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基于16位控制器的汽车车身电子控制系统解决方案

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基于16位控制器的汽车车身电子控制系统解决方案

发布日期:2018-04-02 00:00 来源:http://www.isinstruments.com 点击:

跟着车身控制系统运用杂乱性的进步,对16位微操控器(MCU)的功用要求也越来越高。曾经曾用机械办法完结的门控、座椅调理、车内照明和空调体系现在都改成了电子操控。这样一个电子化轿车车身操控体系包括电源体系、CAN收发器、多开关检测接口、输出体系、电子马达操控、嵌入式仿真以及内存编程等几个首要部分,本文不只介绍了一系列芯片,而且将使规划工程师对轿车电子操控体系有一个比较概要和全面的认识。 

跟着轿车车身操控运用杂乱性的进步,对16位微操控器(MCU)的功用要求也越来越高。曾经曾用机械办法操控的门控、座椅调理、车内照明和空调体系现在都改成了电子操控。许多半导体厂商包括摩托罗拉公司所供给的很多专用半导体处理计划使这些新的电子操控运用成为可能。这些新的处理计划不只供给了必要的操控功用,还供给了旧机械体系所不能供给的高档确诊才干。消费者期望新式轿车中的操控体系能及时对车内发作的任何体系作业毛病宣布报警信息。 

本文介绍摩托罗拉公司的MC9S12DP25616位MCU和若干个外围IC产品,这些产品专为习惯轿车体系中常见的恶劣环境而规划,此外,还详细讨论这些产品供给的高档确诊功用。图1给出了所用计划的方框图。 

一、电源体系 

电源体系是任何轿车体系规划中最重要的子体系之一。全体功耗、电池反极维护、轿车跳启、车辆噪声和轿车休眠功率都是有必要考虑的要素。假如电源规划比较糟糕的话再好的体系也不能正常发挥作用。摩托罗拉公司供给的智能化电源半导体产品能很好地办理电源子体系的一切方面。 

摩托罗拉公司的体系级芯片(SBC)MC33989具有二个电源整流器,专为MCU和外围器材供给电源。片上还供给1个速度为1兆波特的CAN接口、4个高压唤醒输入端以及体系维护功用。这个智能化的半导体器材能够供给一切必需的体系电压,它内部有一个低噪声的200mA整流器用来给MCU子体系供电。别的,还有一个操控外部导通晶体管的设备用来给外围设备供电。这个外部导通晶体管答应调整二次电源,使之满意每种特别运用所需的功耗极限要求。二次供电电源还能依据要求切断所选外围设备的供电,并以此到达下降功耗的意图。 

输入电源直接来自车载电池。只需加一个外部二极管就能到达电池极性维护的意图。SBC能够在一切过压条件下完结维护动作。功率MOSFET工艺技术的运用也使本器材在电池电压低至4.5V时还能正常作业,当电池电压低至3V时能输出电池毛病告警信号。该电源体系还有过温维护功用,温度到160摄氏度时将进行内部热关断处理,温度在130摄氏度时会输出一个告警信号。别的,SBC还能供给低功耗的休眠形式,该形式下体系的电流能减小至40μA。
二、CAN收发器 

除了供给体系电源外,SBC内部还集成了一个1兆波特的CAN收发器。该收发器具有主控状况超时检测、内部热维护以及CAN+和CAN-输入端短路维护等功用。收发器内部还对CAN和CAN-输入端进行了跳启、电池反接以及短接至电源或地的维护。 

4个高压唤醒输入端使器材具有了强壮的唤醒功用。这些唤醒输入端的最大耐压能达40V。输入端的上拉源能在芯片上发作。因为只需用上拉源就能随时检测开关输入的改变,因而能较好地下降功耗。该器材还具有周期性唤醒功用。别的,SBC还供给了针对MCU的复位调理与低压检测功用。 

多开关检测接口 

因为需求特别的触点湿性电流(wetting currents)和电路毛病检测功用,轿车电子设备需求高杂乱度的输入传感电路来检测开关状况。摩托罗拉公司的多开关检测接口(MSDI)器材MC33993正是为此而规划的。 

需求很多开关接口的体系具有许多分立元件,而这些分立元件会占用规范印刷线路板上的很多空间,而且有必要进行焊点衔接完好性检测。而集成化计划能削减焊点数量,占用的空间也少,并能供给更宽的作业电压,因而具有更大的灵活性。MSDI器材履行的就是开关检测功用,最多能检测22个开关触点的开闭状况,这些检测到的开闭状况再经过一条高速串行链路传送给MCU。在输入端只需加一个适宜的静电放电电容就能完结对瞬态搅扰的维护。相同,一切输入端都具有电池反接、跳启和负载拆开维护功用。 

