基于TLE9832的車窗防夾方案

TLE9832概況

TLE9832是英飛凌半導體公司新推出的一款針對車身電子領域設計的專用芯片。TLE9832采用最新的技術，將8051核和SBC(System Basic Chip)集成在一塊晶圓上。SBC以外設形式集成在8051總線上，通過訪問寄存器即可直接訪問，集成度高，可以大大減少外部器件的數量并簡化外部電路的設計。圖1為TLE9832的框圖。

TLE9832主要可應用于汽車天窗、車窗等的控制。針對這些應用，TLE9832集成了一些特殊的外設及功能模塊。本文以在車窗上的應用為例，介紹TLE9832一些外設模塊的特點和應用。在本文介紹的車窗應用中，主要用到了LIN、電壓檢測、高電平監控輸入引腳、低邊開關驅動、高邊開關驅動。下面就針對這些模塊及作用作簡單介紹。

低邊開關驅動引腳(LS1、LS2)

TLE9832提供兩路低邊開關驅動引腳，可直接驅動繼電器。對每路低邊開關驅動都可進行過流檢測和過溫檢測。當檢測到過流或者過溫時，低邊開關自動關閉，起到保護的作用。

低邊開關驅動引腳提供了兩種驅動模式：普通驅動模式和PWM驅動模式。在PWM驅動模式下，可輸出PWM波形驅動MOSFET控制電機的輸入電壓及轉速。PWM的最高頻率可達20kHz。此外，在普通驅動模式下，也可以配合使用CCU6模塊產生PWM波形，這將在下面介紹到。

值得注意的是，如果使用低邊開關驅動的PWM驅動模式，需要在負載上并聯一個二極管，實現續流的功能，以吸收開關斷開時感性負載產生的反電動勢。如圖2所示。

高邊開關驅動引腳(HS)

TLE9832提供了1～2路高邊開關驅動引腳。高邊開關可以用來驅動儀表盤上的單個或者多個LED、照明開關或者其它阻性負載。每路高邊開關驅動都具有過流檢測功能，并按照需求設置電流的閾值。此外，還有開路檢測的功能，同樣，電流的閾值也可以設置。

高邊開關驅動提供兩種驅動模式，一種是普通驅動模式，另一種是PWM驅動模式。PWM的最高頻率可達20kHz。

高電平監控輸入引腳MON1～MON5

高電平監控引腳既可以輸入數字信號，也可以輸入模擬信號，可用于檢測外部按鍵。連接到這5個引腳的5個按鍵不僅可以作為數字量從MON單元讀入狀態，還可以連接到模數轉換模塊進行采樣。此外，還可通過設置相關寄存器的值使能內部電阻上拉或下拉功能。

高電平監控輸入引腳除了用于按鍵檢測外，還可以用于在睡眠或者掉電模式下喚醒單片機。可通過寄存器設置喚醒模式：上升沿觸發、下降沿觸發或者兩種皆可。MON1-MON5的內部結構中的濾波模塊可用于對喚醒信號進行濾波，避免誤動作。

捕獲／比較模塊(CCU6模塊)

捕獲／比較單元6(CCU6)中有兩個獨立的定時器(T12，T13)，可用來產生脈寬調制(PWM)信號。

其中，T12提供3路比較／捕獲通道。每個通道可以設置為比較模式或者捕獲模式。在比較模式下，通過周期寄存器，可以設置PWM波形的周期。通過設置比較值寄存器，可使任何一路通道在定時器的數值與比較值寄存器數值一樣時，翻轉輸出電平，從而得到需要的PWM波形。捕獲模式可以用于記錄輸入波形的跳變沿產生時的定時器時間。T13提供1路比較通道。

測量模塊

TLE9832提供了一個測量模塊，該測量模塊由兩個ADC核組成，可以提供10路8位精度的模擬輸入通道。除通道5保留之外，其余9個通道的功能分別是：通道O測量供電電壓：通道1測量工作電壓：通道2和通道3分別測量VDDP和VDDC，這也是內核能穩定工作的關鍵參數：通道4測量ADC轉換參考電壓：通道5測量電流傳感器輸出；通道6和通道7測量兩個低邊開關的電流；通道8測量低邊開關的溫度值；通道9測量整個芯片的溫度值。此外，每個通道還可以根據客戶設置的上、下限值產生中斷，這樣便可以輕松地做到過流或者過壓保護，見圖3。

