先进微控制器在Austro Engine E4系列航空发动机ECU模块中的应用

王银坤 杨淳

摘要：基于现代微处理器技术基础，对Austro Engine E4系列发动机面向控制应用的微控制器在ECU上的架构进行分析和阐述，有助于了解ECU模块基本工作原理和相关信息，高效率排除发动机控制系统故障，为通航飞机维修技术和理念的升级提供一定帮助。

关键词：ECU；微控制器；Austro Engine E4

Keywords：ECU；microcontroller；Austro Engine E4

0 引言

随着电子技术的发展及大型专业开发平台的应用，航空发动机电子控制技术已进入相当成熟阶段，航空发动机输出性能、经济性、可靠性、排放指标、维护性等指标得到全面提升。目前国内飞行训练主力机型之一的钻石DA42NG飞机所装配的Austro Engine E4系列发动机就以其先进的发动机电子控制技术著称。

Austro Engine E4系列航空发动机主要装配在钻石DA40、DA42NG等机型上，该型发动机作为现代高速柴油飞机发动机的代表之一，采用ECU作为发动机主控制器，该控制模式与传统的莱康明发动机显著不同，对EUC控制模块工作的研究就显得尤为必要。

作为Austro Engine E4动力装置的控制核心，ECU完成两个层次的基本控制功能。第一个层次是发动机输出功率控制，控制对象为Mercedes-Benz OM640本体。以Bosch公司第二代高压燃油共轨系统为硬件基础。第二个层次是对发动机负载进行控制，控制对象为MT螺旋桨桨叶角变化。根据Austro Engine提供的Set Point，ECU通过调速器改变螺旋桨桨叶角，实现发动机负荷控制策略。而ECU能实现上述控制功能的关键就在于其内部的微控制器（见图1）。

1 ECU基本工作原理分析

作为发动机电子控制系统的核心部件，ECU的基本任务可归纳如下：

1）处理输入信息，将各类输入的信息转化为微处理器（或微控制器）所能接受的信号；

2）存储输入信息，供微处理器在适当的时刻使用；

3）存储各种程序、数据、表格等；

4）完成计算任务、执行处理各種信息的运算，进而产生控制指令及进行故障诊断；

5）存储输出信息；

6）处理已锁存的输出信息，分别执行数据、信息的通信与交换；

7）产生各种参考电压，如3.3V、5V、9V及12V等。

以MPC56xx系列32位单片机为代表的先进微控制器极大提升了ECU运算力、控制精度、可靠性、扩展和升级能力、网络和数据交换能力，使发动机先进设计理念得以实现，依据现代微电子技术、SoC（System-on-a-Chip系统级芯片）基本原理、ARM架构研究以及芯片厂家技术说明等，ECU基本工作原理可归纳为如图2所示的ECU底层控制逻辑硬件架构。

2 ECU的输入级部分分析

输入部分的作用是将发动机电控系统各传感器检测到的信息通过I/O接口送入微控制器，实现ECU对发动机运行工况的实时检测与监控。同时，原始信号进入输入级后，还需进行预整理，如杂波滤除、偏移补偿等。有的信号为非矩形波，不能直接参与微控制器运算，需执行标准方波信号处理。

从传感器来的信号分为模拟信号与数字信号两种，由于计算机只能识别数字量，故模拟电信号必须通过A/D转换才能进入ECU微控制器。一些脉冲信号也不能被计算机直接接收，需要通过输入级将状态信号转变为标准TTL信号才能送入微处理器。由此，ECU输入级的特点如下：

1）对被检测部件的信号拾取要求真实反映被测对象工作状态，包括及时性、测量精度符合行业规范、测量信号需满足专用嵌入式设备输入接口的电平标准规范要求，因此，根据行业设计经验，都会在输入级通道中设计与传感器类型相关的信号调制、转换电路。

2）由于输入通道模块要完成被测对象真实状态的量值（传感器输出的电流、电压、频率量）检测，因此，在针对航空领域的设计方案中，除了要求将输入通道模块尽可能接近信号拾取对象以减少传输过程的能耗和干扰，还要求ECU必须设置在远离热源和振动的地方。近年来，传感器生产厂家开始规模化生产被称为“Smart Sensor”的新型传感器，该类传感器可对信号进行线性化处理和放大，输出标准规范数字信号、频率信号和TTL信号，可以减轻ECU输入级的负担，提升抗干扰能力。

3）维修人员必须考虑到被测对象的现场环境对输入通道的影响。一般情况下，模拟通道传输线路上的输出信号强度都比较微弱，因此，对于运行维修方来说，维持输入通道线路的抗干扰设计状态显得特别重要。

