通用的汽车ECU开发平台

摘要

　　随着汽车行业的发展,汽车电子在汽车中的作用越来越重要。尤其是汽车ECU,协调汽车各部分工作,如同汽车的"大脑",在汽车安全稳定行驶以及汽车的舒适性方面具有极其重要的作用。现阶段,国内外越来越多的厂商和高校在汽车ECU研发上投入大量的资源,希望能够研制出高性能汽车ECU,促进国内汽车产业的发展。

　　不同类型的汽车所使用的汽车ECU有着自己的特点,但具有一定的共性,差别主要体现在功能的侧重点不同。针对这些共性,可W设计出一种适用于不同车辆的汽车ECU,即通用的汽车ECU。本文通过分析传统ECU的设计要点和功能需求,采用模块设计方法,提出了一种通用汽车ECU的实现方案,通过对所设计的汽车ECU进行相关配置即可用于不同类型车辆。本文着重实现汽车ECU的各种基本功能,具体的汽车控制方案由其他研发人员提供。汽车控制方案实现人员在设计自己的汽车ECU时,只需要提供控制方案,设置相关参数即可。本文从硬件和软件角度,以及分别从数据输入输出模块、通信模块、数据存储模块和故障诊断等方面介绍了通用汽车ECU的实现方案。在设计时着重强调了其通用性。在硬件方面设计时突出了其可配置性;在软件方面,通过移植德国3S公司的CoDeSys,在嵌入式平台上实现了软PLC,利用嵌入式软PLC这个开放软件平台,极大方便各种汽车控制方案的实现。另外,本系统通过简洁的电路,可以实现在线故障检测,一旦出现故障可及时发现并执行相应故障处理措施。

　　关键词:通用性;汽车ECU;硬件;软件;软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初始定义为Engine　Control　Unit(发动机控制单元),用于特指电喷发动机的电子控制系统[1]。随着汽车电子的快速发展,ECU的具体的含义也发生了巨大的变化,成为Electronic　Control　Unit(电子控制单元)的缩写,通常用来泛指汽车上所有电子控制系统,具体来说可是指调速ECU,也可1心是指转向ECU,还可指应用于其他地方的ECU。原来的含义发动机控制单元,或者称为发动机ECU,现在有很多的公司称么为EMS,即Engine　Management　System。随着汽车电子的自动化程度不断提高,汽车零部件中也出现了越来越多的ECU,线路么间复杂程度也急剧增加。通常使用一些总线能将车辆上多个ECU之间的信息传递形成一个局域网络,常见的一种就是CAN总线[2-3]。目前德尔福,博世,电装,大陆的VDO等都是汽车ECU行业的领导者[4]。

　　现阶段,各厂商的汽车ECU都是适用于某一种特定车型。为了节约开发成本,提高生产效率,各厂商迫切希望有一种通用的汽车ECU,可适用于各种汽车和一般工程车辆。在此背景下,着名汽车生产厂商沃尔沃公司提出希望能够有一款经过简单配置就可yX适用于不同车辆的汽车ECU。针对沃尔沃公司的实际需求以及汽车电子市场的市场情况,本文设计了一款具有极强通用性的汽车ECU开发平台改革开放后,我国的汽车行业发展非常迅猛,现阶段形成了相对完整的工业体系,成为我国支柱产业以。中国的汽车市场在不远的将来会是发展潜力最大的市场这一观点,己经得到普遍的认同。根据汽车工业协会统计:2009年,中国成为世界上最大的汽车销售市场,同时结束了美国由福特公司开始在汽车市场跨越一个多世纪的统治地位[6]。在2009年,中国的汽车产量比美国的汽车产量和日本的汽车产量相加还多,中国的汽车产销总置分别达到1379.1万辆和1364.8万辆,同比增长48.30%和46.15%。

　　我国汽车的产销总量正在逐年递增,在2015年,汽车产销总量分别达到2450.33万辆和2459.76万辆[叫。

　　汽车电子控制单元(汽车ECU)是现代汽车中技术含量最高同时也是利涧空间最大的部件之一,长期^文来汽车生产厂商^文及零部件供应商对此高度重视。伴随着科学技术的发展,汽车电子设备在汽车中的应用越来越广泛作用越来越强,使得汽车的电子化程度不断提高。目前汽车电子信息产品在汽车总成本中所占的比例平均高达的1/3。

　　随着科技的发展、社会的进步这个比例在不断上升。根据一些专家的分析,未来10年内该比例可能会达到40%[8]。汽车ECU相当于汽车的"大脑",控制这些电子装备协调工作。随着人们对汽车智能化和人性化的要求的提高,汽车ECU的应用无疑会越来越广泛,并且作用也会越来越重要。

