集總式BCM車(chē)身電器控制模塊電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吉武俊，高 云

（1.武漢理工大學(xué)，武漢 430070；2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450046）

0 引言

基于CAN總線的集總式BCM客車(chē)車(chē)身控制模塊是一個(gè)基于CAN2.0B通信的車(chē)身低速電器（電動(dòng)門(mén)窗控制、空調(diào)控制、車(chē)燈控制、雨刮器控制等）控制模塊，一方面根據(jù)數(shù)字輸入或模擬輸入信號(hào)控制功率輸出，并通過(guò)總線將傳感器數(shù)據(jù)報(bào)告電源控制單元，同時(shí)作為J1939網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，變速箱ECU等實(shí)現(xiàn)CAN通信；另一方面檢測(cè)輸出故障，存儲(chǔ)故障碼，報(bào)告故障狀態(tài)。通過(guò)BCM車(chē)身控制模塊，簡(jiǎn)化了線束，可增強(qiáng)整車(chē)電器控制的簡(jiǎn)潔性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障診斷的簡(jiǎn)便性，減少了故障率，提高整車(chē)性能。

集總式BCM對(duì)車(chē)身用電器供電的控制策略為：

用電器的供電采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)，即將用電器的供電電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，確定占空比，以使用電器的工作電壓等于其額定工作電壓，避免因過(guò)壓造成的用電器壽命減少，避免過(guò)電壓供電造成的能源浪費(fèi)。

圖1 集總式BCM系統(tǒng)電路原理圖

對(duì)用電器進(jìn)行軟啟動(dòng)和軟關(guān)斷的控制，假設(shè)啟動(dòng)與關(guān)斷的過(guò)程時(shí)間為500ms，即在啟動(dòng)過(guò)程中，占空比從0線性逐漸增加，最后達(dá)到由供電電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后確定的占空比數(shù)值，使供電電壓逐漸增加到額定工作電壓；關(guān)斷過(guò)程中，占空比工作額定電源逐漸呈線性減小到0；從而避免用電器設(shè)備啟動(dòng)和關(guān)斷過(guò)程中的感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬間高反向電壓和瞬態(tài)浪涌電流對(duì)控制單元的損壞，同時(shí)也避免了共電源阻抗引入的干擾，改善了控制單元的性能。

集總式BCM的電路實(shí)現(xiàn)主要包括：輸入信號(hào)調(diào)理電路、基于微控制器（MCU）的數(shù)據(jù)采集和控制電路、基于FPGA的邏輯運(yùn)算電路、功率輸出電路和通信接口電路。以下分別詳細(xì)介紹。

1 集總式BCM的總體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)集總式BCM的功能需求，需要采集多種開(kāi)關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，決定功率輸出狀態(tài)，并將此狀態(tài)通過(guò)CAN總線傳送給CAN總線儀表，從而顯示給司機(jī)，同時(shí)要求實(shí)現(xiàn)功率輸出電路的智能故障診斷。圖1顯示了集總式BCM的系統(tǒng)電路原理圖，其中A/D電路還包括對(duì)傳感器信號(hào)的采集。

如圖1所示，F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)邏輯和時(shí)序控制（PWM輸出和轉(zhuǎn)向燈時(shí)序），MCU完成模擬信號(hào)（模擬量輸入和診斷反饋量）的采集和CAN通信功能。功率輸出采用智能高邊功率開(kāi)關(guān)，帶有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能，且具有輸出狀態(tài)診斷功能。MCU與FPGA間通過(guò)數(shù)據(jù)和控制總線進(jìn)行通信，用于車(chē)速和PWM脈寬數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)等的信息交互。

整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：

使用微控制器MCU的A/D接口功能，采用等比例電阻分壓法，采樣并將用電器供電電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采樣電壓范圍在0－5.0V，并經(jīng)過(guò)限幅電路使得采樣電壓不超過(guò)5V，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果確定占空比，將占空比數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位脈沖寬度數(shù)據(jù)，通過(guò)MCU的8位數(shù)據(jù)線和控制線寫(xiě)入FPGA芯片中的脈沖寬度數(shù)據(jù)寄存器；

MCU集成CAN控制器，用于發(fā)送故障診斷狀態(tài)報(bào)文和其他通訊內(nèi)容；

在FPGA芯片中，實(shí)現(xiàn)多路PWM信號(hào)的時(shí)序邏輯，PWM信號(hào)輸出至各路用電器的電源芯片的控制端，即高邊智能功率開(kāi)關(guān)；

HS-IPSW提供驅(qū)動(dòng)電流作為用電器的供電電源，其電源輸入為蓄電池正極，其控制端接收來(lái)自FPGA芯片的PWM控制信號(hào)，其輸出根據(jù)輸入的PWM控制信號(hào)，工作在開(kāi)關(guān)輸出狀態(tài)，電壓波形為PWM波形，使其輸出電壓等于用電器的額定工作電壓。

