汽車車身控制模塊電路設(shè)計

李油成

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

近年來，汽車電子技術(shù)發(fā)展迅速，裝備的電子設(shè)備越來越多，對電子控制系統(tǒng)的要求也越來越高。以往的經(jīng)濟(jì)型轎車車身電子控制多以獨(dú)立控制為主，采用多個控制器分別控制全車門鎖、遙控及車燈等電氣系統(tǒng)，目前集成式車身控制模塊已成為車身電子控制的發(fā)展趨勢。文章以Freescale公司生產(chǎn)的16位高性能單片機(jī)MC9S12XDP512為主芯片、CAN總線收發(fā)器TJA1050及LIN收發(fā)器TJA1020為節(jié)點(diǎn)模塊，介紹了如何設(shè)計車身控制模塊的硬件電路，包括：電源管理模塊、輸入接口電路、輸出電路、CAN總線通信模塊、LIN總線通信模塊及RKE接收模塊選型等。

1 總體方案設(shè)計

針對國內(nèi)某自主經(jīng)濟(jì)型品牌轎車，其車身控制模塊主要功能包括：中控鎖功能、遙控鎖功能、中控解鎖行李箱蓋鎖功能、遙控解鎖行李箱蓋鎖功能、轉(zhuǎn)向燈和危險報警燈控制功能、剎車燈控制功能、晝間行駛燈控制功能、前室內(nèi)燈控制功能、前后霧燈控制功能、小燈未關(guān)蜂鳴器報警、LIN總線及CAN總線。車身控制模塊系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

2 電路設(shè)計

2.1 電源管理設(shè)計

車身控制模塊的電源管理設(shè)計上，采用12 V轉(zhuǎn)2.5 V的供電系統(tǒng)，使用Holtek公司的HT7533-1電源芯片，該電源芯片有低功耗、低壓降、低溫度系數(shù)、高輸入電壓及高輸出電流等特點(diǎn)，電源模塊框圖，如圖2所示。

輸入保護(hù)部分能抑制外接電壓、電流沖擊或電路反接，多數(shù)采用壓敏電阻、穩(wěn)壓二極管及防反接二極管組成，確保在惡劣環(huán)境下電源模塊的正常工作；電源濾波部分主要有較大容量的極性電容和較小容量的瓷片電容并聯(lián)，濾除各種可能的干擾。本電路設(shè)計中使用∏型濾波結(jié)構(gòu)，從根本上防止干擾信號在電源電路中的傳播；電壓轉(zhuǎn)換部分采用HT7533-1電源芯片，輸出濾波部分阻止電路中產(chǎn)生的雜波干擾電源，起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的作用。

2.2 輸入接口電路設(shè)計

在本設(shè)計中，輸入信號均為數(shù)字輸入信號，其狀態(tài)主要取決于外部開關(guān)的狀態(tài)，如中控解閉鎖開關(guān)等。數(shù)字輸入接口電路為通用型的數(shù)字輸入接口電路，電路中包含輸入電路（上下拉電路）、RC濾波電路及主MCU端口分壓電路。接口電路圖，如圖3所示。

數(shù)字輸入電氣特性，如表1所示。上下拉電阻的選取，主要考慮到開關(guān)的特性，通過上下拉電阻使開關(guān)通過一定的潤濕電流，可以維持一定的小電弧清理開關(guān)觸頭表面的塵垢和腐蝕，以保證開關(guān)觸點(diǎn)狀態(tài)良好。

表1 車身控制模塊的數(shù)字輸入電氣特性表 V

2.3 輸出電路設(shè)計

車身控制模塊的負(fù)載主要有門鎖電機(jī)、白熾燈及LED燈等，根據(jù)負(fù)載特性不同，分別采用了高邊驅(qū)動、低邊驅(qū)動及內(nèi)部繼電器驅(qū)動的方式，驅(qū)動方式列表，如表2所示。

表2 車身控制模塊的負(fù)載驅(qū)動方式列表

2.3.1 高邊驅(qū)動電路設(shè)計

在器件選型上主要選用英飛凌公司的BTS5020-2EKA高邊驅(qū)動芯片。該芯片是20 mΩ雙通道智能高邊功率開關(guān)，內(nèi)置PG-DSO-14-40EP，散熱焊盤封裝，具有保護(hù)和診斷功能。功率晶體管是一個帶有電荷泵N通道垂直功率MOSFET，該器件整合了Smart6高壓技術(shù)，是針對在嚴(yán)苛的汽車環(huán)境中驅(qū)動燈泡（2個27 W或21 W加5 W）和LED燈而特別設(shè)計的。高邊驅(qū)動電路圖，如圖4所示。

