石勇 湛騰西 黃吉 吳國璽 唐宇航 歐先鋒

摘要：設(shè)計了一款以UPD70F3614為核心CPU的汽車方向柱鎖（ESCL）控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包含分布式電源設(shè)計、雙CPU控制，CAN外部通信，主副CPU內(nèi)部通信，H橋電機驅(qū)動模塊及相關(guān)軟啟動控制。介紹了ESCL各模塊基本原理與實現(xiàn)方法，并對系統(tǒng)的基本測試方法進(jìn)行了介紹，本系統(tǒng)的設(shè)計完成了初樣并得到了較好的驗證。

關(guān)鍵詞：方向柱鎖;雙CPU;H橋驅(qū)動;內(nèi)外通信

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-5383（2019）03-0031-05

汽車方向柱鎖（ESCL）電控系統(tǒng)是掛在汽車電子系統(tǒng)CAN總線上的一個模塊。這個模塊可以是汽車一鍵啟動系統(tǒng)（PEPS）的一個組成部分，也可以接收來自CAN總線的其他模塊的信令;其工作環(huán)境惡劣，低功耗及可靠性要求較高。本文提出了一種ESCL電控系統(tǒng)設(shè)計方案，該設(shè)計在汽車電子鎖柱配套廠家的委托研發(fā)項目中得到了較好的實現(xiàn)與驗證。

1方向柱鎖設(shè)計說明

1.1方案簡介

本款ESCL電控系統(tǒng)能收發(fā)CAN總線上的信令;硬件方面采用雙CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計，H橋驅(qū)動模式控制電機正反轉(zhuǎn);主CPU采用UPD70F3614，副CPU采用PICl6F1933：軟件方面需要設(shè)計雙CPU內(nèi)部通信接口程序，H橋驅(qū)動程序，外部通信接口程序。ESCL與外部通信由主CPU通過CAN總線及相關(guān)汽車總成模擬協(xié)議實現(xiàn);內(nèi)部主副CPU通信通過UART內(nèi)部通信協(xié)議采用主從式通信方式實現(xiàn)。ESCL各模塊組成如圖1所示。

1.2各硬件模塊設(shè)計

1.2.1主控CPU模塊

電子方向柱鎖作為汽車上使用的部件，其低功耗、安全可靠性、環(huán)境適應(yīng)性要求高;主控CPU作為核心部件，更為重要。在設(shè)計時選用汽車電子專用CPU制造商日本瑞薩科技公司的UPD70F3614單片機。

UPD70F3614單片機屬于V850ES/FX系列V850ES/FX3-L組，其工作環(huán)境溫度為-40-125℃，這可以保證汽車方向柱鎖在復(fù)雜環(huán)境氣候下使用的可靠性。UPD70F3614主要特性參數(shù)如表1所示。

在芯片記憶能力方面，程序存儲器具備256KB閃存，而RAM為16KB，且具備掉電數(shù)據(jù)保護(hù)能力。信息交流方面，UPD70F3614單片機需要與一鍵啟動基站等CAN總線或其他通信總線模塊進(jìn)行信息交流，而它提供了充足的接口。如1個CAN通道，2個LIN通道.2個CSIs通道，2個UART通道.1個I²C通道，其中的CAN總線通信及LIN總線通信為兩者通信提供了支持，具有豐富的數(shù)據(jù)通信接口;同時還擁有10位x10通道的A/D轉(zhuǎn)換器，也具備良好模數(shù)轉(zhuǎn)換能力。

1.2.2副控CPU

副控CPU選用PICl6F1933，其功能主要是控制電機的反轉(zhuǎn)。PICl6F1933是一款采用納瓦技術(shù)的28腳8位CMOS閃存單片機，具有高性能、低功耗的優(yōu)良特性。

PIC16F1933具有可編程、故障可檢的高精度內(nèi)部振蕩器，可控范圍從31kHz～8MHz;寬工作電壓范圍（2～5.5v）;環(huán)境適應(yīng)性可達(dá)工業(yè)及拓展型工作范圍，具有上電、掉電復(fù)位功能;高耐用性閃存;低功耗特性方面，首先，具有節(jié)能休眠機制;其次待機電流2.0v時典型值50ua，頻率32kHz、電壓2.0v時工作電流僅為11ua，頻率4MHz、電壓2.0v時工作電流也只有220ua;2.0v時看門狗定時器電流典型值為1uA。這些低功耗特性，都是汽車電子系統(tǒng)設(shè)計時的優(yōu)選指標(biāo)。