4）在ECU输入通道模块中，信号调节的基本任务是将压力、温度、电场、磁场等敏感元件输出的初次信号转换成能符合微控制器或A/D输入规范要求的标准电平信号。作为ECU的测量子系统，其信号调节任务较复杂，除了执行信号放大和滤波外，还要完成诸如零点漂移校正、线性化处理、温度补偿、量程切换等信号处理运算。作为微控制器应用领域的ECU，诸多原本依靠硬件实现的信号调节任务都可交由更先进的软件来完成，使ECU中信号处理电路得以简化。这样，可将ECU输入通道模块的信号处理重心转变为小信号放大、信号滤波以及频率量的放大、整形等任务上，优化了ECU性能。

3 ECU中的微控制器部分分析

ECU中的微控制器被认为是发动机电控系统“核心中的核心”，承担整个ECU的信号获取和处理、MAP数据运算和状态分析、控制指令的生成和锁存、控制策略执行、ECU内部及外部数据的通信与交换等任务。

以高可靠性为追求目标的E4系列发动机对ECU中微控制器芯片的要求是：运算速度高、实时控制、抗强振和高温，在电磁辐射、粉尘、油污环境下具有高可靠性和耐久性。

1）实时处理能力：严格遵守某一时间顺序“及时”“立即”地完成各种数据处理及控制指令的产生。以Austro Engine E4系列发动机为例，由于燃油喷油过程的控制必须精确地确定喷油时刻和喷油持续期，ECU设定了严格的时间参数，由ECU微控制器中的实时时钟提供。微控制器对信息的处理采用分时串行方式，全部收集到的信息不可能做到“立即”，因此就不能做到完全“实时”。这里所说的实时性可理解为在时间上能跟得上过程所提出的任务要求，因此就有了硬件上实时响应运算速度方面的要求，即微处理器应在规定的时间内完成所有信息的采集、处理及指令输出工作，为下一个任务的执行做好准备，必须满足硬件方面对微控制器工作频率的要求。

2）比较完善的中断系统：作为一个能实现正常功能的微控制器系统，必须能及时处理系统中发生的各种紧急情况和优先排序任务。例如，系统运行时通常需要某些基本参数、改变某个工作流程或指引某一规定时间间隔内的任务流程，当I/O子系统异常、系统侦测出故障或紧急情况发生时要做出相应的报警和处理。作为典型的SoC应用，ECU微控制器芯片在处理这些情况时一般都采用中断控制方式。系统出现紧急情况需要处理时，向微控制器发出中断请求，系统根据预置程序暂停原工作进程，执行相应的中断服务程序，待中断处理完毕后微控制器再返回原程序流程。此外，在微控制器系统中还有本机与外部设备信息交换、与飞机其他系统的多机连接、与其他计算机通信等实际需求，这些都需要用中断方式进行解决。

3）对微控制器指令系统的要求：与其他SoC一样，微控制器也应用执行效率更高的RISC（精简指令集）系统，其指令种类的多少及功能的强弱将影响编程繁简，进而影响本机解决复杂问题的能力。因此，要求ECU软件开发人员注重指令的丰富性和寻址范围的广泛性。

4）对内存的要求：作为微型计算机，ECU模块将常用算法和数据存放在内存中，适量的内存容量是微控制器稳定运行和效率的保障，同时ECU模块对内存也有严格的保护功能，使其控制过程稳定、不出故障，保证内存中的控制程序及数据在控制过程中不被偶然错误所改变和破坏。

与PC机的X86架构不同，基于控制功能的发动机ECU都采用单片微型机结构，这种哈佛（Harvard）架構的微处理器是将中央处理器、程序存储器、数据（MAP）存储器、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要部件集成在一块电路芯片上所形成的ARM架构芯片级应用，也被称为单片微型计算机或单片机。作为ECU的微控制器应用不管是功能上还是形态上，都是为适应控制领域应用要求而设计的，如早期的80C51、M68HC11、M68HC332等8位单片机，以及更先进的MPC56xx系列32位单片机，都着力扩展了A/D、PWM、PCA、OC、高速I/O、WDT等功能，因此将它们称为微控制器（Microcontroller）更为准确。

4 典型的ECU单片机基本组成结构

1）CPU：ECU的主控微控制器芯片专门应用于强化“面向控制”的处理功能，如位元处理、MAP查读、多重跳转、乘积运算、状态监控、中断式任务处理等功能，以增强其实时性和专属性。

