1.7 MOTOROLA公司单片机在汽车控制中的应用

MOTOROLA拥有丰富的微处理单元（MCU），可广泛用于电控发动机、车身控制、乘员安全、车门和座椅控制、车窗控制、通风和空调、天窗和灯光、汽车局域网的网关、通信设备、全球定位系统及其他汽车控制单元中。其产品主要包括：8/16位微控制器（包括HC08/HCS08、HC12/HCS12等）、32位微控制器（包括PowerPC、ColdFire等）。

1.7.1 8位单片机MC68HC11F1在汽车控制技术中的应用

玛瑞利单点电喷发动机ECU实物如图1-19所示，外部接线如图1-20所示。自玛瑞利推出单点电喷发动机管理系统起，包括沈阳金杯海狮客车、金杯中华轿车、安徽奇瑞轿车、天津夏利轿车等车型都已采用了这种基于玛瑞利单点电控发动机管理系统。下面以此为例，介绍MC68HC11F1在汽车电子中的应用。

1．系统组成

图1-21为金杯单点玛瑞利逻辑电路的原理框图，它主要由以下部件组成：

（1）MC68HC11F1本电路的控制核心：MC68HC11F1（CPU）为摩托罗拉8bit汽车专用MCU，其内部资源如图1-22所示。MC68HC11F1 8位微控制器是基于8位HC08 CPU的高性能闪存技术的低成本芯片。

MC68HC11F1的主要特征如下：

● 两种省电模式：停止和等待

● 3.0～5.5V电压均可正常工作

● 1024B的片内RAM，RAM数据在待机时保留

● 512B的片内EEPROM，带区域数据保护功能

● 8通道，8位A/D转换器

● 增强的16位定时器系统

● 8位脉冲累加器

● 实时中断电路

● CPU看门狗系统

● 可达5MHz的总线时钟

● 异步串行通信接口SCI

● 同步外部设备接口SPI

● 两种封装形式：68引脚PLCC及80引脚TQFP封装

（2）74HC244作为空调、油泵、EVAP电磁阀、怠速电动机等设备的状态信息输入开关，74HC244是带使能端的三态总线驱动器，输出端直接与数据总线相连，引脚功能如图1-23所示。

（3）74HC273作为怠速电动机、主继电器、故障指示灯、空调继电器等驱动信号的输出开关。74HC273是带复位端的8路上升沿有效的D触发器，引脚功能如图1-24所示。

（4）M27C512用来存储电脑的主程序及各种数据表格。M27C512是64KB的8位只读存储器，引脚功能如图1-25所示。

2．工作原理

1）逻辑电路原理图如图1-26所示，由电源芯片L9170提供工作电源、工作能量及传感器的参考电压，并且8号脚输出低电位的复位信号送至CPU的复位端（17脚），同时送到74HC273的清零端使其输出清零。

2）CPU进入启动状态，首先对内部硬件进行复位设置相应的寄存器，然后开始Boot loader程序，进行程序装载；将27C512中的主程序读入到内部的RAM中，并通过跳转指令进入程序运行状态。

3）主程序首先从数据总线D2上输出逻辑“1”（高电位），该信号经74HC273锁存后从6号脚输出高电位控制信号，使主继电器接通，将12V电源加到点火线圈及喷油器等外部设备。

4）然后通过PortE、PortA口读入外部传感器信号及转速信号，通过这些信号判断车辆当前运行的工况，根据以上信息调用M27C512中的控制规则图，从PortA、PortD、PortG口及数据总线（通过74HC273锁存）输出相应的驱动信号，对汽车进行点火与喷油控制并使相应的设备进入运行状态。

5）最后通过数据总线（经74HC244驱动）读入相应设备的状态信息，根据这些信息对控制信号进行进一步优化和调整。逻辑电路和传感器及执行机构构成了闭环控制系统，通过反馈信号不断优化控制系统，使发动机处于最佳状态。

3．点火控制电路

（1）磁感应式传感器工作原理 磁感应式传感器的工作原理如图1-27所示，磁感线穿过的路径为永久磁铁N极→定子与转子间的气隙→转子凸齿→转子凸齿与定子磁头间的气隙→磁头→导磁板→永久磁铁S极。当信号转子旋转时，磁路中的气隙就会周期性地发生变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性变化。根据电磁感应原理，传感线圈中就会感应产生交变电动势。