PIC16F1933具有增強型PWM模式能在最多4個不同的引腳上產(chǎn)生分辨率最高為10位的PWM信號。通過單輸出、半橋輸出、全橋輸出正向模式、全橋輸出反向模式四種PWM輸出模式實現(xiàn)：要選擇一種增強型PWM模式，只須對特殊功能寄存器CCPlCON中的P1M位進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置。PWM輸出與I/O引腳復(fù)用，并被稱為P1A、P1B、P1C和P1D。PWM引腳的極性是可配置的.通過對CCPlCON寄存器中的CCPlM位進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置來選擇極性。增強型PWM模塊的簡化框圖如圖2所示。此PWM功能可用于電機反轉(zhuǎn)控制的軟啟停技術(shù)。

1.2.3分布式電源設(shè)計

汽車電源由于采用蓄電池供電，輸入電壓波動大，穩(wěn)壓難度大。依據(jù)主、副控CPU均需在很小的電壓波動幅度下工作這一特性，當(dāng)工作電壓變化幅度過大，將降低能耗效率，同時也會對單片機、對ESCL各模塊工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。所以，ESCL需要一個能應(yīng)對寬電壓輸入波動，同時具有高穩(wěn)定輸出的一個電源模塊，確保系統(tǒng)正常運行。分布式電源設(shè)計如圖3所示。

由于系統(tǒng)采用雙CPU設(shè)計，故2個不同的CPU采用分布式供電。輔控CPU PICl933具有較寬的工作電壓范圍，工作電壓波動范圍可達(dá)2.0～5.5v。與之配套的電源DC-DC變換芯片是L4949ED。這個芯片輸入電壓的變化范圍為DC 5～28v，有23v左右的允許波動范圍。輸出電壓穩(wěn)定度5V±1%，其電流輸出可達(dá)到100mA。完全可以滿足本設(shè)計中PIC1933單片機最小系統(tǒng)的正常工作。如圖3所示，DC-DC變換電路L4949ED其輸出VDD為TFL電平工作部件供電，除給PICl933供電外，同時還給主控CPU UPD70F3614的B-E組10口供電，故VDD功率為這兩組供電功率之和。從這一個支路來分析，蓄電池電壓輸入在DC 10.8～14.8v約有4v左右的波動范圍，遠(yuǎn)小于L4949ED允許23v的波動范圍。第2個分布式支路，由三端穩(wěn)壓器NCV4264來完成。輸入也是寬范圍DC（4.5～45v），也完全覆蓋了汽車蓄電池電壓的波動范圍。這兩個芯片具有良好的抗輸入電壓波動的能力。NCV4264輸出電壓如圖3所示EVDD（3.3v）給主控CPU供電，主要為CMOS電平部件供電。第3個電源支路是復(fù)合性芯片UJA1066芯片內(nèi)的電源管理單元。此電路內(nèi)的電源管理單元內(nèi)的兩個輸出，V1為5v，為TFL電平工作單元及上拉部件供電。V2為3.3v，為CAN總線等CMOS工作單元供電;電機驅(qū)動單元主電源由14v蓄電池輸入電源直接供電。

2ESCL中的通信問題

2.1ECSL模塊對外的CAN總線通信

在汽車電子技術(shù)的發(fā)展過程中.出于對安全性能、舒適度、便捷性、低公害、性價比的需求，許多電控系統(tǒng)被工程師開發(fā)出來。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”“借助多個LAN，大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，德國電氣商博世公司在1986年開發(fā)出了面向汽車的CAN總線通信協(xié)議，現(xiàn)已是歐洲汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CAN總線通信也已經(jīng)ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織確認(rèn)14J。

