基于UPD70F3614單片機汽車方向柱鎖電控系統(tǒng)設計

石勇 湛騰西 黃吉 吳國璽 唐宇航 歐先鋒

摘要：設計了一款以UPD70F3614為核心CPU的汽車方向柱鎖（ESCL）控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包含分布式電源設計、雙CPU控制，CAN外部通信，主副CPU內(nèi)部通信，H橋電機驅動模塊及相關軟啟動控制。介紹了ESCL各模塊基本原理與實現(xiàn)方法，并對系統(tǒng)的基本測試方法進行了介紹，本系統(tǒng)的設計完成了初樣并得到了較好的驗證。

關鍵詞：方向柱鎖;雙CPU;H橋驅動;內(nèi)外通信

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A 文章編號：2095-5383（2019）03-0031-05

汽車方向柱鎖（ESCL）電控系統(tǒng)是掛在汽車電子系統(tǒng)CAN總線上的一個模塊。這個模塊可以是汽車一鍵啟動系統(tǒng)（PEPS）的一個組成部分，也可以接收來自CAN總線的其他模塊的信令;其工作環(huán)境惡劣，低功耗及可靠性要求較高。本文提出了一種ESCL電控系統(tǒng)設計方案，該設計在汽車電子鎖柱配套廠家的委托研發(fā)項目中得到了較好的實現(xiàn)與驗證。

1方向柱鎖設計說明

1.1方案簡介

本款ESCL電控系統(tǒng)能收發(fā)CAN總線上的信令;硬件方面采用雙CPU結構設計，H橋驅動模式控制電機正反轉;主CPU采用UPD70F3614，副CPU采用PICl6F1933：軟件方面需要設計雙CPU內(nèi)部通信接口程序，H橋驅動程序，外部通信接口程序。ESCL與外部通信由主CPU通過CAN總線及相關汽車總成模擬協(xié)議實現(xiàn);內(nèi)部主副CPU通信通過UART內(nèi)部通信協(xié)議采用主從式通信方式實現(xiàn)。ESCL各模塊組成如圖1所示。

1.2各硬件模塊設計

1.2.1主控CPU模塊

電子方向柱鎖作為汽車上使用的部件，其低功耗、安全可靠性、環(huán)境適應性要求高;主控CPU作為核心部件，更為重要。在設計時選用汽車電子專用CPU制造商日本瑞薩科技公司的UPD70F3614單片機。

UPD70F3614單片機屬于V850ES/FX系列V850ES/FX3-L組，其工作環(huán)境溫度為-40-125℃，這可以保證汽車方向柱鎖在復雜環(huán)境氣候下使用的可靠性。UPD70F3614主要特性參數(shù)如表1所示。

在芯片記憶能力方面，程序存儲器具備256KB閃存，而RAM為16KB，且具備掉電數(shù)據(jù)保護能力。信息交流方面，UPD70F3614單片機需要與一鍵啟動基站等CAN總線或其他通信總線模塊進行信息交流，而它提供了充足的接口。如1個CAN通道，2個LIN通道.2個CSIs通道，2個UART通道.1個I²C通道，其中的CAN總線通信及LIN總線通信為兩者通信提供了支持，具有豐富的數(shù)據(jù)通信接口;同時還擁有10位x10通道的A/D轉換器，也具備良好模數(shù)轉換能力。

1.2.2副控CPU

副控CPU選用PICl6F1933，其功能主要是控制電機的反轉。PICl6F1933是一款采用納瓦技術的28腳8位CMOS閃存單片機，具有高性能、低功耗的優(yōu)良特性。

PIC16F1933具有可編程、故障可檢的高精度內(nèi)部振蕩器，可控范圍從31kHz～8MHz;寬工作電壓范圍（2～5.5v）;環(huán)境適應性可達工業(yè)及拓展型工作范圍，具有上電、掉電復位功能;高耐用性閃存;低功耗特性方面，首先，具有節(jié)能休眠機制;其次待機電流2.0v時典型值50ua，頻率32kHz、電壓2.0v時工作電流僅為11ua，頻率4MHz、電壓2.0v時工作電流也只有220ua;2.0v時看門狗定時器電流典型值為1uA。這些低功耗特性，都是汽車電子系統(tǒng)設計時的優(yōu)選指標。

PIC16F1933具有增強型PWM模式能在最多4個不同的引腳上產(chǎn)生分辨率最高為10位的PWM信號。通過單輸出、半橋輸出、全橋輸出正向模式、全橋輸出反向模式四種PWM輸出模式實現(xiàn)：要選擇一種增強型PWM模式，只須對特殊功能寄存器CCPlCON中的P1M位進行適當設置。PWM輸出與I/O引腳復用，并被稱為P1A、P1B、P1C和P1D。PWM引腳的極性是可配置的.通過對CCPlCON寄存器中的CCPlM位進行適當設置來選擇極性。增強型PWM模塊的簡化框圖如圖2所示。此PWM功能可用于電機反轉控制的軟啟停技術。

