先進(jìn)微控制器在Austro Engine E4系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模塊中的應(yīng)用

王銀坤 楊淳

摘要：基于現(xiàn)代微處理器技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)Austro Engine E4系列發(fā)動(dòng)機(jī)面向控制應(yīng)用的微控制器在ECU上的架構(gòu)進(jìn)行分析和闡述，有助于了解ECU模塊基本工作原理和相關(guān)信息，高效率排除發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)故障，為通航飛機(jī)維修技術(shù)和理念的升級(jí)提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：ECU；微控制器；Austro Engine E4

Keywords：ECU；microcontroller；Austro Engine E4

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展及大型專業(yè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的應(yīng)用，航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)已進(jìn)入相當(dāng)成熟階段，航空發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、排放指標(biāo)、維護(hù)性等指標(biāo)得到全面提升。目前國(guó)內(nèi)飛行訓(xùn)練主力機(jī)型之一的鉆石DA42NG飛機(jī)所裝配的Austro Engine E4系列發(fā)動(dòng)機(jī)就以其先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)著稱。

Austro Engine E4系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要裝配在鉆石DA40、DA42NG等機(jī)型上，該型發(fā)動(dòng)機(jī)作為現(xiàn)代高速柴油飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的代表之一，采用ECU作為發(fā)動(dòng)機(jī)主控制器，該控制模式與傳統(tǒng)的萊康明發(fā)動(dòng)機(jī)顯著不同，對(duì)EUC控制模塊工作的研究就顯得尤為必要。

作為Austro Engine E4動(dòng)力裝置的控制核心，ECU完成兩個(gè)層次的基本控制功能。第一個(gè)層次是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率控制，控制對(duì)象為Mercedes-Benz OM640本體。以Bosch公司第二代高壓燃油共軌系統(tǒng)為硬件基礎(chǔ)。第二個(gè)層次是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載進(jìn)行控制，控制對(duì)象為MT螺旋槳槳葉角變化。根據(jù)Austro Engine提供的Set Point，ECU通過(guò)調(diào)速器改變螺旋槳槳葉角，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷控制策略。而ECU能實(shí)現(xiàn)上述控制功能的關(guān)鍵就在于其內(nèi)部的微控制器（見(jiàn)圖1）。

1 ECU基本工作原理分析

作為發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)的核心部件，ECU的基本任務(wù)可歸納如下：

1）處理輸入信息，將各類輸入的信息轉(zhuǎn)化為微處理器（或微控制器）所能接受的信號(hào)；

2）存儲(chǔ)輸入信息，供微處理器在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻使用；

3）存儲(chǔ)各種程序、數(shù)據(jù)、表格等；

4）完成計(jì)算任務(wù)、執(zhí)行處理各種信息的運(yùn)算，進(jìn)而產(chǎn)生控制指令及進(jìn)行故障診斷；

5）存儲(chǔ)輸出信息；

6）處理已鎖存的輸出信息，分別執(zhí)行數(shù)據(jù)、信息的通信與交換；

7）產(chǎn)生各種參考電壓，如3.3V、5V、9V及12V等。

以MPC56xx系列32位單片機(jī)為代表的先進(jìn)微控制器極大提升了ECU運(yùn)算力、控制精度、可靠性、擴(kuò)展和升級(jí)能力、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)交換能力，使發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)設(shè)計(jì)理念得以實(shí)現(xiàn)，依據(jù)現(xiàn)代微電子技術(shù)、SoC（System-on-a-Chip系統(tǒng)級(jí)芯片）基本原理、ARM架構(gòu)研究以及芯片廠家技術(shù)說(shuō)明等，ECU基本工作原理可歸納為如圖2所示的ECU底層控制邏輯硬件架構(gòu)。

2 ECU的輸入級(jí)部分分析

輸入部分的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)各傳感器檢測(cè)到的信息通過(guò)I/O接口送入微控制器，實(shí)現(xiàn)ECU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控。同時(shí)，原始信號(hào)進(jìn)入輸入級(jí)后，還需進(jìn)行預(yù)整理，如雜波濾除、偏移補(bǔ)償?shù)?。有的信?hào)為非矩形波，不能直接參與微控制器運(yùn)算，需執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)處理。

從傳感器來(lái)的信號(hào)分為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)兩種，由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字量，故模擬電信號(hào)必須通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換才能進(jìn)入ECU微控制器。一些脈沖信號(hào)也不能被計(jì)算機(jī)直接接收，需要通過(guò)輸入級(jí)將狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)TTL信號(hào)才能送入微處理器。由此，ECU輸入級(jí)的特點(diǎn)如下：