CAN總線上的通信節(jié)點沒有主從的分別，各節(jié)點都可以在總線空閑時互相通信。CAN總線最高通信速率可達(dá)1Mbit/s，通信距離最長可達(dá)30m。CAN總線通信因為其高效性，用于主控芯片UPD70F3614與一鍵啟動系統(tǒng)基站及其他CAN總線模塊的通信。其CAN通信單元架構(gòu)如圖4所示。CAN通信的建立需要CAN初始化時要對時鐘、位定時、通信速度、接收規(guī)則、緩沖區(qū)設(shè)置。（包括對時鐘和10配置）、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、CAN數(shù)據(jù)接收、主函數(shù)等模塊。模塊在待機過程中，可接收不同ID，與本模塊ID不斷進(jìn)行比對.比對正確表示總線呼叫本模塊，啟動相應(yīng)中斷，收發(fā)相關(guān)信息。

2.2ESCL雙CPU內(nèi)部通信

主CPU UPD70F3614單片機與副CPU PICl6F1933之間采用UART異步串行接口實現(xiàn)。

主副CPU之間的通信數(shù)據(jù)量不高，采用1200bit/s。自定義通信協(xié)議如表2所示。

因為是兩個CPU控制一個直流電機.所以務(wù)必對整個ESCL的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)注，定義為“鎖柱狀態(tài)”。鎖柱狀態(tài)與限位開關(guān)的狀態(tài)具有對應(yīng)關(guān)系。限位開關(guān)狀態(tài)標(biāo)注為“開關(guān)狀態(tài)”。正常運轉(zhuǎn)時，鎖柱狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系是邏輯正確的。如果出現(xiàn)機械故障，軟件將分析故障類型，填入故障狀態(tài)中，主副CPU協(xié)同判定，由主CPU向汽車一鍵啟動系統(tǒng)上傳故障狀態(tài)。主CPU控制正轉(zhuǎn)，副CPU控制反轉(zhuǎn)。如主CPU發(fā)出正轉(zhuǎn)命令后，經(jīng)軟啟動+正常運行+軟停止時間后，有一個總的延時上限，如超過這個上限，系統(tǒng)還沒有收到正轉(zhuǎn)限位開關(guān)的信號，這可認(rèn)定為可能出現(xiàn)故障。故障類型有可能是限位開關(guān)的機械故障，也可能是電機本身的故障等等。其判定還需要進(jìn)行信息融合。例如如果懷疑正轉(zhuǎn)限位開關(guān)故障，則還需結(jié)合汽車停車時反轉(zhuǎn)鎖車時反轉(zhuǎn)限位開關(guān)動作是否正常，如果正常則可從反轉(zhuǎn)位開始進(jìn)行延時測試，看是否從反轉(zhuǎn)位限位開關(guān)開始延時后可以觀察到正轉(zhuǎn)延時開關(guān)的正確狀態(tài)，多要素融合判定后才能定義故障類型。

3系統(tǒng)測試

3.1系統(tǒng)初樣與調(diào)試測試

系統(tǒng)初樣PCB必須在項目所提供的方向柱鎖執(zhí)行器的裝配空間內(nèi)完成。

由于方向柱鎖執(zhí)行器空間有限。電控系統(tǒng)必須在有限的空間內(nèi)配合機械布局實現(xiàn)設(shè)計。設(shè)計任務(wù)只能在雙面布局元器件，雙面裝配，全面使用貼片元件的前提下才能完成。電控系統(tǒng)初樣設(shè)計因有前期軟件調(diào)試的需要，主副兩個CPU必須設(shè)計有2個標(biāo)準(zhǔn)的下載接口，主CPU是DIPl4芯，副控CPU是單列5芯。正樣時，此2個顯性標(biāo)準(zhǔn)接口可隱去，用測試針替代。調(diào)試過程采用按單元分布式調(diào)試方法實現(xiàn)。先調(diào)通第1調(diào)試單元的電源部分，如圖6所示。實際調(diào)試時，由于主CPU在電路板的A面，副CPU在電路板的B面以及限位開關(guān)的信號必須裝配在方向柱鎖本體內(nèi)才能調(diào)試等原因，初樣調(diào)試時，用3塊PCB板裝配了3個單元，第1個調(diào)試單元主要裝配分布式電源系統(tǒng)，并要首先調(diào)試通過，才能裝配第1單元的其他元器件。因電源系統(tǒng)不正常時，相關(guān)電路容易損壞，所以在此基礎(chǔ)上裝配第1個調(diào)試單元的主控、副控CPU等相關(guān)部件。第1個調(diào)試單元可以用于獨立調(diào)試對外CAN通信。