当信号转子按顺时针方向旋转时，转子凸齿与磁头间的气隙减小，磁路磁阻减小，磁通量Ф增多，磁通变化率增大（dФ/dt＞0），感应电动势E为正（E＞0），如图1-28中曲线abc所示。当转子凸齿接近磁头边缘时，磁通量Ф急剧增多，磁通变化率最大[dΦ/dt=（dФ/dt）_max]，感应电动势E最高（E=E_max），如图1-28中曲线b点所示。转子转过b点位置后，虽然磁通量Ф仍在增多，但磁通变化率减小，因此感应电动势E降低。

当转子旋转到凸齿的中心线与磁头的中心线对齐时（图1-27b），虽然转子凸齿与磁头间的气隙最小，磁路的磁阻最小，磁通量Ф最大，但是由于磁通量不可能继续增加，磁通变化率为零，因此感应电动势E为零，如图1-28中曲线c点所示。

当转子沿顺时针方向继续旋转，凸齿离开磁头时（图1-27c），凸齿与磁头间的气隙增大，磁路磁阻增大，磁通量Ф也减少（dФ/dt＜0），所以感应电动势E为负值，如图1-28中曲线cda所示。当凸齿转到将要离开磁头边缘时，磁通量Ф急剧减少，磁通变化率达到负向最大值[dФ/dt=-（dФ/dt）_max]，感应电动势E也达到负向最大值（E=-E_max），如图1-28中曲线上d点所示。

由此可见，信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期性交变电动势，即电动势出现一次最大值和一次最小值，传感线圈也就相应地输出一个交变电压信号。磁感应式传感器的突出优点是不需要外加电源，永久磁铁起着将机械能变换为电能的作用，其磁能不会损失。当发动机转速变化时，转子凸齿转动的速度将发生变化，铁心中的磁通变化率也将随之发生变化。转速越高，磁通变化率就越大，传感线圈中的感应电动势也就越高。转速不同时，磁通量和感应电动势的变化情况如图1-28所示。

由于转子凸齿与磁头间的气隙直接影响磁路的磁阻和传感线圈输出电压的高低，因此在使用中，转子凸齿与磁头间的气隙不能随意变动。气隙如有变化，必须按规定进行调整，气隙一般设计在0.2～0.4mm范围内。

（2）曲轴位置传感器结构特点 轿车的磁感应式曲轴位置传感器安装在曲轴箱内靠近离合器一侧的缸体上，主要由信号发生器和信号转子组成，如图1-29所示。

信号发生器用螺钉固定在发动机缸体上，由永久磁铁、传感线圈和线束插头组成。传感线圈又称为信号线圈，永久磁铁上带有一个磁头，磁头正对安装在曲轴上的齿盘式信号转子，磁头与磁轭（导磁板）连接构成导磁回路。

信号转子为齿盘式，在其圆周上均匀间隔地制作有58个凸齿、57个小齿缺和1个大齿缺。大齿缺输出基准信号，对应发动机气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。大齿缺所占的弧度相当于2个凸齿和3个小齿缺所占的弧度。因为信号转子随曲轴一同旋转，曲轴旋转一圈（360°），信号转子也旋转一圈（360°），所以信号转子圆周上的凸齿和齿缺所占的曲轴转角为360°，每个凸齿和小齿缺所占的曲轴转角均为3°（58×3°+57×3°=345°），大齿缺所占的曲轴转角为15°（2×3°+3×3°=15°）。

曲轴位置传感器工作情况：当曲轴位置传感器随曲轴旋转时，由磁感应式传感器工作原理可知，信号转子每转过一个凸齿，传感线圈就会产生一个周期性交变电动势（即电动势出现一次最大值和一次最小值），线圈相应地输出一个交变电压信号。因为信号转子上设有一个产生基准信号的大齿缺，所以当大齿缺转过磁头时，信号电压所占的时间较长，即输出信号为一宽脉冲信号，该信号对应于气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。电子控制单元（ECU）接收到宽脉冲信号时，便可知道气缸1或气缸4上止点位置即将到来，至于即将到来的是气缸1还是气缸4，则需根据凸轮轴位置传感器输入的信号来确定。由于信号转子上有58个凸齿，因此信号转子每转一圈（发动机曲轴转一圈），传感线圈就会产生58个交变电压信号输入电子控制单元。

每当信号转子随发动机曲轴转动一圈，传感线圈就会向电子控制单元（ECU）输入58个脉冲信号。因此，ECU每接收到曲轴位置传感器58个信号，就可知道发动机曲轴旋转了一圈。如果在1min内ECU接收到曲轴位置传感器116000个信号，ECU便可计算出曲轴转速n为2000（n=116000/58=2000）r/min。如果ECU每分钟接收到曲轴位置传感器290000个信号，ECU便可计算出曲轴转速为5000（n=290000/58=5000）r/min。依此类推，ECU根据每分钟接收曲轴位置传感器脉冲信号的数量，便能计算出发动机曲轴旋转的转速。发动机转速信号和负荷信号是电子控制系统最重要、最基本的控制信号，ECU根据这两个信号就能计算出基本喷油提前角（时间）、基本点火提前角（时间）和点火导通角（点火线圈一次电流接通时间）三个基本控制参数。