2.3.2 低邊驅(qū)動電路設(shè)計

在器件選型上主要選用英飛凌公司的TLE7240SL低邊驅(qū)動芯片，該芯片是8通道低邊開關(guān)，采用PG-SSOP-24-7封裝，具有嵌入式保護(hù)功能，針對在汽車環(huán)境中應(yīng)用的繼電器的驅(qū)動器而特別設(shè)計。利用串行外設(shè)接口（SPI）控制并診斷器件和負(fù)載。對于直接控制及PWM控制，共有4個可用的輸入引腳。該芯片是單片集成，功率晶體管是一個N通道的MOSFET。低邊驅(qū)動電路圖，如圖5所示。

2.3.3 內(nèi)部繼電器驅(qū)動電路

在器件選型上主要選用ULQ2003ADRRBG4驅(qū)動內(nèi)部繼電器，其電路圖，如圖6所示。該芯片為汽車類高電壓、大電流達(dá)林頓晶體管陣列，主要特性：1）高壓輸出50 V；2）輸出鉗位二極管；3）輸入兼容各種類型的邏輯電路；4）用于繼電器驅(qū)動器。

2.4 CAN總線通信模塊設(shè)計

將車身控制模塊作為CAN和LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，CAN通信遵循ISO11898通訊協(xié)議。本部分采用TJA1050作為CAN收發(fā)器。CAN收發(fā)器搭建了CAN控制器與物理總線之間通信的橋梁，它的主要作用是完成CAN總線上差動電平與節(jié)點(diǎn)邏輯電平之間的轉(zhuǎn)換，使CAN控制器完成報文向總線的差動發(fā)送以及從總線差動接收報文成為可能。

TJA1050芯片的主要特性：1）與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容；2）極低的電磁輻射；3）最多可連 110 個節(jié)點(diǎn)；4）沒有供電的節(jié)點(diǎn)不干擾總線；5）對電源和地的短路保護(hù)功能；6）發(fā)送數(shù)據(jù)控制超時顯性功能；7）在汽車環(huán)境下對總線引腳的瞬態(tài)保護(hù)和熱保護(hù)。電路設(shè)計，如圖7所示。

2.5 LIN通信模塊設(shè)計

在車身控制領(lǐng)域，作為局域網(wǎng)CAN總線的有效補(bǔ)充，本地互聯(lián)網(wǎng)LIN總線以其成本低廉的特點(diǎn)有效地解決了分布式控制帶來的成本增加問題。在通信速率要求不高、成本要求更高的經(jīng)濟(jì)性轎車車身控制系統(tǒng)上，LIN總線得到了大規(guī)模的應(yīng)用。本設(shè)計中，車身控制模塊為LIN主節(jié)點(diǎn)，采用LIN總線收發(fā)器TJA1020，通過該芯片的TXD與RXD引腳與主MCU的異步串口接口SCI配合，完成LIN報文幀的接收和發(fā)送。

TJA1020芯片的主要特性：1）波特率最高達(dá)20 kB/s；2）極低的電磁發(fā)射（EME）；3）高抗電磁干擾性；4）低斜率的模式進(jìn)一步降低EME；5）未通電狀態(tài)下的無源特性；6）輸入電平3 V與5 V兼容；7）集成的終端電阻用于LIN的從應(yīng)用；8）喚醒源識別（本地或遠(yuǎn)程）。電路設(shè)計，如圖8所示。

2.6 RKE接收模塊選型設(shè)計[1]

RKE接收模塊包括接收天線、高頻接收芯片及電子元器件等。遙控接收模塊中的接收天線接收到遙控鑰匙發(fā)射的電磁波能量后，通過高頻接收芯片轉(zhuǎn)換為電信號傳送給MCU，MCU通過軟件解碼對遙控鑰匙信號進(jìn)行識別處理，如果鑰匙信號是MCU存儲的遙控鑰匙序列號，則車身控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的開閉鎖動作，從而實現(xiàn)遙控汽車門鎖的遠(yuǎn)距離控制。

一款性價比好、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)及寬接收帶寬的高頻接收芯片是車身控制模塊高頻接收設(shè)計成功的前提保證。接收天線的固定方式有外接式、內(nèi)嵌式及PCB式等。PCB式為在車身控制模塊的印刷電路板上直接設(shè)計印制天線，但要避開大面積接地區(qū)及其它感性器件的影響。PCB式接收天線的成本最低，通過PCB式接收天線與高頻接收芯片天線端的LC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適配，保證最佳的駐波比。另外要根據(jù)車身控制模塊在車身上的位置，來設(shè)計天線的方向，確保360°內(nèi)所有方向上接收距離均能滿足要求。

接收模塊設(shè)計中要考慮到接收靈敏度、遙控接收制式及定頻跳頻技術(shù)的要求。

2.6.1 接收靈敏度

接收靈敏度為車身控制模塊能夠接收有用信號的最小功率。它是檢驗車身控制模塊接收微弱信號的能力。接收靈敏度與RKE鑰匙功率、接收天線布置及高頻接收芯片等有關(guān)。一般情況下，RKE鑰匙功率越大，接收靈敏度越小，傳輸距離就會越遠(yuǎn)。但在實際應(yīng)用中無線電信號傳輸要受到大氣、阻擋物及天線等多種因素影響。該車身控制模塊的接收靈敏度設(shè)計值為-95 dBm。