HS-IPSW（高邊智能功率開(kāi)關(guān)），具有過(guò)電流及短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)，并帶有短路和斷路診斷輸出ST（診斷電壓反饋型）或IS（診斷電流反饋型），診斷輸出為電壓或電流，當(dāng)為電流時(shí)，轉(zhuǎn)換為電壓后，高電平為4.0-7V，采用限幅電路使高電平不超過(guò)5V，低電平為0－0.5V，該信號(hào)在反饋至MCU；為電壓時(shí)，直接反饋到MCU，MCU產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)給FPGA芯片的PWM信號(hào)產(chǎn)生電路。當(dāng)發(fā)生過(guò)流、短路、過(guò)熱或斷路故障發(fā)生時(shí)，停止PWM信號(hào)輸出，并通過(guò)CAN總線發(fā)送故障狀態(tài)報(bào)文。

這種車(chē)身電器控制策略，可以延長(zhǎng)用電器使用壽命，避免用電器開(kāi)關(guān)過(guò)程中的大電流沖擊和瞬態(tài)過(guò)壓現(xiàn)象，改善EMI/EMC(電磁兼容性)性能，同時(shí)也利于節(jié)能。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

2 基于MCU的數(shù)據(jù)采集與控制電路

基于MCU的數(shù)據(jù)采集與控制電路，主要完成24V供電電壓的檢測(cè)、傳感器電壓（電阻）信號(hào)檢測(cè)、功率電路輸出狀態(tài)檢測(cè)、CAN報(bào)文數(shù)據(jù)的收發(fā)及與FPGA電路的信息交互。圖1顯示了以MCU為中心的模擬信號(hào)采集和控制電路原理圖。74HC4851是一個(gè)模擬信號(hào)多路復(fù)用器。本設(shè)計(jì)中，使用了4片74HC4851來(lái)完成對(duì)32路模擬信號(hào)的采集。使用富士通的一款16位單片機(jī)MB90F342作為微控制器，該芯片集成了2路CAN控制器、24路A/D轉(zhuǎn)換器，其中2路CAN控制器通過(guò)軟件配置可實(shí)現(xiàn)RS232串口功能，24路A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)軟件配置可實(shí)現(xiàn)普通I/O口功能。本設(shè)計(jì)中，使用了其中1路CAN控制器和4路A/D轉(zhuǎn)換器。使用1片帶2KB的EEPROM的硬件看門(mén)狗集成電路幫助MCU程序復(fù)位，“喂狗”時(shí)間為600ms，該芯片通過(guò)SPI總線與MCU通信。圖1中，MCU的數(shù)據(jù)總線、片選和Latch信號(hào)用于向FPGA芯片中的脈沖寬度數(shù)據(jù)寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)。使用MCU集成的CAN總線控制器完成將集總式BCM管理開(kāi)關(guān)量狀態(tài)及處理后的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給儀表顯示單元。

3 輸入信號(hào)調(diào)理電路

集總式BCM的輸入信號(hào)類(lèi)型包括：開(kāi)關(guān)量（低輸入或高輸入有效）、模擬量（頻率量、電壓量）。信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)輸入信號(hào)的類(lèi)型采用不同的調(diào)理電路，使得輸入到MCU和FPGA的信號(hào)電平滿足各自要求，并起到整形濾波的作用。圖2顯示了低輸入開(kāi)關(guān)量的信號(hào)調(diào)理電路、高輸入開(kāi)關(guān)量的信號(hào)調(diào)理電路、頻率量信號(hào)調(diào)理電路、模擬電壓（電阻）輸入信號(hào)調(diào)理電路。

如圖2開(kāi)關(guān)量信號(hào)調(diào)理電路所示，分別使用了TVS管和專(zhuān)用電壓鉗位集成電路來(lái)消除輸入信號(hào)上的過(guò)電壓和浪涌電流。此外，高輸入開(kāi)關(guān)量的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)際是硬件可配置的通用開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理電路，這樣的輸入有12個(gè)。通常情況下，高輸入信號(hào)電平在24－30V之間，經(jīng)調(diào)理電路后，信號(hào)電平在2－3.3V之間滿足了所使用汽車(chē)級(jí)FPGA芯片的輸入電平范圍要求。

從圖2頻率量信號(hào)調(diào)理電路中可知，采用低漂集成運(yùn)算放大器LM2903構(gòu)成的遲滯比較器來(lái)完成對(duì)輸入頻率信號(hào)的濾波與整形，其中，F(xiàn)in1為頻率信號(hào)輸入，F(xiàn)out為整形后的頻率信號(hào)輸出，Vref為參考電壓，在本設(shè)計(jì)中，取Vref=2V。由運(yùn)算放大電路的虛短和虛斷可知，該遲滯比較器電路的雙閾值門(mén)限分別為：

