汽車車身控制器電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

【摘要】文章詳細(xì)分析了車身控制模塊電源管理系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，包括總體電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與控制電路、調(diào)理電路、通信接口電路等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了總線控制車身電器，可供參考。

【關(guān)鍵詞】車身控制器；電路設(shè)計(jì)；信號控制

引言

集總式BCM對車身用電器的電路實(shí)現(xiàn)主要包括輸入信號調(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。以下將結(jié)合各個(gè)方面分別詳細(xì)介紹。

1.BCM的總體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)集總式BCM的功能需求，需要采集多種開關(guān)量信號和模擬量信號，經(jīng)過邏輯運(yùn)算，決定功率輸出狀態(tài)，并將此狀態(tài)通過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電路還包括對傳感器信號的采集。

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（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關(guān)，帶有過流、過壓保護(hù)功能，且具有輸出狀態(tài)診斷功能。MCU與FPGA間通過數(shù)據(jù)和控制總線進(jìn)行通信，用于車速和PWM脈寬數(shù)據(jù)、開關(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)過限幅電路使得采樣電壓不超過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MCU的8位數(shù)據(jù)線和控制線寫入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信號的時(shí)序邏輯，PWM信號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，其控制端接收來自FPGA芯片的PWM控制信號，其輸出根據(jù)輸入的PWM控制信號，工作在開關(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。

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、傳感器電壓信號檢測、功率電路輸出狀態(tài)檢測、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為中心的模擬信號采集和控制電路原理圖。74HC4851是一個(gè)模擬信號多路復(fù)用器。本設(shè)計(jì)中，使用了4片74HC4851來完成對32路模擬信號的采集。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控制器通過軟件配置可實(shí)現(xiàn)RS232串口功能，24路A/D轉(zhuǎn)換器通過軟件配置可實(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SPI總線與MCU通信。圖1中，MCU的數(shù)據(jù)總線、片選和Latch信號用于向FPGA芯片中的脈沖寬度數(shù)據(jù)寄存器寫入數(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.輸入信號調(diào)理電路

集總式BCM的輸入信號類型包括：開關(guān)量、模擬量。信號調(diào)理電路根據(jù)輸入信號的類型采用不同的調(diào)理電路，使得輸入到MCU和FPGA的信號電平滿足各自要求，并起到整形濾波的作用。圖2顯示了低輸入開關(guān)量的信號調(diào)理電路、高輸入開關(guān)量的信號調(diào)理電路、頻率量信號調(diào)理電路、模擬電壓輸入信號調(diào)理電路。

從圖2頻率量信號調(diào)理電路中可知，采用低漂集成運(yùn)算放大器LM2903構(gòu)成的遲滯比較器來完成對輸入頻率信號的濾波與整形，其中，F(xiàn)in1為頻率信號輸入，F(xiàn)out為整形后的頻率信號輸出，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，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，測量電壓范圍為0～32V。采用TVS管MMSZ5232BT1去除輸入信號中的過壓和浪涌電流，避免對后級電路的損害。將圖2中R121以250歐的電阻替換，即可實(shí)現(xiàn)對電阻型傳感器的信號測量，使電阻型信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，電阻型信號測量范圍為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調(diào)理電路。

4.通信接口電路

通信接口電路指CAN總線接口電路，完成CAN總線的物理電平到MCU的TTL電平的轉(zhuǎn)換。R150為CAN總線通信物理層所要求的匹配電阻，D42的型號為NUP2105L，該器件專為高速CAN總線信號設(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。

5.結(jié)語

本文完成了汽車車身控制模塊電源管理系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，通過總線的控制，完成對車身電器電源的控制，解決車身電器的軟啟動(dòng)、軟關(guān)斷和多路信號輸出的問題。

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