1）對(duì)被檢測(cè)部件的信號(hào)拾取要求真實(shí)反映被測(cè)對(duì)象工作狀態(tài)，包括及時(shí)性、測(cè)量精度符合行業(yè)規(guī)范、測(cè)量信號(hào)需滿足專用嵌入式設(shè)備輸入接口的電平標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，因此，根據(jù)行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，都會(huì)在輸入級(jí)通道中設(shè)計(jì)與傳感器類型相關(guān)的信號(hào)調(diào)制、轉(zhuǎn)換電路。

2）由于輸入通道模塊要完成被測(cè)對(duì)象真實(shí)狀態(tài)的量值（傳感器輸出的電流、電壓、頻率量）檢測(cè)，因此，在針對(duì)航空領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方案中，除了要求將輸入通道模塊盡可能接近信號(hào)拾取對(duì)象以減少傳輸過(guò)程的能耗和干擾，還要求ECU必須設(shè)置在遠(yuǎn)離熱源和振動(dòng)的地方。近年來(lái)，傳感器生產(chǎn)廠家開(kāi)始規(guī)?；a(chǎn)被稱為“Smart Sensor”的新型傳感器，該類傳感器可對(duì)信號(hào)進(jìn)行線性化處理和放大，輸出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)字信號(hào)、頻率信號(hào)和TTL信號(hào)，可以減輕ECU輸入級(jí)的負(fù)擔(dān)，提升抗干擾能力。

3）維修人員必須考慮到被測(cè)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)輸入通道的影響。一般情況下，模擬通道傳輸線路上的輸出信號(hào)強(qiáng)度都比較微弱，因此，對(duì)于運(yùn)行維修方來(lái)說(shuō)，維持輸入通道線路的抗干擾設(shè)計(jì)狀態(tài)顯得特別重要。

4）在ECU輸入通道模塊中，信號(hào)調(diào)節(jié)的基本任務(wù)是將壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等敏感元件輸出的初次信號(hào)轉(zhuǎn)換成能符合微控制器或A/D輸入規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)。作為ECU的測(cè)量子系統(tǒng)，其信號(hào)調(diào)節(jié)任務(wù)較復(fù)雜，除了執(zhí)行信號(hào)放大和濾波外，還要完成諸如零點(diǎn)漂移校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、量程切換等信號(hào)處理運(yùn)算。作為微控制器應(yīng)用領(lǐng)域的ECU，諸多原本依靠硬件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)調(diào)節(jié)任務(wù)都可交由更先進(jìn)的軟件來(lái)完成，使ECU中信號(hào)處理電路得以簡(jiǎn)化。這樣，可將ECU輸入通道模塊的信號(hào)處理重心轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒盘?hào)放大、信號(hào)濾波以及頻率量的放大、整形等任務(wù)上，優(yōu)化了ECU性能。

3 ECU中的微控制器部分分析

ECU中的微控制器被認(rèn)為是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)“核心中的核心”，承擔(dān)整個(gè)ECU的信號(hào)獲取和處理、MAP數(shù)據(jù)運(yùn)算和狀態(tài)分析、控制指令的生成和鎖存、控制策略執(zhí)行、ECU內(nèi)部及外部數(shù)據(jù)的通信與交換等任務(wù)。

以高可靠性為追求目標(biāo)的E4系列發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)ECU中微控制器芯片的要求是：運(yùn)算速度高、實(shí)時(shí)控制、抗強(qiáng)振和高溫，在電磁輻射、粉塵、油污環(huán)境下具有高可靠性和耐久性。

1）實(shí)時(shí)處理能力：嚴(yán)格遵守某一時(shí)間順序“及時(shí)”“立即”地完成各種數(shù)據(jù)處理及控制指令的產(chǎn)生。以Austro Engine E4系列發(fā)動(dòng)機(jī)為例，由于燃油噴油過(guò)程的控制必須精確地確定噴油時(shí)刻和噴油持續(xù)期，ECU設(shè)定了嚴(yán)格的時(shí)間參數(shù)，由ECU微控制器中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供。微控制器對(duì)信息的處理采用分時(shí)串行方式，全部收集到的信息不可能做到“立即”，因此就不能做到完全“實(shí)時(shí)”。這里所說(shuō)的實(shí)時(shí)性可理解為在時(shí)間上能跟得上過(guò)程所提出的任務(wù)要求，因此就有了硬件上實(shí)時(shí)響應(yīng)運(yùn)算速度方面的要求，即微處理器應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所有信息的采集、處理及指令輸出工作，為下一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行做好準(zhǔn)備，必須滿足硬件方面對(duì)微控制器工作頻率的要求。

