而形成了對(duì)MPC555專業(yè)化分工、聯(lián)合開發(fā)的產(chǎn)品鏈方式。這種產(chǎn)業(yè)/產(chǎn)品鏈的開發(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，集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDE）技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的重視?；谀Ｐ驮O(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開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)主要由軟硬件平臺(tái)和集成開發(fā)環(huán)境組成。集成開發(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)外專業(yè)公司開發(fā)的MPC555開發(fā)板情況比較。

在集成開發(fā)環(huán)境方面，各開發(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的硬件開發(fā)板；ADI公司的嵌入式系統(tǒng)的快速原型SIMsystem；開發(fā)平臺(tái)BEACON，以及Axiom、Pi-technology的MPC555硬件開發(fā)系列產(chǎn)品等。

為了適應(yīng)嵌入式計(jì)算機(jī)控制軟件開發(fā)日益龐大的特點(diǎn)；實(shí)現(xiàn)軟件開發(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)符合汽車電子開放式系統(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)汽車電子軟件行業(yè)的發(fā)展方向，在國(guó)際車電子領(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)算（863計(jì)劃）電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)課題“燃料電池客車多能源動(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，積極開發(fā)基于MPC500系列新一代汽車電子ECU軟硬件平臺(tái)以及集成開發(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)汽車電子關(guān)鍵核心技術(shù)，積極開發(fā)嵌入式軟硬件及集成開發(fā)環(huán)境。

表1 國(guó)內(nèi)外MPC555應(yīng)用開發(fā)板情況比較

3 MPC555微控制器在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用

MPC555推出不久，便于1999年獲得汽車行業(yè)國(guó)際PACE汽車創(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（汽車制造廠家）到各專業(yè)軟硬件開發(fā)商都予以高度的重視，并積極開發(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月開始到2003年11月結(jié)束。該項(xiàng)目的汽車OEP（Automobile Open Experimental Platform，汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)開放式試驗(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微控制器在汽車電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是目前被國(guó)際汽車電子系統(tǒng)廣泛采用的新一代芯片。MPC555系列產(chǎn)品在2000年汽車行業(yè)的年銷售額達(dá)10億美元之多（據(jù)Motorola報(bào)道）。國(guó)外的汽車電子工業(yè)已形成了從半導(dǎo)體硬件到軟件到部件開發(fā)，再到系統(tǒng)集成應(yīng)用的一整套開發(fā)和生產(chǎn)體系。圍繞著汽車制造商，形成了專業(yè)化、可提供全套應(yīng)用系統(tǒng)的各類供應(yīng)商：從硬件設(shè)計(jì)到軟件開發(fā)，以及各種專用控制原型的提供，再配用先進(jìn)的開發(fā)工具，使專業(yè)設(shè)計(jì)人員和制造商在生產(chǎn)一線開發(fā)、調(diào)試新產(chǎn)品等。這大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

以32位嵌入式微控制器為基本技術(shù)特征的新一代電控單元（Electronic Control Unit,ECU）已成為汽車電子發(fā)展應(yīng)用的主流。汽車工業(yè)是使用微控制器最多的工業(yè)，一輛現(xiàn)代汽車最多可使用達(dá)上百個(gè)微控制器（如圖1所示）。汽車電子系統(tǒng)占整車成本的比例在90年代末已超過(guò)了30%，現(xiàn)在還在繼續(xù)上升。

汽車電子行業(yè)的發(fā)展依賴于汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，以及后者在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域所處的重要地位。汽車電子的技術(shù)基礎(chǔ)來(lái)源于半導(dǎo)體行業(yè)、軟件開發(fā)、執(zhí)行器和傳感器等電子技術(shù)的發(fā)展。汽車電子產(chǎn)品能夠在高速移動(dòng)、苛刻和劇烈變化的環(huán)境下運(yùn)行，并且具有高可靠性、安全性、較強(qiáng)的機(jī)電結(jié)合性、適于大指和低成本的生產(chǎn)等特點(diǎn)。

