車(chē)燈控制硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明

1．硬件設(shè)計(jì)總體思路

電路總體框圖如下：

2.硬件關(guān)鍵元器件選型依據(jù)

MCU-PIC18F2480

其豐富的片內(nèi)資源為：16K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，768字節(jié)片內(nèi)SRAM，256字節(jié)EEPROM，8通道的10位AD，2個(gè)比較器，2個(gè)PWM模塊，支持SPI和Master I2C,33個(gè)IO腳，片內(nèi)集成UART,CAN控制器，1個(gè)8位定時(shí)器和3個(gè)16位定時(shí)器。SPI可以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的控制和狀態(tài)回讀，UART可用于實(shí)現(xiàn)LIN接口。

功率驅(qū)動(dòng)芯片-MC33888、MC33984、MC33289

MC33984、MC33289和MC33888均提供了SPI的控制和診斷方式，內(nèi)部提供了相應(yīng)的寄存器用于SPI控制和診斷，且均提供了負(fù)載開(kāi)路檢測(cè)，過(guò)流過(guò)溫過(guò)壓保護(hù)。

LIN物理層收發(fā)芯片-TJA1020

波特率高達(dá)20Kbps,高抗電磁干擾性ems，極低的電磁發(fā)射emi,提供睡眠模式滿(mǎn)足汽車(chē)對(duì)低功耗的要求。

3．硬件主要模塊劃分及相互聯(lián)系

硬件電路包括電源管理電路,LIN通訊電路,功率驅(qū)動(dòng)電路和MCU主電路四個(gè)主要模塊,電源管理電路提供工作電源5v，提供瞬態(tài)抑制，平穩(wěn)電壓波形；LIN通訊電路實(shí)現(xiàn)LIN通訊，功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)車(chē)燈負(fù)載的驅(qū)動(dòng)和故障監(jiān)測(cè)，MCU主電路提供主控制電路。

4．硬件基本原理

a)電源管理電路：

電源管理部分針對(duì)12V車(chē)系，包括瞬態(tài)抑制和電源供應(yīng)兩個(gè)部分，給模塊中各個(gè)電路提供穩(wěn)定且充裕的電源供應(yīng)，需要考慮電壓和電流兩種參數(shù)。本模塊需要三種不同的電壓，邏輯電壓5V，通常情況下消耗電流在50mA左右；LIN收發(fā)器電壓5-27V，典型值12V，通常情況下消耗電流為3.5mA；車(chē)燈驅(qū)動(dòng)電壓6V-27V，典型值12V，消耗電流比較大，取決于點(diǎn)亮的車(chē)燈負(fù)載。

針對(duì)汽車(chē)電子測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（B217110）中抗非常用電壓的耐受性實(shí)驗(yàn)的要求，對(duì)于12V的網(wǎng)絡(luò)，要求可以承受1分鐘內(nèi)最大電壓為24V，1分鐘內(nèi)的反向電壓–13.5V。還有針對(duì)各種瞬態(tài)脈沖的測(cè)試要求，主要針對(duì)負(fù)載突降的情況。負(fù)載突降是指發(fā)電機(jī)正在給電池充電而電池電纜斷接時(shí)出現(xiàn)的情況，這時(shí)發(fā)電機(jī)可能產(chǎn)生高達(dá)80V的瞬態(tài)電壓尖峰，選用瞬態(tài)抑制二極管SMBJ26CA抑制瞬態(tài)脈沖，不僅可以抑制負(fù)載突降瞬變，而且也可以滿(mǎn)足在1分鐘內(nèi)最大電壓為24V的要求。

瞬態(tài)（瞬變）電壓抑制二級(jí)管簡(jiǎn)稱(chēng)TVS器件，在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過(guò)，并將電壓箝制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受損壞。TVS能承受的瞬時(shí)脈沖功率可達(dá)上千瓦，其箝位響應(yīng)時(shí)間僅為1ps。TVS允許的正向浪涌電流在TA＝250C，T＝10ms條件下，可達(dá)50～200A 。

所選瞬態(tài)抑制二極管SMBJ26CA可以將瞬態(tài)電壓箝位在24V左右，滿(mǎn)足汽車(chē)電子測(cè)試要求。

圖2：瞬態(tài)抑制二極管特性圖

對(duì)于電壓反向保護(hù)，因?yàn)樗x功率驅(qū)動(dòng)芯片MC33888可以承受達(dá)-16V的反向電壓，對(duì)車(chē)燈驅(qū)動(dòng)電壓，可以直接采用經(jīng)過(guò)瞬態(tài)抑制之后的電壓供電，LIN收發(fā)器電壓可以通過(guò)串聯(lián)一個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)電池電壓的反向保護(hù)。