2）比較完善的中斷系統(tǒng)：作為一個(gè)能實(shí)現(xiàn)正常功能的微控制器系統(tǒng)，必須能及時(shí)處理系統(tǒng)中發(fā)生的各種緊急情況和優(yōu)先排序任務(wù)。例如，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通常需要某些基本參數(shù)、改變某個(gè)工作流程或指引某一規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)的任務(wù)流程，當(dāng)I/O子系統(tǒng)異常、系統(tǒng)偵測(cè)出故障或緊急情況發(fā)生時(shí)要做出相應(yīng)的報(bào)警和處理。作為典型的SoC應(yīng)用，ECU微控制器芯片在處理這些情況時(shí)一般都采用中斷控制方式。系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況需要處理時(shí)，向微控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)置程序暫停原工作進(jìn)程，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，待中斷處理完畢后微控制器再返回原程序流程。此外，在微控制器系統(tǒng)中還有本機(jī)與外部設(shè)備信息交換、與飛機(jī)其他系統(tǒng)的多機(jī)連接、與其他計(jì)算機(jī)通信等實(shí)際需求，這些都需要用中斷方式進(jìn)行解決。

3）對(duì)微控制器指令系統(tǒng)的要求：與其他SoC一樣，微控制器也應(yīng)用執(zhí)行效率更高的RISC（精簡(jiǎn)指令集）系統(tǒng)，其指令種類的多少及功能的強(qiáng)弱將影響編程繁簡(jiǎn)，進(jìn)而影響本機(jī)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。因此，要求ECU軟件開(kāi)發(fā)人員注重指令的豐富性和尋址范圍的廣泛性。

4）對(duì)內(nèi)存的要求：作為微型計(jì)算機(jī)，ECU模塊將常用算法和數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，適量的內(nèi)存容量是微控制器穩(wěn)定運(yùn)行和效率的保障，同時(shí)ECU模塊對(duì)內(nèi)存也有嚴(yán)格的保護(hù)功能，使其控制過(guò)程穩(wěn)定、不出故障，保證內(nèi)存中的控制程序及數(shù)據(jù)在控制過(guò)程中不被偶然錯(cuò)誤所改變和破壞。

與PC機(jī)的X86架構(gòu)不同，基于控制功能的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU都采用單片微型機(jī)結(jié)構(gòu)，這種哈佛（Harvard）架構(gòu)的微處理器是將中央處理器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)（MAP）存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及I/O接口電路等主要部件集成在一塊電路芯片上所形成的ARM架構(gòu)芯片級(jí)應(yīng)用，也被稱為單片微型計(jì)算機(jī)或單片機(jī)。作為ECU的微控制器應(yīng)用不管是功能上還是形態(tài)上，都是為適應(yīng)控制領(lǐng)域應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)的，如早期的80C51、M68HC11、M68HC332等8位單片機(jī)，以及更先進(jìn)的MPC56xx系列32位單片機(jī)，都著力擴(kuò)展了A/D、PWM、PCA、OC、高速I/O、WDT等功能，因此將它們稱為微控制器（Microcontroller）更為準(zhǔn)確。

4 典型的ECU單片機(jī)基本組成結(jié)構(gòu)

1）CPU：ECU的主控微控制器芯片專門應(yīng)用于強(qiáng)化“面向控制”的處理功能，如位元處理、MAP查讀、多重跳轉(zhuǎn)、乘積運(yùn)算、狀態(tài)監(jiān)控、中斷式任務(wù)處理等功能，以增強(qiáng)其實(shí)時(shí)性和專屬性。

2）存儲(chǔ)器：考慮到ECU單片機(jī)“專屬性”的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，需要較大的程序存儲(chǔ)器空間，因此采用了哈佛布局。將電控系統(tǒng)的控制程序、各種控制參數(shù)的脈譜圖表（MAP）、發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)等信息保存在片內(nèi)掩膜存儲(chǔ)器中。

3）I/O接口：I/O接口是ECU微控制器CPU與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間實(shí)施信息交換的橋接控制電路模塊。依據(jù)CPU的指令，輸入信號(hào)以確定頻率通過(guò)I/O模塊，被CPU緩存器鎖存，調(diào)出執(zhí)行運(yùn)算，輸出信號(hào)則按所發(fā)出控制信號(hào)的要求通過(guò)I/O模塊，以合適的速度輸出（或送入中間存儲(chǔ)器）。因此，I/O接口是外界與CPU進(jìn)行信息交換的紐帶和橋梁，具有數(shù)據(jù)緩存、電平切換、時(shí)序匹配處理等多種功能。

4）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：在微控制器的實(shí)際應(yīng)用中，需要精確定時(shí)或?qū)ν獠渴录M(jìn)行計(jì)數(shù)，為減少軟件的開(kāi)銷和提高微控制器的實(shí)時(shí)擴(kuò)展能力，均在微控制器內(nèi)部設(shè)置了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器電路，通過(guò)中斷實(shí)現(xiàn)定時(shí)/計(jì)數(shù)的自動(dòng)處理。