其中 RS= R1||R2。在式1和2中， VH,VL分別為遲滯比較器的高邊閾值和低邊閾值，VOL為輸出電壓的低電平。由圖2中的頻率量信號(hào)調(diào)理電路參數(shù)和式1、式2可知， VH= 3 .5V,VL= 1 .0V，該遲滯比較器的輸出為一方波信號(hào)，高電平為＋5V，低電平為0V，起到很好的濾波和整形作用。

在圖2中的模擬電壓量信號(hào)調(diào)理電路部分，模擬電壓經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)后，輸入電壓跟隨器，再輸入到MCU的A/D轉(zhuǎn)換器輸入端，測(cè)量電壓范圍為0～32V。采用TVS管MMSZ5232BT1去除輸入信號(hào)中的過(guò)壓和浪涌電流，避免對(duì)后級(jí)電路的損害。將圖2中R121以250歐的電阻替換，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻型傳感器的信號(hào)測(cè)量，使電阻型信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電阻型信號(hào)測(cè)量范圍為0～500歐，因此，該電路還是一個(gè)硬件可配置的電阻或電壓信號(hào)調(diào)理電路。

4 基于FPGA的邏輯和時(shí)序運(yùn)算電路

基于FPGA的邏輯運(yùn)算電路完成開(kāi)關(guān)量信號(hào)的組合邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)邏輯和PWM（脈寬調(diào)制輸出）邏輯。以電喇叭的控制為例，圖3顯示了一個(gè)典型的組合邏輯電路。

圖3 FPGA中典型的組合邏輯電路

圖3 中，LSIN17_Horn為低電平有效的輸入開(kāi)關(guān)量，MAIN_ACC表示總電源開(kāi)關(guān)與ON檔開(kāi)關(guān)同時(shí)有效。此外，該電路中還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)去抖電路，如圖3中的SWDetector，去抖時(shí)間設(shè)置為2.5秒。使用VHDL編寫(xiě)了此去抖邏輯，代碼如下：

Library IEEE ;

use IEEE.std_logic_1164.all;

use IEEE.std_logic_unsigned.all;

Entity SWDetector IS

PORT

(

clk: IN std_logic;

SWin: IN std_logic;

SWout : out std_logic

);

END SWDetector;

architecture arc of SWDetector is

signal Cout : std_logic;

signal clken: std_logic;

signal clr : std_logic;

begin

clr<=not SWin;

clken<= clk and SWin;

process(clken,clr,Cout)

variable cnt: integer range 0 to 255;

begin

if (clken'EVENT AND clken = '1') THEN

if cnt=255 then

cnt:=0;

Cout<='1';

else

Cout<='0';

cnt:=cnt+1;

end if;

END IF;

if (Cout='1') then

SWout<='1';

end if;

if (clr ='1') then

SWout<='0';

Cout<='0';

cnt:=0;

end if;

END process;

END arc;

在本設(shè)計(jì)中，還使用FPGA邏輯電路實(shí)現(xiàn)了雨刮器刮速根據(jù)車(chē)速不同自適應(yīng)調(diào)整的功能，即，車(chē)速小于5km/h時(shí)，雨刮器開(kāi)關(guān)若在高速檔，則雨刮器實(shí)際按低速檔運(yùn)行，若車(chē)速大于5km/h，且雨刮器開(kāi)關(guān)在高速檔，則雨刮器速度按高速檔運(yùn)行，這樣增強(qiáng)了電器控制的智能化，同時(shí)有利于節(jié)能。

5 通信接口電路

通信接口電路指CAN總線接口電路，如圖4所示，完成CAN總線的物理電平（差分信號(hào)）到MCU的TTL電平的轉(zhuǎn)換。

圖4 CAN通信接口電路

圖4 中，R150為CAN總線通信物理層所要求的匹配電阻，D42的型號(hào)為NUP2105L，該器件專(zhuān)為高速CAN總線信號(hào)設(shè)計(jì)的雙向瞬態(tài)電流抑制器(TVS)。ZJYS81R5為一共模電感，共模電感和TVS的組合使用能夠提高系統(tǒng)的EMI性能，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

6 結(jié)論

本文完成了集總式車(chē)身控制模塊BCM電源管理系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。通過(guò)CAN總線的控制，完成對(duì)車(chē)身電器電源的控制，從而避免了發(fā)電機(jī)電壓超過(guò)車(chē)身用電器的額定電壓對(duì)車(chē)身電器造成的損壞，解決車(chē)身電器的軟啟動(dòng)、軟關(guān)斷和多路PWM信號(hào)輸出的問(wèn)題。

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