可以用于調(diào)試主副控CPU的內(nèi)部通信。限位開關(guān)也可以裝配在第1個調(diào)試單元內(nèi)，以便于模擬方向柱鎖執(zhí)行體的限位開關(guān)動作。如圖6所示，第2個單元是直流電機的H橋驅(qū)動電路，單獨裝配了1個調(diào)試單元，主要是由于驅(qū)動芯片5050的+14v供電不在引腳上，而在貼片電路的反面散熱片上，所以初樣裝配采用手工裝配時要進(jìn)行特殊處理。但因為初樣的第1個調(diào)試單元有2個下載器接口，故不能直接裝入方向柱鎖本體內(nèi)。電路板設(shè)計時，2個限位開關(guān)與方向柱鎖本體機械動作的準(zhǔn)確位置是對應(yīng)的。故在實際聯(lián)調(diào)時，必須要有第3個單元，主要是2個限位器單元，這個單元中裝2個限位器，調(diào)試電路的聯(lián)接關(guān)系上與第1個單元的2個限位器是并聯(lián)關(guān)系。2個單元內(nèi)的限位開關(guān)信號均有效，一個是模擬調(diào)試時有限，一個是實際聯(lián)調(diào)時有效。以上3個單元的調(diào)試可以分布式開展，總電源由實驗室的3A，DC0-30v可調(diào)電源輸出14v實現(xiàn)。如果第1單元的分布式電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以直接由實驗室雙路電源一路輸出5v，一路輸出14v供電，可以進(jìn)行這3個單元的調(diào)試。

電子方向柱鎖的測試可以分為2部分，第1部分是通信模塊的測試，包括模塊對外的CAN總線通信、對內(nèi)的UART通信;第2部分是電機驅(qū)動模塊的測試，需要在使用過程中進(jìn)行包括電機的正反轉(zhuǎn)測試軟啟動測試。最后通過搭建一個簡易汽車方向柱鎖調(diào)試測試系統(tǒng).進(jìn)行汽車電子方向柱鎖的系統(tǒng)測試。

3.2通信模塊測試

方向柱鎖CAN總線的調(diào)試采用ECANtools調(diào)試軟件。與之配套的調(diào)試器為USBCAN-IIPro。

ECANTools調(diào)試軟件有幾種工作模式，可以專門作為輸入，也可以雙工輸入輸出，也可專門作為輸出節(jié)點。CAN總線調(diào)試界面如圖7所示。如果調(diào)試主控CPU UPD70F3614（如圖4所示）的CAN總線專用通信單元時，ECANTools調(diào)試軟件可工作在接收模式。此時ESCL作為一個汽車電子系統(tǒng)中CAN總線的一個節(jié)點，可以呼叫所有相關(guān)的節(jié)點，這些節(jié)點可以是一鍵啟動系統(tǒng)中的一個節(jié)點，如一鍵啟動PEPS系統(tǒng)中的基站節(jié)點;也可以是非PEPS系統(tǒng)中的車身處理系統(tǒng)節(jié)點。

對2個CPU之間UART通信的調(diào)測，可采用通用的串口調(diào)式軟件就可以實現(xiàn)，如串口獵人這樣的集成串口通信軟件，并采用本文3.2節(jié)所述自定義內(nèi)部通信協(xié)議進(jìn)行通信，先對單個的CPU進(jìn)行調(diào)試，單CPU調(diào)試成功后，兩個CPU聯(lián)調(diào)就可以了。定義UART通信波特率為1200bit/s。

4總結(jié)

本文是基于UPD70F3614單片機的智能汽車方向柱鎖電控系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)。本文說明了方向柱鎖的原理及分模塊的實現(xiàn)過程。并對系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)行了全景式說明，并對有關(guān)模塊測試測試進(jìn)行了具體說明。在汽車鎖具配套廠家及有關(guān)項目資助下，一種新型的汽車方向柱鎖ESCL電控系統(tǒng)完成了項目初樣，設(shè)計原理與測試方法得到了較好的驗證。ESCL電控系統(tǒng)小批量的設(shè)計驗證工作正在進(jìn)行中。