1.2.3分布式電源設計

汽車電源由于采用蓄電池供電，輸入電壓波動大，穩(wěn)壓難度大。依據(jù)主、副控CPU均需在很小的電壓波動幅度下工作這一特性，當工作電壓變化幅度過大，將降低能耗效率，同時也會對單片機、對ESCL各模塊工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。所以，ESCL需要一個能應對寬電壓輸入波動，同時具有高穩(wěn)定輸出的一個電源模塊，確保系統(tǒng)正常運行。分布式電源設計如圖3所示。

由于系統(tǒng)采用雙CPU設計，故2個不同的CPU采用分布式供電。輔控CPU PICl933具有較寬的工作電壓范圍，工作電壓波動范圍可達2.0～5.5v。與之配套的電源DC-DC變換芯片是L4949ED。這個芯片輸入電壓的變化范圍為DC 5～28v，有23v左右的允許波動范圍。輸出電壓穩(wěn)定度5V±1%，其電流輸出可達到100mA。完全可以滿足本設計中PIC1933單片機最小系統(tǒng)的正常工作。如圖3所示，DC-DC變換電路L4949ED其輸出VDD為TFL電平工作部件供電，除給PICl933供電外，同時還給主控CPU UPD70F3614的B-E組10口供電，故VDD功率為這兩組供電功率之和。從這一個支路來分析，蓄電池電壓輸入在DC 10.8～14.8v約有4v左右的波動范圍，遠小于L4949ED允許23v的波動范圍。第2個分布式支路，由三端穩(wěn)壓器NCV4264來完成。輸入也是寬范圍DC（4.5～45v），也完全覆蓋了汽車蓄電池電壓的波動范圍。這兩個芯片具有良好的抗輸入電壓波動的能力。NCV4264輸出電壓如圖3所示EVDD（3.3v）給主控CPU供電，主要為CMOS電平部件供電。第3個電源支路是復合性芯片UJA1066芯片內(nèi)的電源管理單元。此電路內(nèi)的電源管理單元內(nèi)的兩個輸出，V1為5v，為TFL電平工作單元及上拉部件供電。V2為3.3v，為CAN總線等CMOS工作單元供電;電機驅動單元主電源由14v蓄電池輸入電源直接供電。

2ESCL中的通信問題

2.1ECSL模塊對外的CAN總線通信

在汽車電子技術的發(fā)展過程中.出于對安全性能、舒適度、便捷性、低公害、性價比的需求，許多電控系統(tǒng)被工程師開發(fā)出來。為適應“減少線束的數(shù)量”“借助多個LAN，大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，德國電氣商博世公司在1986年開發(fā)出了面向汽車的CAN總線通信協(xié)議，現(xiàn)已是歐洲汽車網(wǎng)絡的標準協(xié)議。CAN總線通信也已經(jīng)ISO國際標準化組織確認14J。

CAN總線上的通信節(jié)點沒有主從的分別，各節(jié)點都可以在總線空閑時互相通信。CAN總線最高通信速率可達1Mbit/s，通信距離最長可達30m。CAN總線通信因為其高效性，用于主控芯片UPD70F3614與一鍵啟動系統(tǒng)基站及其他CAN總線模塊的通信。其CAN通信單元架構如圖4所示。CAN通信的建立需要CAN初始化時要對時鐘、位定時、通信速度、接收規(guī)則、緩沖區(qū)設置。（包括對時鐘和10配置）、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、CAN數(shù)據(jù)接收、主函數(shù)等模塊。模塊在待機過程中，可接收不同ID，與本模塊ID不斷進行比對.比對正確表示總線呼叫本模塊，啟動相應中斷，收發(fā)相關信息。

2.2ESCL雙CPU內(nèi)部通信

主CPU UPD70F3614單片機與副CPU PICl6F1933之間采用UART異步串行接口實現(xiàn)。

主副CPU之間的通信數(shù)據(jù)量不高，采用1200bit/s。自定義通信協(xié)議如表2所示。

因為是兩個CPU控制一個直流電機.所以務必對整個ESCL的當前狀態(tài)進行標注，定義為“鎖柱狀態(tài)”。鎖柱狀態(tài)與限位開關的狀態(tài)具有對應關系。限位開關狀態(tài)標注為“開關狀態(tài)”。正常運轉時，鎖柱狀態(tài)與開關狀態(tài)的對應關系是邏輯正確的。如果出現(xiàn)機械故障，軟件將分析故障類型，填入故障狀態(tài)中，主副CPU協(xié)同判定，由主CPU向汽車一鍵啟動系統(tǒng)上傳故障狀態(tài)。主CPU控制正轉，副CPU控制反轉。如主CPU發(fā)出正轉命令后，經(jīng)軟啟動+正常運行+軟停止時間后，有一個總的延時上限，如超過這個上限，系統(tǒng)還沒有收到正轉限位開關的信號，這可認定為可能出現(xiàn)故障。故障類型有可能是限位開關的機械故障，也可能是電機本身的故障等等。其判定還需要進行信息融合。例如如果懷疑正轉限位開關故障，則還需結合汽車停車時反轉鎖車時反轉限位開關動作是否正常，如果正常則可從反轉位開始進行延時測試，看是否從反轉位限位開關開始延時后可以觀察到正轉延時開關的正確狀態(tài)，多要素融合判定后才能定義故障類型。

