徐玉榮（上海公用事業(yè)學(xué)校,上海 200030）

嵌入式系統(tǒng)在汽車電動(dòng)天窗硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

徐玉榮
（上海公用事業(yè)學(xué)校,上海 200030）

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是汽車車身電子控制系統(tǒng)應(yīng)用中的一個(gè)重要的技術(shù)領(lǐng)域。本文結(jié)合已完成的相關(guān)項(xiàng)目及相關(guān)技術(shù)資料，以汽車電動(dòng)天窗硬件系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)為例，給出了幾個(gè)典型電路設(shè)計(jì)的結(jié)果，為嵌入式單片機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在車身電子控制系統(tǒng)中的應(yīng)用做出了一些探索和嘗試。

嵌入式；單片機(jī)；系統(tǒng)硬件

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)概述

針對(duì)某型電動(dòng)天窗電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，采用C8051F330單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)有重要的影響。電動(dòng)天窗控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括：系統(tǒng)核心單片機(jī)的選擇，電機(jī)控制單元的設(shè)計(jì)，穩(wěn)壓單元的設(shè)計(jì)，JTAG口電路的設(shè)計(jì)（用于調(diào)試），接口的設(shè)計(jì)，控制按鍵的設(shè)計(jì)，其它部件的選擇。控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示。

從圖1 是整個(gè)控制系統(tǒng)硬件部分的主要構(gòu)成，包括C8051F330單片機(jī)、電機(jī)控制芯片MC33486AD、JTAG口、接口電路、控制鍵、零位傳感器、電機(jī)傳感器。此外，硬件部分還包括：穩(wěn)壓單元U1和U2、功率場效應(yīng)管、電阻和電容。其中，一個(gè)接口電路有電機(jī)電流信號(hào)輸入，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化后進(jìn)入單片機(jī)。另一接口電路有點(diǎn)火開關(guān)信號(hào)、傳感器信號(hào)和不同控制鍵信號(hào)輸入?？刂葡到y(tǒng)會(huì)根據(jù)收到的信號(hào)，由ECU進(jìn)行處理并產(chǎn)生控制信號(hào)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33486來控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)天窗的平滑打開、關(guān)閉，翹起、閉合等基本功能[1,2]，還會(huì)根據(jù)不同的位置信號(hào)和按鍵長短信號(hào)實(shí)現(xiàn)天窗的自學(xué)習(xí)、位置記憶控制等高級(jí)功能。

2 電控天窗硬件系統(tǒng)部分功能電路設(shè)計(jì)

2.1 穩(wěn)壓單元的設(shè)計(jì)

從整個(gè)天窗控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成單元可以看到，整個(gè)電路需要提供的電壓基準(zhǔn)有12V、5V和3.3V。其中，控制系統(tǒng)核心C8051F330、JTAG電路需要3.3V供電；電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33486、電機(jī)計(jì)數(shù)脈沖輸入端引腳、零位信號(hào)脈沖輸入端引腳需要5V供電；而天窗運(yùn)動(dòng)控制按鍵需要12V供電。由于系統(tǒng)對(duì)電源的穩(wěn)定性要求較高，所以要采用穩(wěn)壓芯片。其中，5V穩(wěn)壓采用LM78L05芯片，而3V穩(wěn)壓采用AS1117芯片，電路中的電容元件也可以起到穩(wěn)壓的作用。穩(wěn)壓單元的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