MSDI还具有可选的湿性电流。这些内部电流源极大地削减了体系部件数量,并使金属或橡胶开关的运用成为可能。用于检测金属开关的大湿性电流能在检测进程中有挑选的运用,然后到达下降功耗的意图。运用内部电流源能够将输入端作为轻型负载的供电电源运用,如传感器、LED或MOSFET门等负载。这种办法进一步增强了体系的规划功用,使这些输入端在不需求开关检测的情况下能作其它用处。 

高阻抗的模仿电路特别容易遭到来自电路板上其它信号噪声的影响。缩短模仿信号路径,并答应器材对信号进行缓冲能够削减这种影响。MC33993具有强壮的模仿接口功用。与传统体系比较,这种办法能削减体系布线和毛病形式。别的MC33993还集成了22比1的模仿复接器来提升器材功用。通道挑选是经过一条高速串行链路完结的。该器材不只能供给先进的开关确诊功用,还答应运用模仿传感器接口和梯形阻抗接口。 

MCU输出电路不能直接驱动轿车负载,还需求灯、继电器、马达、量程表和LED驱动器等集成电路。这些特别的输入接口器材相同也供给维护与过错检测功用。 

输出体系 

在电源体系与输入调整确认后就有必要考虑输出体系。许多轿车负载不能被MCU或低电流接口器材直接驱动,包括马达和灯。继电器或机械式开关是当今轿车车身操控结构中首要的大电流开关器材。因为电磁体系成本低,规划成熟,不少体系结构师仍乐于选用。但是运用电磁体系会发作很多问题,例如: 

1.机械触点的有限寿数约束了继电器的开关频率。因为触点在翻开或闭合的时分具有必定的惯性,在安稳到下一个状况前会有必定程度的跳动。这一跳动约束了最大的作业频率,假如超越这一频率继电器的寿数将大大缩短。
2.电磁体系不具有确诊功用。在恶劣的轿车环境中,这些器材的可靠性是个大问题。
运用专为这类负载规划的驱动器能够便当地把这些负载集成到体系中去。摩托罗拉公司供给的具有4个高端与8个低端的MC33888开关就是专为驱动轿车负载规划的。这种器材能直接操控4个功率达60W的高端负载和8个小电流(2.5W)的低端负载。MC33888器材还内建了处理与白炽灯有关的浪涌电流的功用。从图2能够看出由白炽灯引起的浪涌电流能到达正常作业电流的10到15倍,这会给没有这些大浪涌电流处理电路的体系带来很大的问题。对这类负载的最常见措施是触发过流维护电路来切断这些负载。 

MC33888很好地处理了这个问题,它选用了一个发动定时器,答应白炽灯在过流维护电路作业前进行预热。过流维护电路的发动需求检测调理输出驱动器到器材可承受电平的状况和脉宽信号。图3给出了过流维护的动作波形。完好的电池反极维护、负载倾卸维护和低功耗特性都有助于下降体系的杂乱性,并削减外部元器材的数量。确诊功用包括负载开路检测、短路检测和过温检测。作为附加的维护功用,该器材还内建了一个看门狗定时器,当器材与MCU之间的通讯发作中止时能够用来封闭器材。对该器材的操控是经过一个高速串行接口完结的,因而大大削减了所需的MCU引脚数量。
电子马达操控 

最后一个需求考虑的问题是电子马达操控。MC33887马达驱动器能很好地完结这一使命,它是一个完好的H型桥式驱动器。该器材具有大于5A的接连电流驱动才干,因而十分适合用于确定马达、天线马达或雨刷泵。MC33887还具有高端电流传感反应功用。高端电流传感反应功用可依据实时的马达电流反应批改马达的驱动频率和负载循环。就象灯驱动器那样,当检测到过流状况时它能主动对输出进行脉宽调制。 

MC33887器材能够彻底操控H桥激活方向和负载的中止操控。 

嵌入式仿真器 

专门规划用于杂乱的轿车电子运用的MC33993、MC33887和MC33888器材供给了具有先进功用和确诊功用的处理计划。 

杂乱的多引脚MCU常会引起开发问题。MC9S12DP256供给了一个单线的后台调试接口,能够便当地在轿车环境中完结广泛的调试作业,而且不会遇到运用传统电路嵌入式仿真器经常见的困难。这一接口还能用来在生产线结尾进行首要闪存的编程,乃至能够用来在车内履行再编程操作。 

