汽車控制器輸入信號采集接口設(shè)計

王曉光，鄭 巖，王子軍，齊 志，雷 凱，潘守亮

（一汽奔騰轎車有限公司，吉林 長春 130012）

1 概述

汽車上絕大部分的控制器都需要有輸入、輸出、通信（如CAN/LIN/USB/以太網(wǎng)等）等接口，其中對于輸入接口，又可以分為開關(guān)信號、傳感器信號等，對這些信號的采集，不同的硬件設(shè)計師設(shè)計的接口電路可能有很大差異，本文介紹幾種常用的開關(guān)信號接口電路。

2 MCU的數(shù)字IO口采集

汽車上大部分開關(guān)都是一端搭鐵，另一端連接到控制器，對于這種連接到搭鐵的開關(guān)，控制器內(nèi)部必須配上拉電阻，上拉電阻負(fù)責(zé)為開關(guān)提供濕電流，以確保開關(guān)可以可靠導(dǎo)通。開關(guān)采集接口電路如圖1所示。

另外，開關(guān)再經(jīng)分壓電阻進(jìn)入MCU數(shù)字IO口。由于汽車上正常工作電壓并不穩(wěn)定，在一個較大的范圍內(nèi) （9～16V），該分壓電阻的目的是確保在這個范圍內(nèi)，MCU都能準(zhǔn)確識別到高電平和低電平，從而準(zhǔn)確識別開關(guān)的斷開與接通。連接到搭鐵的開關(guān)見圖1a。

為了使整車睡眠之后的靜電流消耗盡可能低，對于連接到搭鐵的開關(guān)的采集接口，通常需要使上拉電源可關(guān)斷，只有在需要輪詢檢測該開關(guān)狀態(tài)時才短暫接通。為此通常采用一個MOS開關(guān)來為多個上拉電阻提供可關(guān)斷的上拉電源。

汽車上還有一小部分開關(guān)是一端接電源，另一端連接到控制器，比如對B+、ACC、IG等電源信號的采集。對于這種連接到電源的開關(guān)，控制器內(nèi)部必須配下拉電阻，下拉電阻負(fù)責(zé)為開關(guān)提供濕電流，以確保開關(guān)可以可靠導(dǎo)通。連接到電源的開關(guān)見圖1b。

圖1 開關(guān)采集接口電路

3 輸入擴(kuò)展芯片

對于車身控制系統(tǒng)BCM這樣的控制器，需要采集的外部輸入信號非常多，通常會達(dá)到三四十個甚至更多，此時MCU的管腳資源就顯得很緊張，為此采用專門的輸入擴(kuò)展芯片是一個很好的選擇。

以TI公司的TIC12400-Q1為例，如圖2所示，它是用在12V汽車系統(tǒng)的24路開關(guān)檢測接口器件，集成了10位ADC來檢測模擬開關(guān)多種位置，集成的比較器用來檢測數(shù)字開關(guān)，檢測閾值可編程，以支持各種開關(guān)拓?fù)洹ＥcMCU之間采用SPI通信，大大節(jié)省了MCU的管腳資源。

圖2 TIC12400-Q1原理框圖

器件監(jiān)控多達(dá)24路直接開關(guān)輸入，其中10路可以配置為監(jiān)控連接到電源/連接到搭鐵的開關(guān)，另14路僅能監(jiān)控連接到搭鐵的開關(guān)。可為每路輸入設(shè)定6種獨(dú)特的濕電流設(shè)置（0mA、1mA、2mA、5mA、10mA、15mA），從而支持不同的應(yīng)用場景。

該器件可產(chǎn)生中斷來支持所有開關(guān)輸入的喚醒操作，因此無需持續(xù)使MCU保持活動狀態(tài)，進(jìn)而可降低系統(tǒng)功耗。TIC12400-Q1支持2種工作模式：連續(xù)模式和輪詢模式。連續(xù)模式下將連續(xù)提供濕電流。輪詢模式下將根據(jù)可編程計時器來定期接通濕電流以對輸入狀態(tài)進(jìn)行采樣，從而顯著降低系統(tǒng)功耗。在輪詢模式下具有超低工作電流：典型值為68μA。

TIC12400-Q1還提供集成故障檢測，ESD保護(hù)和診斷功能。符合汽車應(yīng)用要求，符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。支持12V汽車系統(tǒng)并提供過壓和欠壓警告。

如果需要采集的開關(guān)數(shù)量大于24個，那么還可以采用下面的方式再擴(kuò)展數(shù)量。類似于對電阻網(wǎng)絡(luò)型開關(guān)的采集，每個管腳上可以接多個開關(guān)，每個開關(guān)串聯(lián)不同阻值的電阻。一個管腳擴(kuò)展多個開關(guān)連接方法見圖3。

圖3 一個管腳擴(kuò)展多個開關(guān)連接方法

假設(shè)濕電流設(shè)置為1mA，如果SW1接通，則TIC12400-Q1采集到的電壓是V=1mA×R，如果SW2接通，則TIC12400-Q1采集到的電壓是V=1mA×R，由于R與R不同，所以TIC12400-Q1采集到的電壓V與V也不同，從而實(shí)現(xiàn)對SW1和SW2的區(qū)分。

這種方式也存在缺點(diǎn)，在使用的時候需注意。這些開關(guān)不能同時接通，否則會因電阻的并聯(lián)造成識別的混亂。即這種方式僅能用于多個自復(fù)位式開關(guān)，如果其中有一個是鎖止式開關(guān)則就不適用了。

4 結(jié)束語

本文介紹了兩種典型的開關(guān)采集接口方式，其中第1種接口簡單、成本低、應(yīng)用普遍，第2種主要用在輸入信號較多的控制器上，采用輸入擴(kuò)展芯片可以大大降低MCU的管腳資源消耗。使用時可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。