其它

TLE9832還特別為霍爾傳感器提供了電源引腳VDDEXT，用于對霍爾傳感器供電，可以節省分立器件方案中單片機和霍爾傳感器之間的隔離器件。

TLE9832還集成了LIN收發器，外部電路不再需要獨立的LIN收發器芯片，支持了LIN總線通訊，同時也使得集成度更高。

此外，TLE9832還集成了電源轉換模塊LDO。可以將外部輸入的12V電壓轉換成5V輸出，與分立器件的方案相比，集成度更高，電路空間可以做到更小。

防夾方案算法

本論文將介紹基于電機電流紋波的車窗防夾方案。

電機轉矩可以表示為：

M=C₂·φ·i_A

其中，M為轉矩，c₂為常數，i_A為流過電機的電流，φ為磁通量。

車窗防夾功能的實現，本質上是對車窗電機扭矩變化的辨識：當車窗碰到障礙物時，為了克服阻力，電機輸出轉矩會隨之增大；而因為C₂和φ是常數，所以流過電機的電流i_A也會隨之增大。因此可以將電機電流作為防夾的判定依據對其進行采樣。

此外，在防夾應用中，位置檢測也非常重要：一方面需要通過檢測車窗位置判斷車窗玻璃是否處于防夾區域之內，防夾功能是否需要被激活：另一方面，車窗在上升過程中不同位置的電機電流可以作為防夾判斷的參考值，對于提高防夾判斷精度有著重要意義。

而目前在車窗防夾的應用中，常見的位置檢測方法有霍爾傳感器檢測法和電流紋波檢測法。前者通過電機軸上安裝磁環，產生隨電機轉動而變化的磁場，再使用霍爾傳感器，感知磁場的變化，間接地檢測電機轉動和車窗的位置。而后者則是根據有刷電機在換相過程中產生的電流紋波來檢測電機位置。兩者各有優缺點：霍爾傳感器檢測法檢測結果較為準確，但是，為了提高磁場檢測的靈敏度，要求將霍爾傳感器貼近磁環固定，這實際上增加了安裝和器件的成本、也影響了系統的可靠性：而電流紋波檢測法成本低廉，可靠性高，但是對電流采樣速度和精度要求較高，軟件開銷也要大于霍爾傳感器檢測法。為此，本文提出了一種更為高效的電流紋波檢測算法，在下文中將做詳細介紹。

基于TLE9832的車窗無霍爾傳感器的防夾方案

電流檢測采用了基于電流紋波檢測法的防夾方案。系統框圖如圖4所示。

系統電源12V通過VS引腳給TLE9832供電，并通過VBAT SENSE引腳將電源采集到測量模塊進行監控。

控制按鍵接入高電平監控輸入引腳MON1-MON5，外部按鍵采用了電阻分壓的形式，使用MON1～MON5的模擬輸入模式、按鍵的輸入通過AD轉換模塊采樣，可以判斷按鍵被置于哪一檔。

TLE9832的低邊開關驅動輸出引腳控制繼電器開關，從而控制電機的橋臂開關，從而控制電機轉動。

TLE9832的高邊開關驅動輸出引腳控制LED開關，用于按鍵背光。

TLE9832的CCU6模塊的COUT61引腳連接了一個三極管用于控制電機電路的通斷。該引腳設置為比較模式，輸出一定占空比的PWM波，可以用于電機軟啟動，起到保護電機的作用。TLE9832集成了LIN收發器，因此，TLE9832的LIN引腳直接接到LIN總線上。

基于電流紋波的位置檢測算法

圖6顯示的就是電機轉動過程中的電流采樣的結果：電機每旋轉一周，就會產生固定數量N的電流紋波(見圖6中黑線)。車窗運動的行程與電機的電流紋波數量成線性關系。只要能夠識別出電流紋波的數量，就可以計算出車窗運動的行程，也就能確定車窗的高度位置。本文提出了一種對于電流采樣結果的軟件處理方法，可以將不規則的紋波信號轉換成規則方波信號，從而使計算更加準確方便。具體實現過程如下。

首先，先設置一個由若干個元素組成的數組，譬如11個元素的數組i[11]。每次采樣電流值，都先把數組里的所有元素往前移動一個元素(i[0]=i[1]，i[1]=i[2]，i[2]：i[3]……i[10]=i[9])，再將最新采樣的電流值存儲在最后一個元素里(i[10])。然后將最新的采樣值和該數組下標較小的元素比較(i'[10]=i[0]和i[10]進行比較)這樣做實際上是通過軟件起到延遲的作用。如果i'[10]=i[0]i[10]，將變量RIP的值先存儲到另一個變量OLD RIP里，然后RIP=0。為了理解上更加直觀，可以用圖6中的示意圖來表示。如果OLD RIP與RIP數值不一樣，那么說明如圖6中的方波發生了跳變沿的變化。發生兩次跳變沿的變化，即表示產生一個完整的紋波周期。因此，這樣就可以方便地計算出紋波數量，從而得到車窗的位置信息。