现代的轿车微操控器常选用闪存来存储主操作程序。编程闪存的最佳办法是在终究拼装后把主程序编程进完好的电子操控模块中,与在模块拼装前经过第三方把主程序编程进MCU比较,这种办法能有效地防止危险和延时。经过简略的串行接口将主程序编程进MCU是在模块拼装后完结的,一般是在终究测验进程中履行的。一些制造商选用廉价的独立编程器完结这一操作,而别的一些厂商则将编程操作集成在生产线结尾的测验设备中。 

摩托罗拉的相关器材则供给一个单线的后台调试接口用来完结闪存编程、查验和一般的调试操作。在设备正常作业时,串行通讯引脚在复位时是被拉高的,因而后台体系不被激活。当有编程器或调试体系衔接到这个引脚时,该引脚在复位时会被拉到低电平,然后迫使MCU进入激活的后台形式,而不是去发动运用程序。为了便当调试,能够在设备正常作业时将一个主机体系衔接到方针MCU体系,然后在不搅扰设备运转的条件下完结对闪存或寄存器内容的监测。所衔接的调试体系也能替代MCU的操控来读写CPU寄存器、设置硬件断点或盯梢单条指令。 

传统的电路嵌入式仿真器与方针体系之间一般需求30到40个衔接,而上述后台调试接口只需求2到4个衔接。单根BKGD通讯信号和公共地是有必要的。添加复位信号能使主机更容易地逼迫和操控体系复位,在某些情况下添加VDD能答应调试夹具从方针体系中“盗取”电源。这种简略的接口为轿车电子规划师供给了对装置在运动轿车电子操控模块中的MCU的调试拜访才干。当轿车在正常路况下跋涉时许多问题只能经过调试才干发现。 

内存编程 

与闪存编程相关的最重要要素是速度与便当性。编程速度取决于闪存单元的编程时刻以及从编程器到方针MCU的数据传输速度,当然还有一些其它要素,如编程前擦除阵列的时刻,用于验证编程操作成功与否的时刻。MC9S12DP256编程恣意16位字的时刻是45ms,但一个突发编程操作答应对同一排32字闪存中的恣意附加字以20ms的速度编程。理论上选用单线后台调试接口能够在27ms内传送一个字的信息,这要比闪存的实际编程时刻稍微慢一些。实际编程还需求额定的使命开支,如验证开支。独立编程器工具SCBDMPGMR12能在稍少于10s的时刻内完结256KB闪存的擦除、编程和验证操作。 

验证是发作开支的重要要素之一。重传一切的数据以完结字对字的验证将使编程时刻加倍。一个快速的办法是在数据编程进闪存时进行CRC核算,然后在整个闪存编程完结后重读闪存内容来验证CRC值。这一操作彻底能以总线速度进行,而且无需重传数据。 

将数据到方针的传送分离出来,使它在数据编程进闪存前完结也会使编程时刻加倍。较好的办法是数据传送与编程操作并行打开。一般来说,要先把编程算法发送到方针MCU,然后便于办理收到的数据并把数据送入RAM缓冲器,然后操控擦除与编程操作。该编程算法运用二个数据缓冲器来接纳将被编程进闪存的数据。当第一个缓冲器装满数据后,编程算法就开端把这些数据编程进闪存,同时新的数据被装载到第二个缓冲器。后台接口能够用来接纳数据并把它们写入RAM,这一操作不会搅扰方针CPU的作业,因为CPU是从别的一个缓冲器读取数据并编程进闪存的。 

MC9S12DP256中的闪存被分红4个独立的64KB块,因而能够独立地对这4个块履行擦除与编程操作。在根据后台调试的闪存编程情况下,因为数据传送速度要稍慢于闪存的均匀字编程速度,因而企图交错进行独立阵列的编程操作是不切实际的,不过对一切4个块并行履行批量擦除操作则是可行的。 

后台拜访给初次闪存编程供给了极端便当的途径,但一些用户仍期望选用其它体系总线如CAN总线、J1850总线或串行接口总线来完结一切的现场再编程操作。在主运用程序中包括适宜的发动装载(boot loader)程序能便当地做到这一点。为了对来自于制品轿车中某根总线的某些特别代码作出响应,发动装载程序应能擦除闪存并承受新的编程数据。

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