國(guó)際汽車電子技術(shù)正處于全面快速發(fā)展的階段，其特征主要體現(xiàn)在四化一功能，即多樣的功能（從最初的發(fā)動(dòng)機(jī)電子點(diǎn)火與噴油發(fā)展到如今的各種控制功能，如自動(dòng)巡航、自動(dòng)啟停、自動(dòng)避撞等）、技術(shù)一體化（從最初的機(jī)電部件松散組合到如今的機(jī)液電磁一體化，如直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)電控共軌燃料噴射系統(tǒng)）、系統(tǒng)集成化（從最初的單一控制發(fā)展到如今睥多變量多目標(biāo)結(jié)合協(xié)調(diào)控制，如動(dòng)力總成綜合控制、集成安全控制系統(tǒng)等）、通信網(wǎng)絡(luò)化（從初期的多子系統(tǒng)分別工作到如今的分布式模塊化控制器局部網(wǎng)絡(luò)，如以CAN總線為基礎(chǔ)的整車信息共享的車載分布式控制系統(tǒng)，以及D2B無(wú)線通信為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程高頻網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)）、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化（如OSEK技術(shù)規(guī)范，將成為未來(lái)汽車電子行業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛被采用）。國(guó)外的汽車電子產(chǎn)業(yè)形成了從半導(dǎo)體到軟件到部件開發(fā)再到系統(tǒng)集成應(yīng)用的一整套的開發(fā)和生產(chǎn)體系。而國(guó)內(nèi)的汽車電子科研和產(chǎn)業(yè)還處于分散、分割、重復(fù)、重疊的低水平階段，現(xiàn)狀不容樂觀。

MPC555微控制器在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用范例：

*BMW的Valwetronic電子閥門系統(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等開發(fā)的Byteflight數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)（用于安全氣囊）；

*Siemens VDO汽車動(dòng)力管理一體化系統(tǒng)；

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

*Ford采用MPC500系列為Jaguar S-TypeSedans車型的點(diǎn)火、噴油、排氣控制；

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

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

汽車動(dòng)力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、車體以及安全系統(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、車身等控制方面都借助電子化的手段提高性能。GPA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、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)信息的獲得而得以優(yōu)化。

4 MPC555應(yīng)用發(fā)展前景

汽車電子技術(shù)的發(fā)展為提高整車性能起到了關(guān)鍵性的作用。隨著汽車電子化發(fā)展的深入，32位微控制器將逐漸取代8位、16位微控制器而成為主流應(yīng)用產(chǎn)品。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)重視以下領(lǐng)域技術(shù)的開發(fā)。

（1）軟件

標(biāo)準(zhǔn)的I/O驅(qū)動(dòng)模塊、實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言控制編程、基于模型的算法設(shè)計(jì)、自動(dòng)代碼生成及虛擬仿真測(cè)試。

（2）硬件

提供完整的與軟件系統(tǒng)一體化的硬件開發(fā)平臺(tái)。靈活、多功能的快速原型，硬件在環(huán)仿真HIL（Hardware-in-the-Loop）Simulation,Bypass方法的應(yīng)用等。

（3）快速原型建立軟硬件一體化應(yīng)用系統(tǒng)

采用快速原型建立目標(biāo)系統(tǒng)：基于模型設(shè)計(jì)建立控制算法；模擬系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試驗(yàn)證控制算法；模型實(shí)時(shí)檢驗(yàn)；系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測(cè)試、檢驗(yàn)、調(diào)試、修改；自動(dòng)生成源代碼、在線調(diào)試標(biāo)定。

（4）標(biāo)準(zhǔn)化

汽車電子正處于全面發(fā)展時(shí)期，相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)也處于建立、完善的階段。關(guān)通信、網(wǎng)絡(luò)規(guī)范、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)規(guī)范等技術(shù)規(guī)范日趨成熟。這類規(guī)范與針對(duì)性硬件系統(tǒng)到相滲透、互相依賴，成為一體。各大汽車公司聯(lián)盟爭(zhēng)先開發(fā)、建立不同的標(biāo)準(zhǔn)體系，以便在汽車電子競(jìng)爭(zhēng)中搶得先機(jī)。

汽車工業(yè)的發(fā)展圍繞安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的主題，為消費(fèi)者提供高質(zhì)量、安全可靠、多功能低價(jià)位的創(chuàng)新產(chǎn)品。開發(fā)商面臨的挑戰(zhàn)是如何在最短的時(shí)間內(nèi)將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。為了適應(yīng)這一特點(diǎn)，汽車行業(yè)以及IT行業(yè)的企業(yè)越來(lái)越認(rèn)同聯(lián)合開發(fā)的方式，并著重在制定標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一開發(fā)模式方面加大力度。

MPC555嵌入式系統(tǒng)在汽車行業(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)汽車制造業(yè)必然要與信息、計(jì)算、電子技術(shù)相結(jié)合，汽車生產(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)品的開發(fā)與生產(chǎn)當(dāng)中。MPC555在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷得到提升。我們有必要加大開發(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)汽車電子行業(yè)的發(fā)展。