基于微控制器的智能車系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)

葛文杰，儲(chǔ)沈悅，郝雅敬

(南通大學(xué)，江蘇 南通 226000)

0 引言

智能車硬件電路可分為三部分，即電源管理電路、傳感器電路和驅(qū)動(dòng)電路。電源管理電路為整個(gè)智能車系統(tǒng)提供其運(yùn)行必需的能源，電池電壓通過一系列穩(wěn)壓電路產(chǎn)生5 V、3.3 V等電壓供傳感器等外圍部件使用。傳感器電路包括運(yùn)算放大電路、濾波電路等。驅(qū)動(dòng)電路則通過接收來自MCU的控制信號(hào)，來控制智能車系統(tǒng)的執(zhí)行部件，如電機(jī)、舵機(jī)等。電路設(shè)計(jì)既要考慮各自內(nèi)部存在的問題，也要綜合考慮電路之間的電平干擾。電路需經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)、全面的性能測試才能運(yùn)用于以MCU微控制器為控制核心的智能車系統(tǒng)上，以提供安全可靠的硬件保障。

1 電源管理電路

1.1 電路功能確定

智能車系統(tǒng)中，許多傳感器的供電電壓需要5 V或3.3 V，一些器件則需要更高的工作電壓，如舵機(jī)，所以智能車系統(tǒng)的電源管理電路需要能夠提供5 V、3.3 V等電壓，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路除了提供基本的電壓外，還需要滿足其輸出電流大于系統(tǒng)各元件所需電流之和，其最大輸出功率能夠帶動(dòng)所有部件正常工作，如使用帶有保護(hù)板的鋰電池供電，遇電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，若超出電池保護(hù)板的最大輸出功率，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。電源的紋波越小越好，紋波嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致地線電平不穩(wěn)，其結(jié)果往往是系統(tǒng)突然復(fù)位。

圖1 電源管理電路功能圖Fig.1 Power management circuit function diagram

1.2 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓電路的核心部分由穩(wěn)壓器件構(gòu)成，具有穩(wěn)壓功能的元器件有穩(wěn)壓二極管、線性穩(wěn)壓器(LDO)、開關(guān)穩(wěn)壓器。智能車系統(tǒng)使用集成的IC芯片作為穩(wěn)壓器件，線性穩(wěn)壓器(LDO)是通過內(nèi)部晶體管在其線性區(qū)工作來對(duì)輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。具有熱過載保護(hù)、限流、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是功耗較大，功耗多以熱損耗的形式釋放，故使用線性穩(wěn)壓器時(shí)需要很好地散熱處理。開關(guān)穩(wěn)壓是通過輸出級(jí)不斷重復(fù)進(jìn)行“開”“關(guān)”狀態(tài)，與存儲(chǔ)能量的部件，如電感電容一起產(chǎn)生輸出電壓，優(yōu)點(diǎn)為功耗小、效率高、轉(zhuǎn)換速度快、濾波效率高，缺點(diǎn)為開關(guān)干擾較嚴(yán)重，電源紋波抑制性較線性穩(wěn)壓器較差。

以線性穩(wěn)壓器為例，列舉智能車系統(tǒng)中的穩(wěn)壓電路，電路如圖2所示，電路由肖特基二極管SS54，電容C1、C2、C3、C4，電阻R1，LED，磁珠FB組成。肖特基二極管對(duì)電源VCCBAT具有整流作用，C1用于濾除電源干擾，C2濾除寄生振蕩，三者為線性穩(wěn)壓器件提供穩(wěn)定的電壓輸入。C3濾除輸出端的干擾，C4降低電源紋波，R1與LED組成指示燈電路。穩(wěn)壓器正常工作時(shí)，LED將被點(diǎn)亮。磁珠用于連接電源地，進(jìn)行分地處理，進(jìn)一步減少來自電源的干擾，降低紋波。此電路具有紋波小、穩(wěn)壓電源穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[1]。

圖2 線性穩(wěn)壓器通用電路Fig.2 General circuit of linear voltage regulator

線性穩(wěn)壓器多為三端穩(wěn)壓器件，故圖2的電路可使用多種三端穩(wěn)壓器，最大輸出電流、功率由線性穩(wěn)壓器本身的特性決定。線性穩(wěn)壓器的選擇應(yīng)滿足整個(gè)系統(tǒng)的電流與功率需求。

以線性穩(wěn)壓器為例，列舉一可調(diào)穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 可調(diào)穩(wěn)壓電路Fig.3 Adjustable voltage regulator circuit