　　汽车电子行业在很大程度上属于电子产业。自从进入21世纪以来,我国的电子信息产业得到了持续快速发展,技术水平、产业规模及产业结构都得到大幅提升。但需要正确认识到的是,这些成绩仅表现在在加工制造方面,而在基础研巧方面还很薄弱,对国外技术的依赖程度相当高[9]。在硬件上,从电感、电容、电阻直至集成芯片,几乎全是从国外的公司购买;在软件方面,从开发工具到核必软件,也是几乎全由国外公司提供;在生产方面,从贴片到出厂,一系列的生产设备和测试设备也全由国外公司包办。芯片厂商针对特定的应用,提供的专用芯片解决方案使汽车电子产品的开发周期变短、成本降低,而且质量有保障。所以目前几乎所有的汽车电子单元全是由芯片厂商提供设计方案进行二次开发。微电子行业技术薄弱是决定了我国的汽车电子产业总体上受制于国外技术的根本原因。

　　基于以上实际情况,本文设计一个通用的汽车ECU开发平台,提供给相关开发人员使用,帮助他们快速地实现汽车控制方案,设计出符合特定车辆的汽车ECU。该开发平台不仅仅适用于汽车的发动机控制,还能适用于对汽车其他电子器件的控制。该控制器具备的特点主要包括:

　　(1)高度灵活的可配置性:数字量端口的功能可配置,模拟量端口的模拟量采样类型和范围可配置,部分模巧量端口可以配置为数字量输入端口等。根据具体的应用背景可基本满足输入输出要求。

　　(2)在控制器上移植了德国3S公司的CoDeSys软件。这是一款与制造商无关的圧C61131-1编程软件,在嵌入式平台上实现了软PLC,使得开发人员可以利用圧C61131-3标准CFC、SFC、IL、LD、ST、FBD六种PLC编程语言实现具体的汽车控制方数大大缩短了相关开发人员的开发周期,提高工作效率。

　　(3)具备故障诊断功能。本系统设计的时候对于相关的参数设计了故障诊断环节。一旦出现故障,能够自动快速检测出来。同时执行相应的故障处理模块,处理故障并且记录存储故障信息。

　　通用的汽车ECU开发平台功能测试：

正常负载时高边低负荷电路控制输出端上升沿跳变

正常负载时控制输出端高边低负荷电路电压下降沿跳变

负载开路时高边低负荷电路控制输出端上升沿跳变

负载短路时CPLD输出管脚输出电压跳变时检测输入端电压波形

负载短路时低边低负荷电路CPLD输出管脚输出电压跳变时检测输入端电压波形

负载开路时低边低负荷电路 

目录

　　摘要
　　Abstract
　　1 绪论
　　　　1.1 课题研究背景和意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　1.3 论文主要工作
　　　　1.4 论文结构安排
　　2 通用汽车ECU总体设计
　　　　2.1 系统需求分析
　　　　2.2 系统总体结构设计
　　　　2.3 系统性能指标
　　　　2.4 本章小结
　　3 通用汽车ECU的硬件设计
　　　　3.1 硬件总体框架设计
　　　　3.2 控制模块设计
　　　　　　3.2.1 控制核也的巧片选型
　　　　　　3.2.2 时钟电路的设计
　　　　　　3.2.3 复位电路的设计
　　　　　　3.2.4 程序装载和调试接口电路
　　　　3.3 外部模块的设计
　　　　　　3.3.1 电源模块电路
　　　　　　3.3.2 故障诊断电路
　　　　　　3.3.3 数据输入输出模块
　　　　　　3.3.4 通信模块
　　　　　　3.3.5 存储模块
　　　　3.4 PCB电路板设计
　　　　3.5 本章小结
　　4 通用汽车ECU的软件设计
　　　　4.1 系统时钟的软件设计
　　　　4.2 数据输入输出软件实现
　　　　　　4.2.1 故障诊断的的软件设计
　　　　　　4.2.2 数字量端口功能可配置的软件设计
　　　　　　4.2.3 模拟量采样软件设计
　　　　　　4.2.4 模拟量输出软件设计
　　　　4.3 通信模块软件设计
　　　　　　4.3.1 RS232通信程序的设计
　　　　　　4.3.2 CAN通信软件设计
　　　　4.4 存储扩展模块软件设计
　　　　　　4.4.1 扩展Nor　Flash软件设计
　　　　　　4.4.1 扩展SRAM软件设计
　　　　4.5 软件调试
　　　　　　4.5.1 串口的格式化输出
　　　　　　4.5.2 定位硬件错误中断
　　　　4.6 本章小结
　　5 软件通用性实现
　　　　5.1 软PLC基本介绍
　　　　5.2 嵌入式软PLC的实现——移植CoDeSys
　　　　5.3 PC端开发环境介绍
　　　　5.4 本章小结
　　6 系统主要功能的测试
　　　　6.1 故障诊断模块测试
　　　　6.2 时钟频率测试
　　　　6.3 RS232串口通信测试
　　　　6.4 Flash模块测试
　　　　6.5 嵌入式软PLC实现测试
　　　　6.5 本章小结
　　7 总结与展望
　　致谢
　　参考文献
　　附　录

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