楊少柏 李偉 王林華 張揚(yáng)清 張家文

摘 ?要：汽車空調(diào)控制系統(tǒng)在整個(gè)汽車空調(diào)系統(tǒng)中類似于大腦，影響汽車空調(diào)控制邏輯和車內(nèi)環(huán)境溫度控制的準(zhǔn)確性，直接關(guān)系用戶在車內(nèi)舒適程度體驗(yàn)。本文主要介紹以飛思卡爾MC9S12G128單片機(jī)為主控芯片，集成CAN，LIN通信，多種傳感器采集和多執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成功使用于商用車領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào);飛思卡爾MC9S12G128單片機(jī);控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U463 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）05-0096-05

Abstract： The automobile air conditioning control system is similar to the brain in the whole automobile air conditioning system， which affects the control logic of automobile air conditioning and the accuracy of the temperature control in the car， and directly relates to the user's comfort experience in the car. This paper mainly introduces the control system with freescale MC9S12G128 MCU as main control chip， integrated CAN， LIN communication， a variety of sensor acquisition and multi-actuator， which has been successfully used in the field of commercial vehicles.

Key Words： Automotive Air Conditioning; Freescale MC9S12G128 Single-chip; Control System

隨著汽車半導(dǎo)體技術(shù)的日益發(fā)展，芯片在汽車中運(yùn)用的越來(lái)越多，汽車中電子化智能化的零件會(huì)越來(lái)越多，汽車空調(diào)的智能化程度也越來(lái)越被客戶重視，以往機(jī)械化的空調(diào)在目前的市場(chǎng)中很難達(dá)到客戶的要求。同時(shí)汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，只有更加智能的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)才能在前市場(chǎng)中脫穎而出，才能為客戶提空更加舒適的車內(nèi)氣候環(huán)境。

該汽車空調(diào)控制系統(tǒng)使用飛思卡爾MC9S12G128 單片機(jī)為主控芯片，對(duì)蒸發(fā)器溫度傳感器，室內(nèi)室外溫度，PM2.5，陽(yáng)光傳感器周期性采集。通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片L9826驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制混合風(fēng)門，模式風(fēng)門，內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門。同時(shí)協(xié)調(diào)鼓風(fēng)機(jī)，冷凝風(fēng)扇，壓縮機(jī)最終達(dá)到客戶對(duì)環(huán)境舒適度的要求。

1 ? ?汽車空調(diào)溫控原理

整個(gè)溫控系統(tǒng)是基于空調(diào)殼體進(jìn)行控制的，空調(diào)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)改變門風(fēng)的位置從而改變出風(fēng)模式，此汽車空調(diào)系統(tǒng)中模式風(fēng)門通過(guò)步進(jìn)電機(jī)改變出風(fēng)位置達(dá)到改變吹風(fēng)模式的功能，如吹臉，吹腳等模式。內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門通過(guò)步進(jìn)電機(jī)改變出風(fēng)位置選擇外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。混合風(fēng)門也是同樣的道理。最終配合駕駛艙內(nèi)外溫度調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速使整個(gè)駕駛艙環(huán)境溫度達(dá)到客戶舒適的程度。汽車空調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示：

2 ? ?硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ? 主控芯片

當(dāng)前市場(chǎng)上出售的單片機(jī)種類非常多，但是在能夠滿足汽車要求的單片機(jī)中，飛思卡爾單片機(jī)具有精簡(jiǎn)指令集、運(yùn)行速度快，芯片實(shí)時(shí)性好、IO帶負(fù)載能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，而飛思卡爾單片機(jī)中MC9S12G128是經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化后的16bits MCU，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，功耗低，功能集成度高，PIN腳少但復(fù)用度高。Flash memory 128Kbytes，三路SCI，SPI，八路PWM，十二路10bit ADC，同時(shí)具備看門狗定時(shí)器，能有效防止電壓波動(dòng)、emc、軟硬件意外故障造成的死機(jī)現(xiàn)象，片內(nèi)也有二極管保護(hù)電路，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到產(chǎn)品的需要。

2.2 ? 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

控制風(fēng)門的步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)芯片選用ST公司的L9826芯片，該芯片是一個(gè)八路低側(cè)驅(qū)動(dòng)芯片專用于汽車領(lǐng)域，有片選引腳NCS和復(fù)位引腳NRES，通過(guò)SPI控制八個(gè)out的輸出，其中CLK為時(shí)鐘引腳，SDO為數(shù)據(jù)輸出，SDI為數(shù)據(jù)輸入。另外該芯片輸出電流能力可以達(dá)到450Ma，且具有過(guò)壓、欠壓，負(fù)載短路、過(guò)熱等保護(hù)，完全可以滿足步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求。因?yàn)槟Ｊ斤L(fēng)門，混合風(fēng)門，內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門使用了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，所以此控制器使用了兩片L9826芯片。

2.3 ? CAN總線驅(qū)動(dòng)

該控制器的CAN通信使用恩智浦半導(dǎo)體公司的TJA1042芯片，這款芯片是專門為汽車行業(yè)高速CAN通信設(shè)計(jì)，傳輸速率能夠達(dá)到1MBITS/S，比TJ1040有更強(qiáng)的抗靜電能力，并且完全符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 ? Lin總線驅(qū)動(dòng)