根據(jù)基爾霍夫定律，穩(wěn)壓電路的輸出電壓為：

該穩(wěn)壓器的輸出電壓最小不小于穩(wěn)壓器件的輸出電壓。即若使用5 V穩(wěn)壓器件，則輸出電壓不會(huì)低于5 V。最大電壓輸出由穩(wěn)壓器器件本身特性決定?？烧{(diào)穩(wěn)壓常用于舵機(jī)電源的供給，調(diào)節(jié)舵機(jī)的供電電壓可以調(diào)節(jié)舵機(jī)的靈敏度，以適用不同場合。

1.3 電源過壓過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過穩(wěn)壓電路的電壓輸出常為MCU等重要器件供電，若穩(wěn)壓電路出現(xiàn)擊穿等故障時(shí)，就不再具有穩(wěn)壓功能，輸出電壓往往超過一些元件的額定電壓，從而造成芯片損壞，系統(tǒng)失效。因此需要設(shè)計(jì)保護(hù)電路。保護(hù)電路包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)，一種典型的電路如圖4所示，該電路本質(zhì)上是由Q1、Q2三極管組成的開關(guān)電路。D1為穩(wěn)壓二極管，電路通過D1、R1組成的采樣電路對(duì)VCC供電線電壓進(jìn)行采樣，當(dāng)VCC小于D1的穩(wěn)壓值時(shí)，Q1基極被R2下拉，為低電平，此時(shí)Q1、Q2不導(dǎo)通，Q3為NMOS管，此時(shí)柵極為高電平，MOS管導(dǎo)通允許電壓輸出。當(dāng)VCC輸出電壓高于D1管穩(wěn)壓值時(shí)， D1導(dǎo)通，Q1三極管基極被拉高，Q1、Q2導(dǎo)通，Q3柵極被拉低，MOS管截止，關(guān)斷電壓輸出。

當(dāng)電路過流或發(fā)生短路時(shí)，PPTC熱保護(hù)管升溫，迅速切斷VCC供給。

該電路可以實(shí)現(xiàn)過壓過流保護(hù)，具有關(guān)斷速度快、器件選擇要求低等優(yōu)點(diǎn)，但存在影響穩(wěn)壓輸出的缺點(diǎn)，原因是Q3 NMOS管處于穩(wěn)壓輸出端。改進(jìn)后的電路可以將Q3移至穩(wěn)壓電路的輸入端，但相應(yīng)的功耗也會(huì)增大。

圖4 電源保護(hù)電路1Fig.4 Power protection circuit 1

再提供一種基于繼電器的保護(hù)電路，如圖5所示。其中，繼電器控制端串接入R4、Q2回路，同時(shí)繼電器常閉端串接入電源線，1N4007為快速恢復(fù)二極管，其作用是保護(hù)繼電器不因關(guān)斷時(shí)突變的電流而損壞。與圖4電路相同，當(dāng)過壓時(shí)，繼電器斷開，切斷回路。這種電路相較于圖4，優(yōu)點(diǎn)為沒有來自MOS管的損耗，缺點(diǎn)為繼電器的關(guān)斷速度有限，在一定情況下可能無法保護(hù)一些脆弱器件，且增加了電路面積，在縱向增加了電路體積，增加了PCB的設(shè)計(jì)與固定難度。

圖5 電源保護(hù)電路2Fig.5 Power protection circuit 2

1.4 穩(wěn)壓電源擴(kuò)流電路設(shè)計(jì)

在一些場合，當(dāng)穩(wěn)壓器的最大輸出電流不滿足器件所需的總電流之和時(shí)，需要進(jìn)行擴(kuò)流。因此提供一種較為簡單的擴(kuò)流電路設(shè)計(jì)電路，如圖6所示。Q1三極管通過R5電阻進(jìn)行采樣，對(duì)穩(wěn)壓輸出端提供一定的電流補(bǔ)償。

圖6 基于三極管的擴(kuò)流電路Fig.6 Current expansion circuit based on triode

該擴(kuò)流電路可以將原先1 A的穩(wěn)壓電路輸出電流擴(kuò)流至2 A，但是同樣也帶來了一個(gè)問題，即功耗問題，Q1三極管的功耗隨擴(kuò)流急劇增加，故Q1三極管需要選擇大功率三極管。且擴(kuò)流電路并不能改善穩(wěn)壓的輸出性能，甚至?xí)黾蛹y波，拉低穩(wěn)壓的輸出性能。故在選擇擴(kuò)流之前，應(yīng)優(yōu)先尋找是否有輸出電流更寬泛的穩(wěn)壓器件，現(xiàn)在很多器件最大輸出電流達(dá)2 A以上，可滿足智能車系統(tǒng)需要。