5）定時(shí)電路及元件：微控制器的整個(gè)工作過(guò)程是在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下按嚴(yán)格的時(shí)序，有規(guī)律地一個(gè)節(jié)拍、一個(gè)節(jié)拍地執(zhí)行各種操作。各種計(jì)算機(jī)均有各自的固定時(shí)序和定時(shí)電路。同樣，ECU的微控制器芯片內(nèi)部也設(shè)計(jì)了定時(shí)電路，只需要外接晶振單元即可實(shí)現(xiàn)各功能模塊的倍頻功能。新型微控制器的振蕩元件已集成在芯片內(nèi)部，不僅大大縮小了ECU體積，也便于開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

5 ECU的輸出級(jí)部分分析

與所有SoC相同，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的輸出級(jí)被分為模擬量通道的輸出和數(shù)字量通道的輸出。模擬量通道的輸出是將微控制器芯片輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)（電壓和電流）去驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制對(duì)象的精確高效控制。例如，要控制在電控化發(fā)動(dòng)機(jī)上大量使用的比例型電磁鐵（如流量控制器）、大功率動(dòng)圈式力馬達(dá)（如螺旋槳調(diào)速器分油塞彈簧預(yù)張力調(diào)節(jié)電機(jī)），就必須先將微控制器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，即電壓，此電壓信號(hào)經(jīng)功放后才可驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)字量通道輸出是將微控制器輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)鎖存隔離后再經(jīng)功放器輸出，控制只接受數(shù)字信號(hào)輸入類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如高速電磁開(kāi)關(guān)、步進(jìn)電機(jī)等。

1）模擬量輸出通道：由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器模塊完成D/A轉(zhuǎn)換，根據(jù)航空領(lǐng)域的特殊應(yīng)用場(chǎng)合，要求高精度和高可靠性，并具有優(yōu)秀保持功能。模擬量通道輸出的結(jié)構(gòu)形式分為獨(dú)立D/A轉(zhuǎn)換器形式和共用D/A轉(zhuǎn)換器形式。在ECU的開(kāi)發(fā)階段，Bosch公司已著重考慮了D/A轉(zhuǎn)換芯片的優(yōu)化匹配、數(shù)字量碼的輸入極限、模擬量的極性輸出錯(cuò)誤概率、參考電壓多路源優(yōu)化、模擬電量輸出在極端環(huán)境的調(diào)整與分配等問(wèn)題。

2）開(kāi)關(guān)量的輸出通道：開(kāi)關(guān)量輸出通道與微控制器接口可采用片載自帶鎖存功能的I/O口；采用通用集成可編程I/O接口芯片，只需改變程序內(nèi)容就可達(dá)到改變芯片功能的目的。

3）功率放大器：微控制器輸出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出通道的處理后，信號(hào)能量還不足以驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般還要經(jīng)過(guò)功率放大器將信號(hào)能量放大。根據(jù)負(fù)載特性、使用場(chǎng)合、精度、響應(yīng)等，歸納出以下幾種類型的功率放大器：

a.電壓反饋型功放，應(yīng)用于直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制；

b.電流反饋型功放，針對(duì)動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式電-機(jī)械感性負(fù)載要求具有很小的電氣時(shí)間常數(shù)的特點(diǎn)，確保輸出電流信號(hào)的保真度；

c.比例電磁鐵的功放，應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)電流需求較大、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性良好的場(chǎng)合，如脈寬調(diào)制（PWM）式信號(hào)的功率放大器，用于驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器旁通門控制閥等，優(yōu)點(diǎn)是功耗不高、控制精度高、響應(yīng)快；

d.開(kāi)關(guān)式功率放大器，應(yīng)用于高速電磁開(kāi)關(guān)閥（數(shù)字閥）、步進(jìn)馬達(dá)等數(shù)字式執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)功放，特點(diǎn)是能耗低，與微控制器芯片連接方便，能消除摩擦影響和顫振信號(hào)，如電磁式高壓燃油噴嘴就采用了帶升壓驅(qū)動(dòng)模塊的PWM開(kāi)關(guān)式功放，可以提供理想的線圈電流上升波形，保證電磁閥關(guān)閉始點(diǎn)的一致性，降低了噴油定時(shí)誤差。

6 總結(jié)

本文基于現(xiàn)代微處理器技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)Austro Engine E4系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)面向控制應(yīng)用的微控制器在ECU上的架構(gòu)進(jìn)行了分析和闡述，通過(guò)相對(duì)通俗的描述，可以使維修人員對(duì)ECU控制系統(tǒng)的基本原理和功能有個(gè)整體的概念和理解，為通航維修人員維修理念的轉(zhuǎn)變提供一定幫助，為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)故障的排除提供一定的理論基礎(chǔ)和參考。

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作者簡(jiǎn)介

王銀坤，工程師，主要從事通用航空器工程技術(shù)管理工作。