磁感应式曲轴位置传感器信号转子上大齿缺产生的信号为基准信号，ECU控制喷油时间和点火时间是以大齿缺产生的信号为基准进行控制的。当ECU接收到大齿缺产生的信号后，再根据小齿缺信号来控制点火时间、喷油时间和点火线圈一次电流接通时间（即导通角）。

（3）点火控制电路分析 玛瑞利单点电脑的点火控制电路是典型的直接点火系统，点火系统是由CPU的端口A来控制的，电路如图1-30所示。系统复位后主程序将端口A配置成定时器口，来自电脑引脚的转速信号（PIN11、PIN28），经电阻送至芯片L9101的第6、7脚。

转速信号波形（图1-31）每个周期有58个小正弦波和1个大正弦波，经L9101内部波形整形后由第10脚输出如图1-32所示的5V低脉冲信号，每个周期由58个窄脉冲和1个宽脉冲组成。该信号送到反向器74HC14D的第1脚，取反后由第10脚送至CPU端口A的35脚（PA7驱动CPU内部的脉冲累加器）和42脚（PA0定时器的输入端口OC1），产生脉冲波形如图1-33所示。CPU根据OC1收到的脉冲信号对点火时间做出判断：当收到宽脉冲（对应两个缺齿）后开始计数，当20个连续窄脉冲（对应连续齿）出现后判断为1缸或4缸的上止点，而当50个窄脉冲出现后判断为2缸或3缸上止点，由此CPU可计算出1、4缸和2、3缸的基本点火提前角，然后根据发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器等输入信号，通过存储器中的点火提前角修正表对基本点火提前角进行修正以获得精确的点火时间，然后由CPU的38脚PA4（OC4）和36脚PA6（OC2）分别输出给1、4缸和2、3缸的点火驱动信号，如图1-34所示，每路经过两个晶体管驱动后送至点火晶体管控制点火线圈进行点火。点火成功后经运算放大器构成的电压比较器LM2903输出端产生点火确认信号，该信号经反相器驱动后送至CPU，CPU通过该点火确认信号对点火情况进行监视。

从上面的单点玛瑞利电脑工作原理可以看出，点火电路要正常工作有4个不可缺少的要素：①有正常的传感器信号（转速信号）送至CPU系统；②CPU系统能进行正常的信息处理并输出相应的点火驱动信号；③执行机构（点火及驱动电路）能正常工作；④点火反馈信号能正常送到CPU系统。

4．喷油控制电路分析

玛瑞利单点电脑的喷油控制主要是由CPU来完成的，电路如图1-35所示。CPU首先根据点火频率确定喷油频率（喷油频率为点火频率的一半），由CPU的37脚输出喷油驱动脉冲信号至喷油模块L9150的5脚，经L9150放大后由2脚输出到喷油器，在喷油过程中，CPU还要根据A/D转换器送来的各种传感器信号，判断当前的工况，并根据工况信息调整喷油驱动脉冲信号的脉冲宽度，从而控制喷油器喷射适量的燃油或中断喷射燃油，以满足发动机各种工况的需要。喷油器的喷油量分基本喷油量和补充（额外）喷油量两部分。

CPU的21脚输出片选信号至喷油模块L9150的第1脚，来控制喷油电路的启动和停止；L9150的7～10脚分别接至CPU的26、25、27、24脚；通过反馈喷油脉宽的二进制信息，使CPU时刻了解喷油控制是否达到了控制目标，这是个典型的闭环控制系统，通过不断的反馈和控制，最终使喷油量与发动机的实际工况相一致。

（1）基本喷油量 发动机只要一转动就产生两个信号：发动机转速信号和负荷状况信号。发动机转速信号由转速传感器提供；发动机负荷信号由空气流量传感器或进气歧管压力传感器所测量的进气量而决定。CPU根据这两个信号所决定的喷油量称为基本喷油量。

（2）补充喷油量 在许多工况下，除基本喷油量外，尚需有额外喷油量。例如，在起动时或大负荷工况下，需供给发动机补充喷油量。

在电控汽油喷射系统中，精确地提供补充喷油量是由CPU收集各种传感器送来的信号加以计算后决定的。可见，电控汽油喷射系统供油多少是根据实际需要而提供的。故使用电控汽油喷射系统的发动机不但省油，而且还有动力性好，污染小等一系列优点。

