0 引言

　　工程機械ECU(Electronic Control Unit)是工程機械的核心控制部件之一，它通過各種安裝在動力系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)上的傳感器，感知系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以用戶的預期運動為目標，由其內(nèi)部的控制算法實現(xiàn)工程機械的狀態(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)計了一款智能ECU，擁有高度復用的輸入輸出模塊和豐富的I/O資源，軟件上采用工程機械控制領(lǐng)域廣泛應用的CODESYS軟PLC平臺，支持IEC 61131-3定義的5種標準PLC語言進行編程[3-4]。

1 硬件設(shè)計

　　設(shè)計的ECU采用XC2287M作為處理核心，通過XC2287M的外設(shè)資源擴展PWM、DO、DI、AI和PI等工程機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)資源進行擴展。XC2287M將高性能CPU和一組功能強大的外設(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，具有兩個可同步ADC、一個16通道捕獲/比較單元CC2、最多4個可產(chǎn)生靈活PWM信號的捕獲/比較單元CCU6、兩個多功能通用定時器單元GPT、最多8個通用串行通道USIC、最多6個CAN節(jié)點的MultiCAN和最多119個GPIO等豐富的外設(shè)資源，完全能夠滿足工程機械智能ECU的硬件需求。

　　1.2 電源電路

　　工程機械ECU由主機的蓄電池供電，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、過壓和過流等進行保護。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、待機功耗低、可通過SPI進行控制和診斷，非常適合于車載12 V/24 V蓄電池供電系統(tǒng)。TLE6368的輸入級使用肖特基二級管和瞬態(tài)抑制二級管實現(xiàn)電源反接和過壓保護；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)進入待機狀態(tài)；WAKE引腳與整車的點火線開關(guān)相連，控制系統(tǒng)的上電，MCU監(jiān)測WAKE引腳的狀態(tài)，當檢測到點火線開關(guān)關(guān)閉時，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100 mA的5 V傳感器供電輸出。

　　1.3 功率級輸出電路

　　功率級輸出用于控制外部電磁閥、電機等執(zhí)行器，實現(xiàn)對整車動作的控制。圖3為2.5 A功率級輸出電路的原理圖。BTS5125L為2路智能高邊開關(guān)，導通電阻90 mΩ，負載電流可達3.7 A，提供短路保護、過壓保護、ESD保護和過熱關(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、容性和感性負載。

　　BTS5215L的輸入引腳與XC2287M的CCU63的輸出引腳相連，實現(xiàn)PWM輸出和DO輸出的復用，可滿足不同負載需求。XC2287M的I/O端口在上電復位時為弱上拉，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在上電時處于關(guān)斷狀態(tài)。BTS5215L的GND引腳連接100 Ω電阻實現(xiàn)反向電池電壓保護，輸出引腳連接的續(xù)流二級管可支持感性負載。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輸出的使能。

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

　　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)，應用時可根據(jù)需要選擇CAN總線收發(fā)器。設(shè)計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

　　2.1 軟件總體框架

　　設(shè)計的ECU運行CODESYS軟PLC運行時，構(gòu)建了適合IEC 61131-3標準的開放式、可擴展ECU平臺。ECU軟件由Bootloader、BSP和C語言算法庫、安全監(jiān)控服務和CODESYS運行時、IEC接口層、IEC應用層等構(gòu)成，其軟件架構(gòu)框圖如圖5所示。

　　Bootloader用于系統(tǒng)程序下載和升級維護；BSP包含硬件驅(qū)動程序，為上層提供平臺無關(guān)的接口；C語言算法庫實現(xiàn)復雜的控制算法，為應用程序提供算法加速；安全監(jiān)控服務對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測；CODESYS運行時為用戶IEC程序提供運行環(huán)境，并通過Debug接口實現(xiàn)程序的斷點調(diào)試；IEC程序通過外部庫接口和I/O映像與運行時和外部硬件進行數(shù)據(jù)交互。

　　2.2 Bootloader設(shè)計

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

　　Bootloader是系統(tǒng)上電之后運行的第一段程序，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更新請求。當接收到更新請求時，進入更新服務流程，若100 ms內(nèi)無更新請求，檢查Flash中指定位置的應用程序是否有效，有效時執(zhí)行相應的程序，無效時則進入更新服務流程。

　　2.3 CODESYS運行時移植

　　使用基于IEC 61131-3標準的CODESYS編程環(huán)境對硬件設(shè)備進行編程之前，在設(shè)備中必須安裝部署CODESYS運行時。基于XC2287M的運行時移植主要包括對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是移植工作的重點和難點，它主要為運行時提供I/O配置解析、I/O映像讀寫、外部庫函數(shù)接口的實現(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)實現(xiàn)CstIOConfigChanged、CstReadInputs、CstWriteOutputs、CstGetExtRefTable、CstFlashProgram和CstLoadProgram等函數(shù)接口。

　　運行時通過外部庫函數(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)時使用的樁函數(shù)名稱，pFunction為指向運行時中相應函數(shù)的函數(shù)指針。任何需要由運行時導出給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

　　為了滿足工程機械的安全性要求，設(shè)計的ECU采用了雙CPU架構(gòu)。XC2287M為主CPU，負責執(zhí)行主要功能；XC866為看門狗CPU，負責對整個ECU進行安全監(jiān)控，并在異常時關(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，整個系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，所有功率級輸出被關(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)，整個系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。隨后主CPU與看門狗CPU周期性的交換狀態(tài)數(shù)據(jù)，當通信中斷或外設(shè)異常時，主CPU和看門狗CPU都將進入安全狀態(tài)，并關(guān)閉所有安全關(guān)鍵的功率輸出。

3 結(jié)束語

　　設(shè)計的ECU具有豐富的I/O資源和完善的安全保護機制，支持在系統(tǒng)失效時切換到預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標準，可以通過CODESYS進行用戶編程，支持5種標準PLC編程語言，提供豐富的外部庫函數(shù)接口。本設(shè)計具有編程靈活、性能穩(wěn)定、安全可靠、易于擴展等諸多優(yōu)點，可以廣泛應用于各種工程機械控制系統(tǒng)。設(shè)計的ECU目前已經(jīng)成功應用于包括挖掘機、推土機、高空作業(yè)車、大噸位平板車等在內(nèi)的多種工程機械車型，取得了良好的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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　　[4] 王麗麗，康存鋒，馬春敏，等．基于CoDeSys的嵌入式軟PLC系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代制造工程，2007(3)：54-56.

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基金項目：國家自然科學基金項目(61303045)；江蘇省自然科學基金項目(BK2012237)