基于DSP的汽车电子控制单元（ECU）设计

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基于DSP的汽车电子控制单元（ECU）设计汽车电子技术
引言
汽车电子控制技术是支撑现代汽车发展的基础技术之一，智能化、综合化控制是汽车电子控制技术发展的重要方向。以国际汽车电子产业为参考，上世纪90年代中期以来，汽车综合电子控制技术迅速发展，它以大规模集成电路和控制器局域网（以CAN总线网络为代表）为特征，运用计算机网络和通讯技术等手段，采用内存容量大的16位或32位微处理器，将有限的电控系统扩展为汽车整体综合控制系统，对提高汽车的各方面性能,推动汽车工业的发展起着非常重要的作用。
    近年来，尽管我国汽车制造业飞速发展，但其整体技术水平特别在汽车电子控制技术上仍处于相对落后的阶段。目前，国内只有不足五成的汽车采用了4位或8位微处理器作为电控模块的CPU，并且该项技术还是由国外厂商提供。民族汽车工业的发展，须要我们拥有自主产权的电子控制技术，须要将我国汽车电子控制技术快速推向智能化、综合化的发展阶段。
模块结构设计与硬件组成
在集成化设计理念的前提下，我们结合汽车电子控制中各种接口需求（包括I/O、A/D、D/A、CAN－BUS等），并考虑模块诊断及软件开发、测试的简易性，设计了如下结构的模块，其中：



图1 模块结构原理简图
TMS320LF2407是美国TI公司生产的一款集成CAN控制器的16位DSP，采用了高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3V，大大减少了控制器功耗；30MIPS的执行速度，使指令周期缩短到33ns（30MHZ时），提高了控制器的实时控制能力；它还在片内还集成了高达32K字的FLASH ROM,1.5K的数据/程序RAM，544字的双口RAM和2K的单口RAM，并且还可以对其外部存储器进行扩展，大大的扩充其存储空间（总共可达192K字空间）；同时LF2407还集成了丰富的片内外设资源，包括10位A/D转换器，16位串行外设接口模块（SCI），串行通信接口模块（SPI），CAN模块(共6个邮箱：2个输入，2个输出，还有2个即可做输入邮箱又可做输出邮箱)，2个EVM模块（提供2个通用定时器，8个16位PWM通道），40个可编程的通用IO引脚，5个外部中断口。通过这些接口，可以非常方便的构建外围电路，对系统进行扩展。
82C250是Philip公司生产的CAN收发器，他是CAN 协议控制器和物理总线间的接口，主要是为汽车中高速通讯（高达1Mbps）应用而设计。此器件对总线提供差动发送能力，对CAN 控制器提供差动接收能力，完全符合“ISO11898”标准。
PDIUSBD12是Philip公司生产的USB通讯芯片，包括完整的FIFO存储器、收发器等，支持USB2.0协议。可以通过该USB接口与计算机建立通讯，利用VC＋＋、LabView等工具，建立人机交互，对模块的软硬件进行方便、直观的测试和控制。
JTAG接口，在模块软件开发过程中连接ICETEK－5100USB仿真器并实现程序下载和调试的接口。
DAC7624是BURR-BROWN公司的数模转换芯片，提供12位并行数据输入，转换时间为10μs,主要为智能终端提供D/A输出功能。需要注意的是由于DAC7624只提供正负5V范围的模拟信号，如果需要输出更大范围的模拟信号时,需要通过运放和调压电路以保证DAC芯片的输入在范围之内，在这里我们就采用了AD712运放进行调压，以使得DA输出范围增加到正负10V。
IS61LV6416芯片是容量为128K字节的高速CMOS静态存储器，主要是在使用JTAG仿真口进行程序调试时，作为程序的临时存储空间，在初期调试状态下，DSP将直接从该存储区读取指令，不在从内部FLASH ROM执行。当断电后，下载到IS61LV6416的代码不会被保存，需要通过仿真器重新输入。
此外，该模块通过复用IO输入端第16路作为同步输入端，通过DSP的外部中断源（INT2）以中断方式触发，以满足高实时性系统的硬件同步要求。
在设计过程中还应注意一点：由于该模块集成了多个功能芯片，其工作电压多不相同，例如DSP2407为3.3伏，光耦工作电压为＋5V，而DAC7624基准电压为2.5伏。要保证各个部件都在各自工作电压下正常工作，需要在板上使用运放和调压电路。此时，要特别考虑电阻的温漂的影响，在对电压要求比较高的地方（如DA的基准电压），尽量不要选用贴片电阻等温度系数较大的阻性元件。
模块软件设计
该模块软件设计，主要是针对I/O、A/D、D/A操作以及CAN总线、USB通讯而进行的函数封装。
1.   CAN通讯程序设计
CAN初试化
DSP复位后便激活了初始化模式，其中主要对以下寄存器进行操作：主控制寄存器（CANMCR）的改变配置请求位（CCR）置1；全局状态寄存器（CANGSR）的改变配置使能位（CCE）置1；位定时器配置寄存器（CANBCR1和CANBCR2）配置通讯波特率；中断屏蔽寄存器（CANIMR）；中断标志寄存器（CANIFR）。
CAN信息接收
该模块的接收采用中断方式，信息的接收由配置邮箱位为接收方式和接收信息两部分组成，主要对以下寄存器进行位操作：邮箱使能/方向寄存器（CANMDER）、信息标识符寄存器（CANMSGID）、邮箱接收屏蔽寄存器（CANLAM）、接收控制寄存器（CANRCR）。
CAN信息发送
对于信息发送，采用查询方式。与接收相似，CAN信息的发送由配置邮箱为发送方式和发送信息组成。主要配置如下寄存器：发送请求寄存器（CANTCR）、邮箱使能/方向寄存器（CANMDER）、信息标识符寄存器（CANMSGID）、邮箱控制寄存器（CANMSGCTRL）。



2.   I/O输入输出程序设计
    对于I/O口的输入和输出功能，其寄存器操作基本一致，主要对以下寄存器进行部分位操作：I/O口复用控制寄存器（MCRx）、I/O端口数据和方向寄存器（PxDATDIR）。(x不同代表不同的IO口)
3.   A/D、D/A程序设计
要实现模块A/D输入功能，主要对以下寄存器进行位操作：ADC控制寄存器（ADCTRL）、通道选择排序控制寄存器（CHSELSEQ）。
对于DA功能实现，主要通过写IO引角来控制DAC7624的使能和通道选择，然后设置DSP上的IS引角为低，选通IO空间，通过向DSP的IO空间写数的方式就可以将希望转化的数字量送入DA转换器，由DAC7624完成转化。
如果对DA输出的精度要求不高，我们还可以用EVM模块的16位PWM通道来输出模拟信号，以节约成本和简化PCB板的设计。
4.   USB通讯程序设计
    该通讯控制过程的原理是上位机通过USB以命令字的形式向下传达控制命令，模块在接收到命令字后，以枚举的方式进行解析并执行命令字所对应的程序段，其通讯流程如下。



结语
通过实验室的相关测试，该模块基本达到了汽车电子控制的各项功能要求。伴随现代汽车工业的飞速发展，为满足CAN总线信息量的逐渐增大和处理实时性要求的不断提高，我们还可以采用性能更为强大的32位TMS320F2812作为控制模块的处理核心，其性能较之已有的内嵌CAN控制器的DSP有较大提高。而与传统电控模块（如C51＋Sja1000）相比，以DSP为模块处理核心，不仅集成CAN控制器，在抗干扰，实时性等方面更为优越，而且其哈佛总线结构设计等特点，还大大提升了内部指令处理能力，具有极大的性价比。
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