石勇 湛騰西 黃吉 吳國璽 唐宇航 歐先鋒

摘要：設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、雙CPU控制，CAN外部通信，主副CPU內(nèi)部通信，H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及相關(guān)軟啟動(dòng)控制。介紹了ESCL各模塊基本原理與實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)系統(tǒng)的基本測(cè)試方法進(jìn)行了介紹，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成了初樣并得到了較好的驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：方向柱鎖;雙CPU;H橋驅(qū)動(dòng);內(nèi)外通信

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(gè)模塊。這個(gè)模塊可以是汽車一鍵啟動(dòng)系統(tǒng)（PEPS）的一個(gè)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(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)在汽車電子鎖柱配套廠家的委托研發(fā)項(xiàng)目中得到了較好的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證。

1方向柱鎖設(shè)計(jì)說明

1.1方案簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，H橋驅(qū)動(dòng)模式控制電機(jī)正反轉(zhuǎn);主CPU采用UPD70F3614，副CPU采用PICl6F1933：軟件方面需要設(shè)計(jì)雙CPU內(nèi)部通信接口程序，H橋驅(qū)動(dòng)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(guān)汽車總成模擬協(xié)議實(shí)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(shí)現(xiàn)。ESCL各模塊組成如圖1所示。

1.2各硬件模塊設(shè)計(jì)

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(yīng)性要求高;主控CPU作為核心部件，更為重要。在設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)。

UPD70F3614單片機(jī)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(fù)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(chǔ)器具備256KB閃存，而RAM為16KB，且具備掉電數(shù)據(jù)保護(hù)能力。信息交流方面，UPD70F3614單片機(jī)需要與一鍵啟動(dòng)基站等CAN總線或其他通信總線模塊進(jìn)行信息交流，而它提供了充足的接口。如1個(gè)CAN通道，2個(gè)LIN通道.2個(gè)CSIs通道，2個(gè)UART通道.1個(gè)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(shí)還擁有10位x10通道的A/D轉(zhuǎn)換器，也具備良好模數(shù)轉(zhuǎn)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(jī)的反轉(zhuǎn)。PICl6F1933是一款采用納瓦技術(shù)的28腳8位CMOS閃存單片機(jī)，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(yīng)性可達(dá)工業(yè)及拓展型工作范圍，具有上電、掉電復(fù)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(jī)制;其次待機(jī)電流2.0v時(shí)典型值50ua，頻率32kHz、電壓2.0v時(shí)工作電流僅為11ua，頻率4MHz、電壓2.0v時(shí)工作電流也只有220ua;2.0v時(shí)看門狗定時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)的優(yōu)選指標(biāo)。

PIC16F1933具有增強(qiáng)型PWM模式能在最多4個(gè)不同的引腳上產(chǎn)生分辨率最高為10位的PWM信號(hào)。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(shí)現(xiàn)：要選擇一種增強(qiáng)型PWM模式，只須對(duì)特殊功能寄存器CCPlCON中的P1M位進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置。PWM輸出與I/O引腳復(fù)用，并被稱為P1A、P1B、P1C和P1D。PWM引腳的極性是可配置的.通過對(duì)CCPlCON寄存器中的CCPlM位進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置來選擇極性。增強(qiáng)型PWM模塊的簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。此PWM功能可用于電機(jī)反轉(zhuǎn)控制的軟啟停技術(shù)。

1.2.3分布式電源設(shè)計(jì)

汽車電源由于采用蓄電池供電，輸入電壓波動(dòng)大，穩(wěn)壓難度大。依據(jù)主、副控CPU均需在很小的電壓波動(dòng)幅度下工作這一特性，當(dāng)工作電壓變化幅度過大，將降低能耗效率，同時(shí)也會(huì)對(duì)單片機(jī)、對(duì)ESCL各模塊工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。所以，ESCL需要一個(gè)能應(yīng)對(duì)寬電壓輸入波動(dòng)，同時(shí)具有高穩(wěn)定輸出的一個(gè)電源模塊，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。分布式電源設(shè)計(jì)如圖3所示。

