Diplomarbeit

Entwicklung eines Bordcomputers für Elektrofahrzeuge mit dem 32-Bit-Controller MC68376 (Motorola)

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Konzeptionserstellung

Die Konzeption des Bordcomputers verläuft auf mehreren Ebenen. Diese sind im wesentlichen:

  • die Auswahl des Prozessors nach seinem Aufgabengebiet
  • die Festlegung der Peripherie
  • die Auslegung der Platinen und ihrer Verbindungsmöglichkeiten

Die Auswahl des Prozessors

Die Auswahl des Prozessors hängt vom angestrebten Aufgabengebiet des Bordcomputers ab. Als Prozessorentypen sind für den MC68376 der A-Masken-Typ und der G-Masken-Typ verfügbar. Beide sind in puncto Energieverbrauch und Funktionsumfang auf den Automobilbereich ausgerichtet. Dabei ist die A-Maske eher für allgemeine Aufgaben - wie eine synchronisierte Pulsweitenmodulation und eine Quadrantendekodierung nach Richtung und Position - ausgelegt. Die G-Maske enthält Features, die für Elektromobil-Anwendungen von Vorteil sind - wie eine Schrittmotoransteuerung nach Tabelle, eine Ansteuerung von H-Brücken für Elektromotor-Applikationen, eine Quadrantendekodierung für schnelle Signale, eine bürstenlose Motorkommutation sowie eine Hall-Sensor-Dekodierung.

Die Festlegung der Peripherie

Die Festlegung der Peripherie läßt sich in zwei Gruppen einordnen, in die Peripherie des Prozessors und in die Peripherie des Bordcomputers. Die Peripherie des Prozessors umfaßt das BDM-Interface (Background Debug Mode) den Arbeitsspeicher, den Flash, die Baugruppen für die serielle Kommunikation und die Resetschaltung. Die Peripherie des Bordcomputers beinhaltet die I/O-Baugruppen sowie die Bereitstellung aller benötigten Betriebsspannungen.

Für die Inbetriebnahme und den Test - sowohl zunächst des Microcontrollers als auch später des gesamten Bordcomputers - ist das BDM-Interface von größter Wichtigkeit und wird mit einer Spannungsbegrenzung, Reihenwiderständen und einer 10poligen Steckerleiste geplant.

Der RAM als Hauptspeicher sollte sowohl für größere Programme - z.B. in der Programmiersprache ANSI-C - als auch für eine Datenerfassung groß genug dimensioniert sein. Daher sind zwei Speicherbausteine mit jeweils 4 MBit Größe, 16 Bit Datenbreite und 70 ns Zugriffszeit konzipiert.

Zum Booten des Bordcomputers und zum nichtflüchtigen Speichern von Daten ist der Flash vorgesehen. Der Baustein hat eine Größe von 4 MBit und kann in system, d.h. ohne eine zusätzliche Betriebsspannung im normalen Betrieb des Controllers gelöscht und beschrieben werden.

Für die flexible Kommunikation des Microcontrollers sind zwei serielle Kommunikationskanäle konzipiert. Dies ist zum einen die RS232-Schnittstelle und zum anderen der CAN-Bus. Für beide Kanäle sind Bustreiber sowie für den CAN-Bus Optokoppler zur optischen Trennung vom externen Kanal geplant.

Zur Spannungsüberwachung und zum definierten Einschalten des Bordcomputers wird ein Reset-Baustein eingesetzt. Zum manuellen Durchführen eines Reset wird er zusätzlich mit einem Reset-Taster versehen.

Um diskrete Zustände erfassen und ausgeben zu können, ist für die gesamte Breite des Datenbusses mit 16 Bit sowohl ein digitaler Eingang als auch ein digitaler Ausgang vorgesehen. Der digitale Eingang wird mit RC-Gliedern und einer Spannungsbegrenzung geschützt und über einen Bustreiber auf den Datenbus des Bordcomputers synchronisiert. Die digitalen Ausgänge sollen mit Latches vom Datenbus entkoppelt und über Leistungstreiber auch für größere Lasten geeignet sein.

Die Analog-Digital-Umsetzung des Microcontrollers hat 16 Kanäle. Diese sollen über eine Eingangsbaugruppe in voller Breite verfügbar sein. Ein analoger Eingang wird daher mit 16 Kanälen und einer RC-Filterung ausgeführt.

Die Auslegung der Platinen

Der gesamte Bordcomputer wird auf zwei Platinen konzipiert. Dies ist zum einen das Controllerboard und zum anderen als Trägerplatine das DC-Board. Das Controllerboard soll unabhängig von der Trägerplatine einsetzbar sein und alle Komponenten zum unmittelbaren Betrieb des Microcontrollers enthalten. Folgende Komponenten werden in das Controllerboard integriert:

  • BDM-Interface
  • RAM
  • Flash
  • RS232-Schnittstelle
  • CAN-Bus-Interface
  • Reset-Schaltung

Das DC-Board als Trägerplatine beinhaltet die Baugruppen zur Ein- und Ausgabe sowie die Bereitstellung aller benötigten Betriebsspannungen und enthält folgende Module:

  • digitaler Eingang
  • digitaler Ausgang
  • analoger Eingang
  • analoger Ausgang
  • Spannungsversorgung

Zur modularen Gestaltung des Bordcomputers wird für beide Platinen der BCC-Stecker (Business Computer Card) eingesetzt, welcher eine Erweiterung um weitere Baugruppen wie z.B ein Display ermöglicht. Der BCC-Standard legt die physikalische Ausführung des Steckverbinders und dessen Belegung mit den einzelnen Bussen und Steuersignalen fest. Er besteht aus zwei Stiftsockelleisten mit je 64 Kontakten und überträgt 24 Adreßleitungen, 16 Datenbusleitungen, 16 TPU-Kanäle, 7 Interruptleitungen sowie diverse Steuersignale.

Ein weiterer Steckverbinder überträgt die Ein- und Ausgangssignale vom DC-Board zum Controllerboard - wie die 16 Kanäle der Analog-Digitalumsetzung und 8 Kanäle des CTM (Configurable Timer Module) sowie die notwendigen Steuersignale und Spezialspannungen.

Mit diesem modularen Aufbau ist es möglich, das Controllerboard unabhängig vom DC-Board einzusetzen und weitere Komponenten nach dem BCC-Standard zu verwenden.

 
   Technische Universität Berlin Institut für Energie- und Automatisierungstechnik