2.6.2 遙控接收制式（ASK及FSK技術(shù)）[2]

幅移鍵控（ASK）相當(dāng)于模擬信號的調(diào)幅，只不過與載波相乘的是二進(jìn)制碼，載波在二進(jìn)制基帶信號“1”或“0”的控制下實現(xiàn)通或斷，即用載波幅度的有或無代表信號的“1”或“0”，這樣就可以得到ASK信號，這種二進(jìn)制幅移鍵控方式稱為通斷鍵控。2ASK信號典型數(shù)字和時域波形圖，如圖9所示。

頻移鍵控（FSK）是利用載波的頻率參量來攜帶數(shù)字信息的調(diào)制方式。常用的是二進(jìn)制頻率鍵控信號，即2FSK。2FSK信號典型數(shù)字和時域波形圖，如圖10所示。

ASK調(diào)制中，發(fā)送代表“0”數(shù)據(jù)時，發(fā)射天線上是沒有載波發(fā)出的，此時接收器是被動地等待發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果采樣時間內(nèi)沒有信號的跳變，就認(rèn)為是“0”，但是現(xiàn)實空間存在很多的干擾，造成接收器無法正常解調(diào)信號。FSK調(diào)制中，發(fā)送代表“0”數(shù)據(jù)時，是高頻的載波，需干擾到整個頻點(diǎn)上才能干擾，它受到干擾較小，接收器能正常解調(diào)信號，因而FSK接收性能要優(yōu)于ASK。

當(dāng)“0”數(shù)據(jù)發(fā)送時，ASK是沒有載波信號發(fā)出的，因此，硬件功率消耗很低，基本可以忽略，但FSK調(diào)制方式還需要有高頻載波發(fā)出，功耗與發(fā)送“1”數(shù)據(jù)功耗一致。因此，在工作狀態(tài)下，F(xiàn)SK功率消耗約為ASK功率消耗的2倍。以汽車遙控系統(tǒng)ASK與FSK的遙控壽命為例，ASK壽命計算：N（有效次數(shù)）＝電池有效容量/（按鍵平均電流×按鍵時間）=225 mA·h×50%/（150 mA·h×100 ms/3.6×106）=27 000次；T（天數(shù)）＝有效次數(shù)/（每日的按鍵次數(shù)）=N/（20次/天）=1 350天。FSK壽命計算：N（有效次數(shù)）＝電池有效容量/（按鍵平均電流×按鍵時間）=225 mA·h×50%/（280 mA·h×100 ms/3.6×106)=14 423次；T（天數(shù)）＝有效次數(shù)/（每日的按鍵次數(shù)）=N/（20次/天）=721.1天。通過計算得知：遙控器使用ASK調(diào)制方式的壽命比FSK調(diào)制方式多600多天。

本設(shè)計中車身控制模塊遙控距離要求為15 m，當(dāng)遙控距離＜15 m時，ASK與FSK相當(dāng)，由于ASK制式鑰匙功率消耗低、占用帶寬窄，且成本低，因此遙控信號采用ASK制式，即遙控接收芯片也選用ASK制式。

2.6.3 定頻跳頻技術(shù)

定頻即為遙控信號固定在一種頻率，如433.92MHz。跳頻即為遙控信號在2種不同頻率上相互轉(zhuǎn)換（433.92 MHz+150 kHz及 433.92 MHz-150 kHz），這 2種不同頻率的數(shù)據(jù)依次發(fā)送。遙控端（遙控鑰匙），發(fā)送每組數(shù)據(jù)時，設(shè)定不同的發(fā)送頻率（如取2組，第1組頻率為433.92 MHz+150 kHz；第2組頻率為433.92 MHz-150 kHz），這2種不同頻率的數(shù)據(jù)依次發(fā)送。接收端（車身控制模塊）事先設(shè)定2組對應(yīng)的接收頻率，從而實現(xiàn)跳頻。跳頻相對于定頻，可降低同頻干擾發(fā)生的概率，但需有支持跳頻技術(shù)的發(fā)送和接收芯片，因此成本會有所增加。經(jīng)調(diào)查得知，在國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型轎車上，大多采用定頻技術(shù)。因此本設(shè)計中，高頻接收芯片為定頻接收芯片TDA5210。

3 結(jié)論

該車身控制模塊不僅可以直接利用數(shù)字輸入端口采集信號進(jìn)行執(zhí)行器的控制，還可作為CAN/LIN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行總線上的數(shù)據(jù)交互。主MCU預(yù)留部分引腳和外圍電路預(yù)留部分接口可作為今后功能升級，為實現(xiàn)車身控制系統(tǒng)平臺化提供有力的保障。