由于系統(tǒng)采用雙CPU設(shè)計(jì)，故2個(gè)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(dòng)范圍可達(dá)2.0～5.5v。與之配套的電源DC-DC變換芯片是L4949ED。這個(gè)芯片輸入電壓的變化范圍為DC 5～28v，有23v左右的允許波動(dòng)范圍。輸出電壓穩(wěn)定度5V±1%，其電流輸出可達(dá)到100mA。完全可以滿足本設(shè)計(jì)中PIC1933單片機(jī)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(shí)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(gè)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(dòng)范圍，遠(yuǎn)小于L4949ED允許23v的波動(dòng)范圍。第2個(gè)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(dòng)范圍。這兩個(gè)芯片具有良好的抗輸入電壓波動(dòng)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(gè)電源支路是復(fù)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(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)外的CAN總線通信

在汽車電子技術(shù)的發(fā)展過程中.出于對(duì)安全性能、舒適度、便捷性、低公害、性價(jià)比的需求，許多電控系統(tǒng)被工程師開發(fā)出來。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”“借助多個(gè)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(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CAN總線通信也已經(jīng)ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織確認(rèn)14J。

CAN總線上的通信節(jié)點(diǎn)沒有主從的分別，各節(jié)點(diǎn)都可以在總線空閑時(shí)互相通信。CAN總線最高通信速率可達(dá)1Mbit/s，通信距離最長(zhǎng)可達(dá)30m。CAN總線通信因?yàn)槠涓咝裕糜谥骺匦酒琔PD70F3614與一鍵啟動(dòng)系統(tǒng)基站及其他CAN總線模塊的通信。其CAN通信單元架構(gòu)如圖4所示。CAN通信的建立需要CAN初始化時(shí)要對(duì)時(shí)鐘、位定時(shí)、通信速度、接收規(guī)則、緩沖區(qū)設(shè)置。（包括對(duì)時(shí)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(jī)過程中，可接收不同ID，與本模塊ID不斷進(jìn)行比對(duì).比對(duì)正確表示總線呼叫本模塊，啟動(dòng)相應(yīng)中斷，收發(fā)相關(guān)信息。

2.2ESCL雙CPU內(nèi)部通信

主CPU UPD70F3614單片機(jī)與副CPU PICl6F1933之間采用UART異步串行接口實(shí)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?yàn)槭莾蓚€(gè)CPU控制一個(gè)直流電機(jī).所以務(wù)必對(duì)整個(gè)ESCL的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)注，定義為“鎖柱狀態(tài)”。鎖柱狀態(tài)與限位開關(guān)的狀態(tài)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。限位開關(guān)狀態(tài)標(biāo)注為“開關(guān)狀態(tài)”。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鎖柱狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是邏輯正確的。如果出現(xiàn)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)上傳故障狀態(tài)。主CPU控制正轉(zhuǎn)，副CPU控制反轉(zhuǎn)。如主CPU發(fā)出正轉(zhuǎn)命令后，經(jīng)軟啟動(dòng)+正常運(yùn)行+軟停止時(shí)間后，有一個(gè)總的延時(shí)上限，如超過這個(gè)上限，系統(tǒng)還沒有收到正轉(zhuǎn)限位開關(guān)的信號(hào)，這可認(rèn)定為可能出現(xiàn)故障。故障類型有可能是限位開關(guān)的機(jī)械故障，也可能是電機(jī)本身的故障等等。其判定還需要進(jìn)行信息融合。例如如果懷疑正轉(zhuǎn)限位開關(guān)故障，則還需結(jié)合汽車停車時(shí)反轉(zhuǎn)鎖車時(shí)反轉(zhuǎn)限位開關(guān)動(dòng)作是否正常，如果正常則可從反轉(zhuǎn)位開始進(jìn)行延時(shí)測(cè)試，看是否從反轉(zhuǎn)位限位開關(guān)開始延時(shí)后可以觀察到正轉(zhuǎn)延時(shí)開關(guān)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(cè)試

3.1系統(tǒng)初樣與調(diào)試測(cè)試

系統(tǒng)初樣PCB必須在項(xiàng)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(jī)械布局實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)任務(wù)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(shè)計(jì)因有前期軟件調(diào)試的需要，主副兩個(gè)CPU必須設(shè)計(jì)有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的下載接口，主CPU是DIPl4芯，副控CPU是單列5芯。正樣時(shí)，此2個(gè)顯性標(biāo)準(zhǔn)接口可隱去，用測(cè)試針替代。調(diào)試過程采用按單元分布式調(diào)試方法實(shí)現(xiàn)。先調(diào)通第1調(diào)試單元的電源部分，如圖6所示。實(shí)際調(diào)試時(shí)，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(guān)的信號(hào)必須裝配在方向柱鎖本體內(nèi)才能調(diào)試等原因，初樣調(diào)試時(shí)，用3塊PCB板裝配了3個(gè)單元，第1個(gè)調(diào)試單元主要裝配分布式電源系統(tǒng)，并要首先調(diào)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(shí)，相關(guān)電路容易損壞，所以在此基礎(chǔ)上裝配第1個(gè)調(diào)試單元的主控、副控CPU等相關(guān)部件。第1個(gè)調(diào)試單元可以用于獨(dú)立調(diào)試對(duì)外CAN通信。

