0 引言

　　工程機(jī)械ECU(Electronic Control Unit)是工程機(jī)械的核心控制部件之一，它通過各種安裝在動(dòng)力系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的傳感器，感知系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以用戶的預(yù)期運(yùn)動(dòng)為目標(biāo)，由其內(nèi)部的控制算法實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的狀態(tài)控制[1]。目前國內(nèi)ECU廠商較少，且產(chǎn)品性能偏低，國內(nèi)ECU市場基本被國外產(chǎn)品所壟斷。

　　基于英飛凌公司新一代C166v2架構(gòu)微控制器XC2287M[2]設(shè)計(jì)了一款智能ECU，擁有高度復(fù)用的輸入輸出模塊和豐富的I/O資源，軟件上采用工程機(jī)械控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的CODESYS軟PLC平臺(tái)，支持IEC 61131-3定義的5種標(biāo)準(zhǔn)PLC語言進(jìn)行編程[3-4]。

1 硬件設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)的ECU采用XC2287M作為處理核心，通過XC2287M的外設(shè)資源擴(kuò)展PWM、DO、DI、AI和PI等工程機(jī)械常用輸入輸出接口。硬件部分包括主處理電路和外圍電路，外圍電路由電源電路、存儲(chǔ)器電路、安全監(jiān)控電路、輸入輸出電路和通信接口電路等組成。

　　1.1 主處理電路

　　主處理電路選用英飛凌公司具有32位性能的16/32位微控制器XC2287M作為控制核心，外圍電路基于XC2287M的外設(shè)資源進(jìn)行擴(kuò)展。XC2287M將高性能CPU和一組功能強(qiáng)大的外設(shè)單元以高效的方式互連，并集成到一顆芯片中，其原理框圖如圖1所示。

　　XC2287M的最高工作頻率為80 MHz，擁有16位外部數(shù)據(jù)總線，具有兩個(gè)可同步ADC、一個(gè)16通道捕獲/比較單元CC2、最多4個(gè)可產(chǎn)生靈活PWM信號(hào)的捕獲/比較單元CCU6、兩個(gè)多功能通用定時(shí)器單元GPT、最多8個(gè)通用串行通道USIC、最多6個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的MultiCAN和最多119個(gè)GPIO等豐富的外設(shè)資源，完全能夠滿足工程機(jī)械智能ECU的硬件需求。

　　1.2 電源電路

　　工程機(jī)械ECU由主機(jī)的蓄電池供電，電源電路將電池電壓轉(zhuǎn)換為ECU所需的3.3 V、5 V等內(nèi)部電壓，并對電源反接、過壓和過流等進(jìn)行保護(hù)。電源電路如圖2所示，其允許的輸入電壓范圍為9~36 V。

　　電源電路選用英飛凌公司的TLE6368多電壓處理器供電芯片[5]，它具有高效調(diào)壓系統(tǒng)、5.5 V~60 V寬輸入電壓、待機(jī)功耗低、可通過SPI進(jìn)行控制和診斷，非常適合于車載12 V/24 V蓄電池供電系統(tǒng)。TLE6368的輸入級(jí)使用肖特基二級(jí)管和瞬態(tài)抑制二級(jí)管實(shí)現(xiàn)電源反接和過壓保護(hù)；SPI接口與XC2287M的USIC相連，控制TRACK LDO輸出，并可關(guān)斷所有電源供電，使系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；WAKE引腳與整車的點(diǎn)火線開關(guān)相連，控制系統(tǒng)的上電，MCU監(jiān)測WAKE引腳的狀態(tài)，當(dāng)檢測到點(diǎn)火線開關(guān)關(guān)閉時(shí)，通過SPI關(guān)閉所有供電輸出。TLE6368為數(shù)字和模擬外設(shè)提供1路高達(dá)800 mA的5 V輸出，主處理器和與主處理器相連的數(shù)字電路使用3.3 V輸出，6路TRACK LDO輸出并聯(lián)起來提供高達(dá)100 mA的5 V傳感器供電輸出。

　　1.3 功率級(jí)輸出電路

　　功率級(jí)輸出用于控制外部電磁閥、電機(jī)等執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對整車動(dòng)作的控制。圖3為2.5 A功率級(jí)輸出電路的原理圖。BTS5125L為2路智能高邊開關(guān)，導(dǎo)通電阻90 mΩ，負(fù)載電流可達(dá)3.7 A，提供短路保護(hù)、過壓保護(hù)、ESD保護(hù)和過熱關(guān)斷等功能，可通過狀態(tài)反饋引腳監(jiān)測輸出狀態(tài)，支持阻性、容性和感性負(fù)載。