為了滿足控制器對(duì)不同車型的兼容性和平臺(tái)化研發(fā)需要，該控制器同時(shí)集成了LIN功能，選用了NXP的TJA1021芯片，NXP 公司的TJA1021是LIN 2.0/SAE J2602收發(fā)器。它在本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）主/從協(xié)議控制器和LIN中物理總線間進(jìn)行接口。TJA1021和LIN 2.0/SAE J2602標(biāo)準(zhǔn)兼容，在車內(nèi)的子網(wǎng)絡(luò)的波特速率從1 kBd 到 20 kBd。TJA1021與TJA1020是兼容的，在TJA1020基礎(chǔ)上加強(qiáng)的靜電保護(hù)能力。

2.5 ? 鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)中有簡(jiǎn)單調(diào)速模塊，所以單片機(jī)只需要輸出PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)積分電路和運(yùn)放就可以實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速，通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比來(lái)改變鼓風(fēng)機(jī)的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)的調(diào)速功能。

2.4 ? ADC采集電路

該電路為典型的ADC采集電路，加入RC提高抗干擾能力，通過(guò)該電路采集蒸發(fā)器溫度傳感器，室內(nèi)室外溫度傳感器和吹腳溫度傳感器等各類傳感器電壓。單片機(jī)AD引腳為10bits所以精度準(zhǔn)確。配合傳感器RT表可以準(zhǔn)確的顯示需要的數(shù)據(jù)。

3 ? ?軟件設(shè)計(jì)

3.1 ? 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)

該控制器軟件編程部分是在codewarrior IDE平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，并使用平臺(tái)自動(dòng)生成軟件功能PE，完成底層驅(qū)動(dòng)代碼自動(dòng)生成，免除了繁瑣的寄存器配置。只需要對(duì)生成的函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。例如ADC驅(qū)動(dòng)，PWM驅(qū)動(dòng)，CAN總線和LIN總線，SPI，SCI都可以直接通過(guò)PE生成已經(jīng)配置好寄存器的封裝函數(shù)，大大減少了研發(fā)時(shí)間，提高了研發(fā)效率。

3.2 ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)槭褂么蠹易畛Ｓ玫腸語(yǔ)言編程，軟件可讀性非常強(qiáng)，方便了后期的維護(hù)升級(jí)。程序主要包括初始化，傳感器檢測(cè)采集，自動(dòng)控制計(jì)算，風(fēng)量控制，各種風(fēng)門的控制，壓縮機(jī)控制等，主程序任務(wù)調(diào)度如圖8所示：

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對(duì)單片機(jī)IO端口，AD模塊，spi，定時(shí)器，can lin等進(jìn)行初始化設(shè)置，接著使用時(shí)間片調(diào)度的方法，對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)執(zhí)行先于優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)，每10ms采集一次電池電壓和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，并且接受LIN總線或者CAN總線發(fā)過(guò)來(lái)的信息。每50ms完成控制邏輯判斷，執(zhí)行相應(yīng)的執(zhí)行器，鼓風(fēng)機(jī)，冷凝風(fēng)扇，壓縮機(jī)等，每100ms該控制器通過(guò)can總線或者Lin總線將狀態(tài)信息發(fā)送給整車或者其他控制器。

在此過(guò)程中主程序會(huì)加上看門狗清零程序，每隔一段時(shí)間就會(huì)使用看門狗清零，一旦沒(méi)有清零，看門狗溢出，就會(huì)發(fā)出復(fù)位信息，單片機(jī)就會(huì)產(chǎn)生復(fù)位。

4 ? ?硬件PCB及軟件通信驗(yàn)證

使用ORCAD中的ALLEGRO完成PCB的布局布線，該控制器使用4層板設(shè)計(jì)，數(shù)字信號(hào)線與模擬信號(hào)線嚴(yán)格劃分，避免信號(hào)間的干擾。驅(qū)動(dòng)電路的布線在可以走寬線時(shí)盡可能的加寬。對(duì)于晶振的部分，信號(hào)線差分對(duì)稱。整個(gè)布線效果見(jiàn)圖9：

通過(guò)MUXTRACE軟件可以時(shí)時(shí)監(jiān)控控制器信號(hào)的收發(fā)情況，能夠直觀的反應(yīng)控制的軟件的工作情況，如圖10可以看見(jiàn)該系統(tǒng)收發(fā)正常，

具體協(xié)議需要見(jiàn)圖11，不同車企對(duì)協(xié)議的制定不同，這里不做具體討論。

5 ? ?總結(jié)

該控制器使用飛思卡爾16位單片機(jī)作為MCU，硬件方面嚴(yán)格通過(guò)了第三方EMC實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。軟件方面使用時(shí)間片調(diào)度的方式使代碼整潔易讀，方便維護(hù)，且不同任務(wù)之間不沖突，實(shí)時(shí)性高，負(fù)載率低。目前該控制機(jī)已經(jīng)使用在多家整車廠，能夠在各種工況下正常工作，可靠性強(qiáng)，得到客戶的廣泛好評(píng)。

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