穩(wěn)壓電路中所用到的LM78L05，在一定溫度范圍內(nèi)它的輸出電壓誤差在－5%～+5%之間；它的輸出電流是100mA;它具有內(nèi)部過熱保護(hù)、內(nèi)部短路電流保護(hù)和輸出三極管安全區(qū)域保護(hù)的特性。在它的電流保護(hù)功能下，輸出電流的最大值會(huì)控制在一個(gè)安全數(shù)值范圍內(nèi)。輸出三極管的安全區(qū)域保護(hù)限制著內(nèi)部的功率損耗，若內(nèi)部功率損耗過大時(shí)，熱量切斷保護(hù)電路會(huì)起作用防止集成電路過熱。穩(wěn)壓電路中所用到的AS1117，它是一個(gè)低功耗的電壓調(diào)節(jié)器，可以產(chǎn)生800mA的輸出電流和3.3V的輸出電壓。它的靜電流和溫度系數(shù)非常的小，在全載荷下所產(chǎn)生的電壓回動(dòng)也較低[3,4]。此外，它還有邏輯控制的電子切斷保護(hù)裝置，具有過流保護(hù)和過熱保護(hù)的特性。利用LM78L05、 AS1117和部分電容元件所設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路，可以有效的將12V的輸入電壓轉(zhuǎn)變成所需要的5V和3.3V電壓，很好的滿足不同單元在工作中的需要。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的天窗控制系統(tǒng)硬件部分所用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片是雙高端開關(guān)器件MC33486。它一般包括兩個(gè)N溝道功率MOS管和一個(gè)檢測控制模塊[4-6]。圖3是MC33486在天窗控制系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)圖。芯片輸出引腳GLS1、GLS2連至外掛的兩個(gè)低端MOS管的門極，開關(guān)管通斷由輸入引腳IN1、IN2的邏輯狀態(tài)決定；引腳OUT1、OUT2為高端輸出口，直接用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)；內(nèi)部兩個(gè)高端MOSFET用以實(shí)現(xiàn)高端電流檢測、錯(cuò)誤保護(hù)以及低端門極驅(qū)動(dòng)；內(nèi)部低端控制模塊用于驅(qū)動(dòng)H橋中外掛的兩個(gè)低端開關(guān)，并具有短路保護(hù)功能，它和高端保護(hù)共同實(shí)現(xiàn)對(duì)H橋的負(fù)載短路、電源短路、對(duì)地短路保護(hù)功能。當(dāng)此模塊工作出現(xiàn)異常時(shí)，可由芯片的ST管腳反映出。

利用MC33486芯片設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，在剛起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，電動(dòng)勢為零，由于電動(dòng)機(jī)的電樞繞組電阻很小，如直接加額定電壓起動(dòng)，將產(chǎn)生巨大的沖擊電流，電流可能突然增到額定電流的幾倍。這樣，對(duì)電動(dòng)機(jī)及所拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)備會(huì)造成極大的損害。此外，起動(dòng)電流尖峰值過高將影響后續(xù)控制功能（如防夾功能）的實(shí)現(xiàn)，至少會(huì)使控制方式復(fù)雜化。為此，在起動(dòng)時(shí)，必須設(shè)法限制起動(dòng)電流，盡量減少甚至消除瞬時(shí)過載電流尖峰，使其接近正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電流值。鑒于直流斬波形式的功率因素高、調(diào)速范圍寬、諧波少、響應(yīng)快、抗干擾性能強(qiáng)，而且考慮到此驅(qū)動(dòng)芯片具有較高的斬波頻率，因此設(shè)計(jì)時(shí)可采用直流斬波DC-PWM原理實(shí)現(xiàn)可控直流電源。即通過控制程序控制驅(qū)動(dòng)芯片的控制信號(hào)使起動(dòng)前100ms內(nèi)驅(qū)動(dòng)器的供電電壓低于正常的工作電壓，當(dāng)n達(dá)到額定轉(zhuǎn)速以后再恢復(fù)正常的供電電壓，進(jìn)而限制起動(dòng)電流、減小起動(dòng)尖峰，使起動(dòng)時(shí)的電流接近正常運(yùn)行時(shí)的恒定電流。

3 結(jié)論

本文分析了應(yīng)用C8051F330單片機(jī)對(duì)汽車電動(dòng)天窗控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)路徑和方法，重點(diǎn)對(duì)穩(wěn)壓單元電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等方面進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)思路可為企業(yè)開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車電動(dòng)天窗控制器產(chǎn)品提供一定的硬件設(shè)計(jì)參考。

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徐玉榮（1972－），女，學(xué)士,講師,主要從事：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

上海市優(yōu)秀青年教師科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目。