　　BTS5215L的輸入引腳與XC2287M的CCU63的輸出引腳相連，實(shí)現(xiàn)PWM輸出和DO輸出的復(fù)用，可滿足不同負(fù)載需求。XC2287M的I/O端口在上電復(fù)位時(shí)為弱上拉，而BTS5215L的輸入為高有效，需要在輸入引腳連接10 kΩ下拉電阻以確保功率級(jí)在上電時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。BTS5215L的GND引腳連接100 Ω電阻實(shí)現(xiàn)反向電池電壓保護(hù)，輸出引腳連接的續(xù)流二級(jí)管可支持感性負(fù)載。為了增加ECU的靈活性，BTS5215L的輸出引腳通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)與MCU的輸入引腳相連，通過軟件可以將輸出端口復(fù)用為輸入。

　　1.4 安全監(jiān)控電路

　　安全監(jiān)控電路選用英飛凌公司高性能8051微控制器XC866。XC2287M通過USIC與XC866的SSC相連，XC866工作在SPI從模式，用于監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制安全繼電器，并與工作在SPI主模式的XC2287M共同控制所有功率級(jí)輸出的使能。

　　XC2287M和XC866各有一個(gè)GPIO用作功率級(jí)使能信號(hào)（PWREN#），所有的功率級(jí)輸出（PWM和DO）都受MCU_PWREN#和DOG_PWREN#的共同控制，只有兩者都有效時(shí)，功率級(jí)輸出才被使能。

　　1.5 通信接口電路

　　ECU通過CAN總線連接支持CAN總線的傳感器，CAN總線還作為ECU與CODESYS編程環(huán)境的通信通道。通信接口電路由XC2287M的MultiCAN外接CAN總線收發(fā)器構(gòu)成[6]，其電路原理圖如圖4所示。

　　設(shè)計(jì)中XC2287M的工作電壓為3.3 V，CAN總線收發(fā)器選用NXP公司的TJA1042T/3，它兼容3 V～5 V微處理器接口，由VIO(I/O電平適配)引腳決定接口電平。為了提高兼容性，圖4中芯片的第5引腳連接了2個(gè)可選電阻，RXD引腳連接了2.2 kΩ限流電阻，該電路可兼容3 V～5 V系統(tǒng)，應(yīng)用時(shí)可根據(jù)需要選擇CAN總線收發(fā)器。設(shè)計(jì)中使用了分裂終端電阻形式，可以有效減少電磁發(fā)射并具有更高的抗干擾性。

2 軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 軟件總體框架

　　設(shè)計(jì)的ECU運(yùn)行CODESYS軟PLC運(yùn)行時(shí)，構(gòu)建了適合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的開放式、可擴(kuò)展ECU平臺(tái)。ECU軟件由Bootloader、BSP和C語言算法庫、安全監(jiān)控服務(wù)和CODESYS運(yùn)行時(shí)、IEC接口層、IEC應(yīng)用層等構(gòu)成，其軟件架構(gòu)框圖如圖5所示。

　　Bootloader用于系統(tǒng)程序下載和升級(jí)維護(hù)；BSP包含硬件驅(qū)動(dòng)程序，為上層提供平臺(tái)無關(guān)的接口；C語言算法庫實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，為應(yīng)用程序提供算法加速；安全監(jiān)控服務(wù)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；CODESYS運(yùn)行時(shí)為用戶IEC程序提供運(yùn)行環(huán)境，并通過Debug接口實(shí)現(xiàn)程序的斷點(diǎn)調(diào)試；IEC程序通過外部庫接口和I/O映像與運(yùn)行時(shí)和外部硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

　　2.2 Bootloader設(shè)計(jì)

　　工程機(jī)械ECU通常工作在較為惡劣的現(xiàn)場環(huán)境中，為了達(dá)到特定的防護(hù)等級(jí)，一般采用密封的外殼結(jié)構(gòu)。為了方便后續(xù)的升級(jí)與維護(hù)，需要在ECU中實(shí)現(xiàn)Bootloader，其工作流程如圖6所示。