2 傳感器電路

傳感器在智能車系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，傳感器的輸出通常有數(shù)字量、模擬量，但就傳感器件本身來說，多數(shù)為模擬量，如光敏電阻、熱敏電阻，可通過MCU系統(tǒng)的ADC通道直接采集，但ADC資源有限，在需要許多傳感器的場合中，ADC就不夠用，此時(shí)可將一些只需通過判斷閾值且閾值固定的傳感器通過硬件系統(tǒng)來判斷，只需IO口接收高低電平即可。另一些模擬量輸出則比較小，此時(shí)需要運(yùn)算放大器來對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。還有一些容易受到干擾的傳感器，如電磁類傳感器，可通過硬件濾波或軟件檢波來濾除干擾。

2.1 模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量電路

以LM393電壓比較器為例，給出一種具有三段閾值判斷功能的傳感器前置比較器電路，如圖7所示。該電路由LM393比較器構(gòu)成。模擬量輸入端口為analog_in，各比較器的基準(zhǔn)比較電壓由滑動(dòng)變阻器提供，分別為VREF1、VREF2。

圖7 三段閾值比較器電路Fig.7 Three-segment threshold comparator circuit

當(dāng)模擬量輸入端Vanalog_in電壓高于VREF1時(shí)，A端口輸出高電平，當(dāng)其低于VREF1時(shí)，A端口輸出低電平。另一LM393D比較器工作原理相同。

當(dāng)Vanalog_in>VVREF1>VVREF2時(shí)，A為高電平，B為高電平，當(dāng)VVREF1>Vanalog_in>VVREF2時(shí)，A為低電平，B為高電平，當(dāng)VVREF1>VVREF2>Vanalog_in時(shí)，A為低電平，B為低電平。因此MCU讀取AB口電平就能知道模擬量所處的閾值[2]。其功能如表1所示。

表1 閾值比較器輸出Tab.1 Threshold comparator output

2.2 模擬量放大電路

模擬量放大電路根據(jù)傳感器種類與系統(tǒng)要求不同，需要全面考慮噪聲、干擾等因素。列舉了幾種常用的模擬信號(hào)放大電路。

圖8 晶體管構(gòu)成的放大電路Fig.8 Amplifying circuit composed of transistors

這種電路的優(yōu)點(diǎn)為材料易得、造價(jià)便宜，但是其對(duì)噪音幾乎沒有抑制作用，干擾大、高頻特性差，且靜態(tài)工作點(diǎn)難以確定。故這種電路一般用于對(duì)信號(hào)要求較低的場合，如使用駐極麥克風(fēng)檢測環(huán)境噪音。

現(xiàn)在有許多集成IC芯片不僅具有極高的共模噪音抑制，且大大簡化了電路，如OPA4377，OPA4377為TI公司的一款集成運(yùn)放芯片，以O(shè)PA4377芯片為例，給出一種具有高增益、高共模抑制比的信號(hào)增益電路，如圖9所示。

圖9 OPA4377運(yùn)算放大器電路Fig.9 OPA4377 operational amplifier circuit

該電路輸出波形如圖10所示，為半波放大，波特圖如圖11，由圖可知，對(duì)于低頻、中頻、高頻信號(hào)都有不錯(cuò)的增益，對(duì)信號(hào)的增益十分可觀。該電路可以運(yùn)用于電感電容組成的選頻電路與周圍磁場諧振的信號(hào)放大，麥克風(fēng)信號(hào)放大等微小信號(hào)放大的場合。

圖10 波形輸出圖Fig.10 Waveform output diagram

2.3 硬件濾波電路

硬件濾波電路分為有源濾波器和無源濾波器兩種。其各有優(yōu)缺點(diǎn)，無源濾波器由于電感電容存在阻抗，所以功耗稍大，而有源濾波器的特性受到運(yùn)算放大器的限制，超過其幅頻特性時(shí)，容易產(chǎn)生自激振蕩。圖12為無源濾波器的最簡電路圖。無源濾波器本質(zhì)是為某種頻率構(gòu)建一個(gè)低阻的通路，從而將該頻率信號(hào)濾除。