可以用于調(diào)試主副控CPU的內(nèi)部通信。限位開關(guān)也可以裝配在第1個(gè)調(diào)試單元內(nèi)，以便于模擬方向柱鎖執(zhí)行體的限位開關(guān)動(dòng)作。如圖6所示，第2個(gè)單元是直流電機(jī)的H橋驅(qū)動(dòng)電路，單獨(dú)裝配了1個(gè)調(diào)試單元，主要是由于驅(qū)動(dòng)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(shí)要進(jìn)行特殊處理。但因?yàn)槌鯓拥牡?個(gè)調(diào)試單元有2個(gè)下載器接口，故不能直接裝入方向柱鎖本體內(nèi)。電路板設(shè)計(jì)時(shí)，2個(gè)限位開關(guān)與方向柱鎖本體機(jī)械動(dòng)作的準(zhǔn)確位置是對(duì)應(yīng)的。故在實(shí)際聯(lián)調(diào)時(shí)，必須要有第3個(gè)單元，主要是2個(gè)限位器單元，這個(gè)單元中裝2個(gè)限位器，調(diào)試電路的聯(lián)接關(guān)系上與第1個(gè)單元的2個(gè)限位器是并聯(lián)關(guān)系。2個(gè)單元內(nèi)的限位開關(guān)信號(hào)均有效，一個(gè)是模擬調(diào)試時(shí)有限，一個(gè)是實(shí)際聯(lián)調(diào)時(shí)有效。以上3個(gè)單元的調(diào)試可以分布式開展，總電源由實(shí)驗(yàn)室的3A，DC0-30v可調(diào)電源輸出14v實(shí)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(shí)驗(yàn)室雙路電源一路輸出5v，一路輸出14v供電，可以進(jìn)行這3個(gè)單元的調(diào)試。

電子方向柱鎖的測(cè)試可以分為2部分，第1部分是通信模塊的測(cè)試，包括模塊對(duì)外的CAN總線通信、對(duì)內(nèi)的UART通信;第2部分是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的測(cè)試，需要在使用過程中進(jìn)行包括電機(jī)的正反轉(zhuǎn)測(cè)試軟啟動(dòng)測(cè)試。最后通過搭建一個(gè)簡(jiǎn)易汽車方向柱鎖調(diào)試測(cè)試系統(tǒng).進(jìn)行汽車電子方向柱鎖的系統(tǒng)測(cè)試。

3.2通信模塊測(cè)試

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

ECANTools調(diào)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(diǎn)。CAN總線調(diào)試界面如圖7所示。如果調(diào)試主控CPU UPD70F3614（如圖4所示）的CAN總線專用通信單元時(shí)，ECANTools調(diào)試軟件可工作在接收模式。此時(shí)ESCL作為一個(gè)汽車電子系統(tǒng)中CAN總線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以呼叫所有相關(guān)的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以是一鍵啟動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如一鍵啟動(dòng)PEPS系統(tǒng)中的基站節(jié)點(diǎn);也可以是非PEPS系統(tǒng)中的車身處理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。

對(duì)2個(gè)CPU之間UART通信的調(diào)測(cè)，可采用通用的串口調(diào)式軟件就可以實(shí)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(jìn)行通信，先對(duì)單個(gè)的CPU進(jìn)行調(diào)試，單CPU調(diào)試成功后，兩個(gè)CPU聯(lián)調(diào)就可以了。定義UART通信波特率為1200bit/s。

4總結(jié)

本文是基于UPD70F3614單片機(jī)的智能汽車方向柱鎖電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。本文說明了方向柱鎖的原理及分模塊的實(shí)現(xiàn)過程。并對(duì)系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)行了全景式說明，并對(duì)有關(guān)模塊測(cè)試測(cè)試進(jìn)行了具體說明。在汽車鎖具配套廠家及有關(guān)項(xiàng)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(xiàng)目初樣，設(shè)計(jì)原理與測(cè)試方法得到了較好的驗(yàn)證。ESCL電控系統(tǒng)小批量的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作正在進(jìn)行中。