3系統(tǒng)測試

3.1系統(tǒng)初樣與調試測試

系統(tǒng)初樣PCB必須在項目所提供的方向柱鎖執(zhí)行器的裝配空間內(nèi)完成。

由于方向柱鎖執(zhí)行器空間有限。電控系統(tǒng)必須在有限的空間內(nèi)配合機械布局實現(xiàn)設計。設計任務只能在雙面布局元器件，雙面裝配，全面使用貼片元件的前提下才能完成。電控系統(tǒng)初樣設計因有前期軟件調試的需要，主副兩個CPU必須設計有2個標準的下載接口，主CPU是DIPl4芯，副控CPU是單列5芯。正樣時，此2個顯性標準接口可隱去，用測試針替代。調試過程采用按單元分布式調試方法實現(xiàn)。先調通第1調試單元的電源部分，如圖6所示。實際調試時，由于主CPU在電路板的A面，副CPU在電路板的B面以及限位開關的信號必須裝配在方向柱鎖本體內(nèi)才能調試等原因，初樣調試時，用3塊PCB板裝配了3個單元，第1個調試單元主要裝配分布式電源系統(tǒng)，并要首先調試通過，才能裝配第1單元的其他元器件。因電源系統(tǒng)不正常時，相關電路容易損壞，所以在此基礎上裝配第1個調試單元的主控、副控CPU等相關部件。第1個調試單元可以用于獨立調試對外CAN通信。

可以用于調試主副控CPU的內(nèi)部通信。限位開關也可以裝配在第1個調試單元內(nèi)，以便于模擬方向柱鎖執(zhí)行體的限位開關動作。如圖6所示，第2個單元是直流電機的H橋驅動電路，單獨裝配了1個調試單元，主要是由于驅動芯片5050的+14v供電不在引腳上，而在貼片電路的反面散熱片上，所以初樣裝配采用手工裝配時要進行特殊處理。但因為初樣的第1個調試單元有2個下載器接口，故不能直接裝入方向柱鎖本體內(nèi)。電路板設計時，2個限位開關與方向柱鎖本體機械動作的準確位置是對應的。故在實際聯(lián)調時，必須要有第3個單元，主要是2個限位器單元，這個單元中裝2個限位器，調試電路的聯(lián)接關系上與第1個單元的2個限位器是并聯(lián)關系。2個單元內(nèi)的限位開關信號均有效，一個是模擬調試時有限，一個是實際聯(lián)調時有效。以上3個單元的調試可以分布式開展，總電源由實驗室的3A，DC0-30v可調電源輸出14v實現(xiàn)。如果第1單元的分布式電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以直接由實驗室雙路電源一路輸出5v，一路輸出14v供電，可以進行這3個單元的調試。

電子方向柱鎖的測試可以分為2部分，第1部分是通信模塊的測試，包括模塊對外的CAN總線通信、對內(nèi)的UART通信;第2部分是電機驅動模塊的測試，需要在使用過程中進行包括電機的正反轉測試軟啟動測試。最后通過搭建一個簡易汽車方向柱鎖調試測試系統(tǒng).進行汽車電子方向柱鎖的系統(tǒng)測試。

3.2通信模塊測試

方向柱鎖CAN總線的調試采用ECANtools調試軟件。與之配套的調試器為USBCAN-IIPro。

ECANTools調試軟件有幾種工作模式，可以專門作為輸入，也可以雙工輸入輸出，也可專門作為輸出節(jié)點。CAN總線調試界面如圖7所示。如果調試主控CPU UPD70F3614（如圖4所示）的CAN總線專用通信單元時，ECANTools調試軟件可工作在接收模式。此時ESCL作為一個汽車電子系統(tǒng)中CAN總線的一個節(jié)點，可以呼叫所有相關的節(jié)點，這些節(jié)點可以是一鍵啟動系統(tǒng)中的一個節(jié)點，如一鍵啟動PEPS系統(tǒng)中的基站節(jié)點;也可以是非PEPS系統(tǒng)中的車身處理系統(tǒng)節(jié)點。

對2個CPU之間UART通信的調測，可采用通用的串口調式軟件就可以實現(xiàn)，如串口獵人這樣的集成串口通信軟件，并采用本文3.2節(jié)所述自定義內(nèi)部通信協(xié)議進行通信，先對單個的CPU進行調試，單CPU調試成功后，兩個CPU聯(lián)調就可以了。定義UART通信波特率為1200bit/s。

4總結

本文是基于UPD70F3614單片機的智能汽車方向柱鎖電控系統(tǒng)設計實現(xiàn)。本文說明了方向柱鎖的原理及分模塊的實現(xiàn)過程。并對系統(tǒng)調試進行了全景式說明，并對有關模塊測試測試進行了具體說明。在汽車鎖具配套廠家及有關項目資助下，一種新型的汽車方向柱鎖ESCL電控系統(tǒng)完成了項目初樣，設計原理與測試方法得到了較好的驗證。ESCL電控系統(tǒng)小批量的設計驗證工作正在進行中。