　　Bootloader是系統(tǒng)上電之后運(yùn)行的第一段程序，它首先執(zhí)行基本的系統(tǒng)初始化和通信接口初始化，然后一直輪詢以檢查是否有上位機(jī)更新請求。當(dāng)接收到更新請求時(shí)，進(jìn)入更新服務(wù)流程，若100 ms內(nèi)無更新請求，檢查Flash中指定位置的應(yīng)用程序是否有效，有效時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的程序，無效時(shí)則進(jìn)入更新服務(wù)流程。

　　2.3 CODESYS運(yùn)行時(shí)移植

　　使用基于IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的CODESYS編程環(huán)境對硬件設(shè)備進(jìn)行編程之前，在設(shè)備中必須安裝部署CODESYS運(yùn)行時(shí)。基于XC2287M的運(yùn)行時(shí)移植主要包括對Main.c、RtsCst.c、RtsCst.h、RtsInc.h、RtsUsr.h、RtsUtil.c和RtsCan.c等文件的修改與適配。

　　RtsCst.c是移植工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它主要為運(yùn)行時(shí)提供I/O配置解析、I/O映像讀寫、外部庫函數(shù)接口的實(shí)現(xiàn)，以及IEC程序的保存與加載等功能。在移植中需要根據(jù)ECU的外設(shè)實(shí)現(xiàn)CstIOConfigChanged、CstReadInputs、CstWriteOutputs、CstGetExtRefTable、CstFlashProgram和CstLoadProgram等函數(shù)接口。

　　運(yùn)行時(shí)通過外部庫函數(shù)表為IEC程序提供外部庫函數(shù)接口。函數(shù)CstGetExtRefTable返回用戶外部庫函數(shù)表s_ExtRefTable的指針。s_ExtRefTable是以NULL結(jié)尾的結(jié)構(gòu)體ExtRef的數(shù)組，其成員結(jié)構(gòu)為：

　　typedef struct tagExtRef {

　　char szName[32];//外部庫函數(shù)名稱,通常為大寫

　　void(*pFunction)(void);//外部庫函數(shù)的函數(shù)指針

　　} ExtRef；

　　其中，szName為在CODESYS編程環(huán)境中調(diào)用此外部庫函數(shù)時(shí)使用的樁函數(shù)名稱，pFunction為指向運(yùn)行時(shí)中相應(yīng)函數(shù)的函數(shù)指針。任何需要由運(yùn)行時(shí)導(dǎo)出給IEC程序使用的用戶函數(shù)都需要包含在s_ExtRefTable中，C語言算法庫也由它提供給IEC程序調(diào)用。

　　2.4 安全監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

　　為了滿足工程機(jī)械的安全性要求，設(shè)計(jì)的ECU采用了雙CPU架構(gòu)。XC2287M為主CPU，負(fù)責(zé)執(zhí)行主要功能；XC866為看門狗CPU，負(fù)責(zé)對整個(gè)ECU進(jìn)行安全監(jiān)控，并在異常時(shí)關(guān)斷安全關(guān)鍵的外部輸出，確保系統(tǒng)安全。ECU的安全狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖7所示。

　　系統(tǒng)上電后，整個(gè)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，所有功率級(jí)輸出被關(guān)閉。主CPU嘗試與看門狗CPU建立通信，并下載安全關(guān)鍵的外設(shè)配置到看門狗CPU。成功建立通信后，看門狗CPU開始監(jiān)測安全關(guān)鍵外設(shè)和主CPU的狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。隨后主CPU與看門狗CPU周期性的交換狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)通信中斷或外設(shè)異常時(shí)，主CPU和看門狗CPU都將進(jìn)入安全狀態(tài)，并關(guān)閉所有安全關(guān)鍵的功率輸出。

3 結(jié)束語

　　設(shè)計(jì)的ECU具有豐富的I/O資源和完善的安全保護(hù)機(jī)制，支持在系統(tǒng)失效時(shí)切換到預(yù)定義的安全輸出狀態(tài)，保證異常條件下ECU及外圍設(shè)備的安全。ECU軟件遵循IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，可以通過CODESYS進(jìn)行用戶編程，支持5種標(biāo)準(zhǔn)PLC編程語言，提供豐富的外部庫函數(shù)接口。本設(shè)計(jì)具有編程靈活、性能穩(wěn)定、安全可靠、易于擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的ECU目前已經(jīng)成功應(yīng)用于包括挖掘機(jī)、推土機(jī)、高空作業(yè)車、大噸位平板車等在內(nèi)的多種工程機(jī)械車型，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61303045)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2012237)