圖11 運(yùn)放電路波特圖Fig.11 Baud diagram of op-amp circuit

圖12 無源濾波器Fig.12 Passive filter

圖13 20 kHZ無源濾波器Fig.13 20 kHz passive filter

圖14 有源濾波器Fig.14 Active power filter

相對(duì)來說，無源濾波器所需硬件簡單，易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)相對(duì)成熟，更加適合于智能車系統(tǒng)。但這并不代表有源濾波器無用武之地，在一些場合，無源濾波器需要的器件，如非常用阻值的電阻等較難獲得，此時(shí)可以將有源濾波器與無源濾波器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)濾波。

3 驅(qū)動(dòng)電路

3.1 驅(qū)動(dòng)電路組成的確定

驅(qū)動(dòng)電路主要是用于驅(qū)動(dòng)一些功率較大的器件。一般單片機(jī)I/O口所能提供的最大電流為10～20 mA，其所能提供的功率一般無法滿足電機(jī)、電磁鐵等用電器的工作功率。智能車中，一般會(huì)設(shè)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，除此之外，為了防止電機(jī)在啟動(dòng)或堵轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生倒灌大電流對(duì)單片機(jī)造成損害，在信號(hào)線處需設(shè)置相應(yīng)的隔離電路。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

為了保證電機(jī)響應(yīng)迅速，故選用直流電機(jī)，而直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路最常用的為H橋式電路[4]。

H橋式電路是由四個(gè)MOS管或場效應(yīng)管組成，如圖15所示，其中，V為電池電壓，智能車使用的電池電壓一般在7～12 V，Q1、Q2、Q3、Q4為MOS管或場效應(yīng)管，MOTOR為直流電機(jī)，GND為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的地線。

圖15 H橋電路1Fig.15 H bridge circuit 1

為了使圖15中的電機(jī)MOTOR順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要Q1與Q4一起導(dǎo)通，同時(shí)保證Q2與Q3截止，如圖16所示。相反，要使電機(jī)MOTOR逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要Q2與Q3一起導(dǎo)通，同時(shí)保證Q1與Q4截止，如圖17所示。

圖16 H橋電路2Fig.16 H bridge circuit 2

圖17 H橋電路3Fig.17 H bridge circuit 3

使用脈沖寬帶調(diào)制方法使MOS管或場效應(yīng)管按照一定的頻率開關(guān)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)速的效果。

Q1、Q3與Q2、Q4由于其同時(shí)只有一路導(dǎo)通，因此可以采用相位相差180°的脈沖寬帶調(diào)制信號(hào)(PWM)進(jìn)行控制，可以采用IR2104S等芯片實(shí)現(xiàn)。電路圖采用MOSFET進(jìn)行搭建，如圖18所示。

圖18 基于MOSFET的H橋驅(qū)動(dòng)電路Fig.18 H bridge driving circuit based on MOSFET

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，可以直接使用耐壓值高于電源電壓，最大允許通過電流高于電機(jī)啟動(dòng)電流的MOS管或場效應(yīng)管。但是電路較為復(fù)雜，為了使電機(jī)方向可控，轉(zhuǎn)速可調(diào)，需要占用單片機(jī)大量復(fù)用口，因此選用BTN7971等集成IC芯片，既可簡化電路，也符合設(shè)計(jì)要求，具體電路如圖19所示。

圖19 BTN7971驅(qū)動(dòng)電路Fig.19 Driver circuit for BTN7971

3.3 驅(qū)動(dòng)隔離電路的設(shè)計(jì)

由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的倒灌電流較大，電路的隔離保護(hù)尤其重要。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的隔離方法為增加光耦合電路進(jìn)行信號(hào)隔離。選用HCPL系列光耦，由于上升時(shí)間與下降時(shí)間都為ns單位，所以可以適用于多種頻率的脈沖寬帶調(diào)制信號(hào)，最高頻率可達(dá)上千萬，電路如圖20所示?？刂菩盘?hào)PWM輸入分別為A1、B1，當(dāng)A1、B1為高電平時(shí)，發(fā)光二極管截止，其對(duì)應(yīng)的三極管未受到光照也截止，由于上拉電阻的作用，A_T、B_T輸出高電平，當(dāng)A1、B1為低電平時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的三極管也隨之導(dǎo)通，A_T、B_T被拉低。此電路實(shí)現(xiàn)了隔離。

使用光耦電路有許多好處，遇到執(zhí)行部件非正常工作時(shí)，如電機(jī)堵轉(zhuǎn)，光耦可以將干擾隔離，保護(hù)前級(jí)控制電路。增加了系統(tǒng)的安全性。

圖20 HCPL0630光耦隔離電路Fig.20 HCPL0630 optocoupler isolation circuit