2）存储器：考虑到ECU单片机“专属性”的实际应用场合，需要较大的程序存储器空间，因此采用了哈佛布局。将电控系统的控制程序、各种控制参数的脉谱图表（MAP）、发动机的参数等信息保存在片内掩膜存储器中。

3）I/O接口：I/O接口是ECU微控制器CPU与传感器和执行机构之间实施信息交换的桥接控制电路模块。依据CPU的指令，输入信号以确定频率通过I/O模块，被CPU缓存器锁存，调出执行运算，输出信号则按所发出控制信号的要求通过I/O模块，以合适的速度输出（或送入中间存储器）。因此，I/O接口是外界与CPU进行信息交换的纽带和桥梁，具有数据缓存、电平切换、时序匹配处理等多种功能。

4）定时器/计数器：在微控制器的实际应用中，需要精确定时或对外部事件进行计数，为减少软件的开销和提高微控制器的实时扩展能力，均在微控制器内部设置了定时器/计数器电路，通过中断实现定时/计数的自动处理。

5）定时电路及元件：微控制器的整个工作过程是在时钟信号的驱动下按严格的时序，有规律地一个节拍、一个节拍地执行各种操作。各种计算机均有各自的固定时序和定时电路。同样，ECU的微控制器芯片内部也设计了定时电路，只需要外接晶振单元即可实现各功能模块的倍频功能。新型微控制器的振荡元件已集成在芯片内部，不仅大大缩小了ECU体积，也便于开发应用。

5 ECU的输出级部分分析

与所有SoC相同，发动机ECU的输出级被分为模拟量通道的输出和数字量通道的输出。模拟量通道的输出是将微控制器芯片输出的数字控制信号转换为模拟控制信号（电压和电流）去驱动对应的执行机构，从而实现对被控制对象的精确高效控制。例如，要控制在电控化发动机上大量使用的比例型电磁铁（如流量控制器）、大功率动圈式力马达（如螺旋桨调速器分油塞弹簧预张力调节电机），就必须先将微控制器输出的数字信号转换为模拟信号，即电压，此电压信号经功放后才可驱动执行机构。数字量通道输出是将微控制器输出的数字信号经锁存隔离后再经功放器输出，控制只接受数字信号输入类型的执行机构，如高速电磁开关、步进电机等。

1）模拟量输出通道：由数/模转换器模块完成D/A转换，根据航空领域的特殊应用场合，要求高精度和高可靠性，并具有优秀保持功能。模拟量通道输出的结构形式分为独立D/A转换器形式和共用D/A转换器形式。在ECU的开发阶段，Bosch公司已着重考虑了D/A转换芯片的优化匹配、数字量码的输入极限、模拟量的极性输出错误概率、参考电压多路源优化、模拟电量输出在极端环境的调整与分配等问题。

2）开关量的输出通道：开关量输出通道与微控制器接口可采用片载自带锁存功能的I/O口；采用通用集成可编程I/O接口芯片，只需改变程序内容就可达到改变芯片功能的目的。

3）功率放大器：微控制器输出的控制信号经过输出通道的处理后，信号能量还不足以驱动各种执行机构，一般还要经过功率放大器将信号能量放大。根据负载特性、使用场合、精度、响应等，归纳出以下几种类型的功率放大器：

a.电压反馈型功放，应用于直流伺服电动机的转速控制；

b.电流反馈型功放，针对动圈式和动铁式电-机械感性负载要求具有很小的电气时间常数的特点，确保输出电流信号的保真度；

c.比例电磁铁的功放，应用于驱动电流需求较大、稳态和动态特性良好的场合，如脉宽调制（PWM）式信号的功率放大器，用于驱动涡轮增压器旁通门控制阀等，优点是功耗不高、控制精度高、响应快；

d.开关式功率放大器，应用于高速电磁开关阀（数字阀）、步进马达等数字式执行元件的驱动功放，特点是能耗低，与微控制器芯片连接方便，能消除摩擦影响和颤振信号，如电磁式高压燃油喷嘴就采用了带升压驱动模块的PWM开关式功放，可以提供理想的线圈电流上升波形，保证电磁阀关闭始点的一致性，降低了喷油定时误差。

6 总结

本文基于现代微处理器技术基础，对Austro Engine E4系列航空发动机面向控制应用的微控制器在ECU上的架构进行了分析和阐述，通过相对通俗的描述，可以使维修人员对ECU控制系统的基本原理和功能有个整体的概念和理解，为通航维修人员维修理念的转变提供一定帮助，为发动机控制系统故障的排除提供一定的理论基础和参考。

参考文献

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作者簡介

王银坤，工程师，主要从事通用航空器工程技术管理工作。