對(duì)于邏輯電路5V，選擇國(guó)家半導(dǎo)體公司的低壓降(LDO)穩(wěn)壓器LM9076BMA，LDO是汽車(chē)電子系統(tǒng)的重要功率器件，它具有應(yīng)用簡(jiǎn)單、外部組件少、低噪音、低成本以及長(zhǎng)期的可靠性和穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體開(kāi)創(chuàng)了集成LDO穩(wěn)壓器芯片，在輸出中采用了PNP雙極性功率級(jí)，而非傳統(tǒng)的雙極性NPN輸出功率級(jí)。這個(gè)改變的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)在“冷車(chē)發(fā)動(dòng)”(Cold Crank Condit-ion)時(shí)，壓降電壓會(huì)大幅降至1V以下的情況下，LDO穩(wěn)壓器仍能為5V電路提供效力。LM9076BMA超低靜態(tài)電流，100uA負(fù)載僅為25uA，輸出電壓5V，在全溫度和負(fù)載時(shí)精度為+/-2%，150mA的壓降僅為200mV，有各種保護(hù)特性如熱關(guān)斷，輸入瞬變保護(hù)和寬的工作溫度,輸入工作電壓高達(dá)40V，可承受瞬態(tài)電壓70V/-50V，SO8小封裝，降低了電路板尺寸，適合苛刻的汽車(chē)電子應(yīng)用。

b) LIN通訊電路

LIN通訊電路用于實(shí)現(xiàn)本車(chē)燈節(jié)點(diǎn)與車(chē)燈LIN網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)即組合開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的通訊，采用LIN物理層收發(fā)器TJA1020和CPU片上外設(shè)UART完成LIN接口電路的設(shè)計(jì)。TJA1020引腳如圖所示：

TJA1020有三種常態(tài)模式：普通斜率模式，低斜率模式，睡眠模式。準(zhǔn)備模式是中間狀態(tài)，TJA1020上電后首先進(jìn)入睡眠模式，被喚醒后進(jìn)入準(zhǔn)備模式。狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖所示：

通過(guò)狀態(tài)圖來(lái)編程設(shè)計(jì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，

進(jìn)入睡眠模式：

1.上電自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式

2.由普通斜率或低斜率模式進(jìn)入睡眠模式

3.由準(zhǔn)備模式不能直接進(jìn)入休眠模式，需經(jīng)由普通斜率或低斜率模式進(jìn)入睡眠模式

進(jìn)入普通斜率/低斜率模式：

1.由準(zhǔn)備模式進(jìn)入普通斜率/低斜率模式

2.由睡眠模式直接進(jìn)入普通斜率/低斜率模式

3.普通斜率模式和低斜率模式不能直接轉(zhuǎn)換

進(jìn)入準(zhǔn)備模式：

1.只能由睡眠模式經(jīng)喚醒進(jìn)入準(zhǔn)備模式

TJA1020的喚醒有三種方式：

1.LIN遠(yuǎn)程喚醒

2.NWAKE本地喚醒

3.NSLP直接激活

本地喚醒是NWAKE腳，在下降沿之后維持一段時(shí)間的低電平可以引起本地喚醒；遠(yuǎn)程喚醒是LIN腳，通過(guò)迫使總線進(jìn)入250us到5ms的顯性位發(fā)出的。

喚醒后RXD低有效，可以通過(guò)連接到CPU的外部INT0腳中斷喚醒CPU。然后可以通過(guò)TXD腳判斷喚醒源。TXD為低則為本地喚醒，為高則為遠(yuǎn)程喚醒。這些都是在準(zhǔn)備模式中判斷的，在準(zhǔn)備模式下TJA1020的RXD和TXD用作IO腳，讓MCU判斷喚醒標(biāo)志和喚醒源。喚醒后CPU將NSLP置高，置高后RXD和TXD都會(huì)立即復(fù)位，即回復(fù)到高狀態(tài)。TJA1020的RXD和TXD在普通斜率和低斜率模式下設(shè)置為UART功能。

其信號(hào)在各個(gè)模式下的電平狀態(tài)如下圖所示：

圖4：TJA1020管腳電平狀態(tài)

c)功率驅(qū)動(dòng)電路

功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)普通燈泡形式的車(chē)燈負(fù)載的控制和監(jiān)測(cè)。選擇飛思卡爾的高端電源開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，提供了更高的工作頻率，同時(shí)提供了控制，保護(hù)和診斷功能。高端開(kāi)關(guān)芯片選擇如下圖所示。其中的電流參數(shù)均為最大持續(xù)電流。

圖5：車(chē)燈功率驅(qū)動(dòng)芯片的選擇

在飛思卡爾和英飛凌的功率驅(qū)動(dòng)芯片中，提供了高端開(kāi)關(guān)芯片和低端開(kāi)關(guān)芯片兩種器件。其中高端開(kāi)關(guān)芯片中的高端通道用于驅(qū)動(dòng)普通燈泡，低端開(kāi)關(guān)芯片中的低端通道用于驅(qū)動(dòng)LED燈。普通燈泡和LED燈是兩種不同的負(fù)載，普通燈泡一端接地，一端接高端開(kāi)關(guān)通道，LED燈一端接汽車(chē)電池，一端接低端開(kāi)關(guān)通道。
MC33888內(nèi)部帶有4路高端通道和8路低端通道。下圖表示了高端開(kāi)關(guān)通道驅(qū)動(dòng)普通燈泡和低端開(kāi)關(guān)通道驅(qū)動(dòng)LED燈的典型應(yīng)用。