1.7.2 16位单片机MC9S12DP256在汽车控制技术中的应用

1．MC9S12DP256的特征

MC9S12DP256是基于16位HCS12 CPU及0.25μm微电子技术的高速、高性能带5.0V Flash存储器的16位微控制器。其较高的性价比非常适合于一些中高档汽车控制系统，其较简单的背景开发模式也会使开发成本进一步降低。同时，也使得现场开发与系统升级变得更加方便。

MC9S12DP256的主频高达25MHz，同时片上还集成了许多标准模块，包括2个异步串行通信口SCI、3个同步串行通信口SPI、8通道输入捕捉/输出比较定时器、2个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I/O口（其中20个具有外部中断及唤醒功能）、兼容CAN2. OA/B协议的5个CAN模块以及1个内部IC总线模块；片内拥有256KB的Flash EEPROM，12KB的RAM、4KB的EEPROM。图1-36所示是其芯片结构框图。

2．MC9S12DP256的功能特点

MC9S12系列单片机主要有三大特点：

1）片内集成256KB的闪速存储器（Flash）。随着闪速存储器（Flash）在微控制器片内的应用走向成熟，微控制器的开发、应用又迎来了一次新的飞跃。Flash是一种非易失性存储介质，读取它的内容同RAM的读取一样方便，而对它的写操作却比EPROM还要快。同时，在系统掉电后，Flash中的内容仍能可靠保持不变。Flash的主要优点是结构简单、集成密度大、成本低。由于Flash可以局部擦除，且写入、擦除次数可达数万次以上，从而使开发微控制器不再需要昂贵的仿真器。

2）应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性。在以往不使用锁相环的微控制器应用系统中，晶振电路由于其工作频率比较高（通常为几兆赫兹至几十兆赫兹）而成为一个很大的干扰源，这一问题给系统设计、线路板布局带来了很多不便。MC9S12的时钟发生系统中巧妙地使用了锁相环技术，因而可在外接几十千赫兹的外部晶振情况下，通过软件编程产生几兆的系统时钟，从而降低了对外辐射干扰，提高了系统的稳定性。

3）如图1-37所示，简单的背景开发模式（BDM）使得开发成本进一步降低，也使得现场开发和系统升级变得比较方便。

此外，虽然拥有16位总线结构，但MC9S12的外部总线可根据不同的系统需求工作在8位和16位两种模式，因而能够适应不同价位的系统需求。

3．MC9S12DP256在汽车电子中的应用

图1-38所示为一个典型的汽车门控系统示意图。中央微控制器选用MC9S12DP256，MC33389A、MC33884、MC33887、MC33486DH等均为摩托罗拉的智能模拟器件。其中MC33389A为开关电源芯片，提供CPU工作5V电压，还可以将点火开关信号、车门开关信号及面板开关信号由SPI接入到微控制器以进行唤醒、复位和中断等工作。同时，该器件还具有容错功能的CAN物理层驱动器。此外，它还可以将系统接入到整车网络之中。MC33884的主要作用是用来实时监测面板开关的状态并驱动面板的照明灯。MC33887是一个驱动电路芯片，可用于后视镜位置电动机、后视镜折叠电动机及门锁电动机的驱动。实际上，该功能也可以选用MC33884配合独立的MOS驱动管一起工作，MC33290D主要用于整个系统的诊断。

1.7.3 32位单片机MPC500在汽车控制技术中的应用

1．MPC500的特征

MPC500系列经专门设计，满足了高速行驶的汽车所需的严格的工作环境。整个产品系列包括无闪存的MPC561和内置1MB闪存的MPC566等，以适应多种不同环境的应用。它包括汽油机管理、柴油燃油直接喷射、电子传动控制等动力传输系统的应用。同时，此系列产品还应用于稳定控制系统和悬架系统。MPC500系列MCU还具有浮点单元和智能时钟等创新功能，能够满足控制部分对速度和精度的要求。

MPC500内包含一个系统集成模组（SIM），一个时间处理单元（TPU），一个队列串行接口模组（QSM），2KB静态随机存储器并带有TPU仿真能力（TPURAM）。采用HCMOS技术，进一步降低产品功耗。同时，指令系统包含专用低功耗指令LPSTOP。系统时钟在停止状态时，功率消耗最低。

2．MPC500在汽车电子中的应用

图1-39是MPC500 32位微控制器的发动机管理系统组成方案。该MCU主要应用于一些新型发动机管理系统中，如GM的P5、P6系列发动机管理系统。