圖6：高端開(kāi)關(guān)通道和低端開(kāi)關(guān)通道典型應(yīng)用

MC33984和MC33888均提供了SPI的控制和診斷方式，內(nèi)部提供了相應(yīng)的寄存器用于SPI控制和診斷，需要設(shè)置MCU的SPI的相位和時(shí)鐘極性以配合MC33984和MC33888 的SPI時(shí)序的要求。MC33289以IO方式進(jìn)行控制和狀態(tài)回饋。器件內(nèi)部均內(nèi)建了處理與白熾燈有關(guān)的浪涌電流的功能。其中MC33888內(nèi)的5A通道可以承受23A的峰值電流，10A通道可以承受40A的峰值電流。

高端開(kāi)關(guān)功率器件均提供了負(fù)載開(kāi)路檢測(cè)，過(guò)流過(guò)溫過(guò)壓保護(hù)。

過(guò)壓條件下高端通道自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)恢復(fù)正常自動(dòng)打開(kāi)。同時(shí)提供欠電壓自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓低于6V時(shí)自動(dòng)關(guān)閉輸出，如果在此期間驅(qū)動(dòng)電壓不低于5V，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)到6V以上時(shí)，輸出狀態(tài)恢復(fù)到自動(dòng)關(guān)閉輸出之前的狀態(tài)，如果電池電壓低于5V，保存輸出狀態(tài)的電路也會(huì)關(guān)閉，這樣當(dāng)電池電壓恢復(fù)到6V以上時(shí)輸出恢復(fù)到默認(rèn)的初始化狀態(tài)。

不僅僅提供了相應(yīng)的保護(hù)措施，還提供了錯(cuò)誤檢測(cè)的功能，通過(guò)一個(gè)狀態(tài)位IO口實(shí)時(shí)地表示負(fù)載開(kāi)路、過(guò)電壓、過(guò)溫和過(guò)流這四種錯(cuò)誤狀態(tài)（過(guò)流僅僅針對(duì)低端通道）的發(fā)生，可以通過(guò)讀取該狀態(tài)位判斷是否有錯(cuò)誤發(fā)生，然后MC33984和MC33888可以通過(guò)SPI判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤狀態(tài)的通道，MC33289針對(duì)每一路都提供了一位IO反應(yīng)其通道的狀態(tài)。

在飛思卡爾和英飛凌的車(chē)燈控制方案中都對(duì)驅(qū)動(dòng)功率留出了1.5-3倍的余量，余量設(shè)計(jì)用于改善一個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。車(chē)燈功率余量設(shè)計(jì)主要考慮的參數(shù)是最大持續(xù)電流和成本。按照最大持續(xù)電流運(yùn)行時(shí)，無(wú)法保證長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的可靠性和芯片的使用壽命，同時(shí)必須考慮散熱的問(wèn)題。需要在功率余量和成本之間權(quán)衡。圖1中選擇的功率驅(qū)動(dòng)芯片就是反復(fù)比較后選擇的結(jié)果。

前車(chē)燈功率驅(qū)動(dòng)芯片的成本12美金，后車(chē)燈功率驅(qū)動(dòng)芯片的成本7.2美金（官方網(wǎng)站價(jià)格）。

d)MCU主電路

MCU作為本節(jié)點(diǎn)的主控制器，實(shí)現(xiàn)LIN協(xié)議控制器，通過(guò)LIN總線接收主節(jié)點(diǎn)（這里是組合開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)）發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，解析指令，對(duì)功率驅(qū)動(dòng)器件進(jìn)行控制，并將檢測(cè)到的錯(cuò)誤狀態(tài)信息通過(guò)LIN總線發(fā)向主節(jié)點(diǎn)提供診斷信息。

MCU選擇PIC18F2480，其片內(nèi)資源為：16K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，768字節(jié)片內(nèi)SRAM，256字節(jié)EEPROM，8通道的10位AD，2個(gè)比較器，2個(gè)PWM模塊，支持SPI和Master I2C,33個(gè)IO腳，片內(nèi)集成UART,CAN控制器，1個(gè)8位定時(shí)器和3個(gè)16位定時(shí)器。SPI可以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的控制和狀態(tài)回讀，UART可用于實(shí)現(xiàn)LIN接口。

PIC單片機(jī)外圍電路包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和仿真電路。時(shí)鐘電路選擇外接10M晶振，仿真電路用于支持PIC的在線仿真和編程下載。