一種轎車車門ECU 設(shè)計(jì)

  摘  要： 提出了一種“總體分布、局部集中式”的轎車車門ECU設(shè)計(jì)，ECU之間以CAN總線方式通信。以英飛凌公司XC164CS微控制器和TLE8201、BTS781功率驅(qū)動(dòng)芯片為核心設(shè)計(jì)了車門ECU的硬件電路；在XC164CS上移植了μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了任務(wù)劃分和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì),最后搭建了整個(gè)車門控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)性能。

隨著科技的飛速發(fā)展，為了提高行車的舒適性，針對(duì)轎車的車門控制系統(tǒng)，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)了基于CAN、LIN等總線系統(tǒng)的完全分布式控制方案。

轎車車門電子控制器是每一輛現(xiàn)代轎車都必須安裝的模塊。轎車車門的基本配置包括電動(dòng)車窗和中控鎖（門鎖）、前車門后視鏡、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、禮貌燈等，這些功能可相對(duì)獨(dú)立配置，具有可裁剪性，可按用戶需求增減。由于電子技術(shù)的進(jìn)步和集成電路制造工藝的發(fā)展，目前車門模塊電子控制器的主流是采用高集成度的芯片控制方式。本文基于英飛凌公司生產(chǎn)的高集成度專用門控芯片TLE8201和BTS781，給出了一種新的車門控制解決方案。

1 車門ECU總體設(shè)計(jì)方案

目前流行兩款車門ECU方案，即集中式控制方案和分布式控制方案。其中，集中式控制是將電動(dòng)車窗、后視鏡、門鎖等負(fù)載的控制集中由車身中央控制器完成，這樣可降低整體成本，但增加了控制器的復(fù)雜性；而且控制過于集中、尺寸偏大，不利于安裝、布線和散熱。而分布式控制方案為奧迪、大眾等汽車公司所采用，每個(gè)車門內(nèi)的負(fù)載由各自的ECU模塊單獨(dú)控制，也可由駕駛員側(cè)ECU通過CAN總線控制。在這種方案中，兩個(gè)前門ECU連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)，后面兩個(gè)車門的ECU可通過CAN總線或LIN總線方式相互通信，或直接由車身中央控制器模塊驅(qū)動(dòng)。分布式方案控制簡單，但成本偏高。

借鑒以上兩種控制方案的優(yōu)點(diǎn)，本課題組設(shè)計(jì)了一種“總體分布，局部集中式”的控制方案，其框圖如圖1所示，即將左側(cè)前后兩個(gè)車門的控制作為一個(gè)ECU模塊，右側(cè)前后兩個(gè)車門的控制作為另一個(gè)ECU模塊，兩個(gè)模塊之間以及模塊與中央控制器之間均以CAN總線方式連接。


本設(shè)計(jì)方案成本適中，易于布線和控制，是基于集中式和分布式控制優(yōu)勢的一種折中。本設(shè)計(jì)中的中央控制器模塊可模擬特殊的診斷或信息顯示功能等，并可用于驗(yàn)證所做設(shè)計(jì)的正確性，實(shí)際的車門控制節(jié)點(diǎn)并不包含此模塊。
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2 車門ECU硬件設(shè)計(jì)

本車門控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。本系統(tǒng)選用的微控制器為英飛凌公司生產(chǎn)的XC164CS，其MAC單元增加了DSP功能來處理數(shù)字濾波算法，從而大大縮短了乘除運(yùn)算的時(shí)間；五級(jí)流水線結(jié)構(gòu)、大多數(shù)的單周期指令、可遍尋地址空間的PEC傳送提高了系統(tǒng)性能。片上調(diào)試系統(tǒng)（OCDS）支持對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。XC164CS出色的性能還適合于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植。


TLE8201是英飛凌公司新推出的專用于車門控制的一款高集成度芯片，該芯片內(nèi)部有6個(gè)半橋結(jié)構(gòu)電路及5個(gè)單獨(dú)的高邊開關(guān)。這款多MOS管集成的功率芯片其MOS管具有不同的導(dǎo)通電阻，可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同功率負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。針對(duì)車門控制模塊，可完成門鎖、后視鏡X-Y方向、后視鏡折疊、后視鏡除霜、車門燈光等的控制功能，并具有完善的保護(hù)和診斷功能。

功率驅(qū)動(dòng)芯片BTS781完成電動(dòng)車窗的升降驅(qū)動(dòng)控制。BTS781的4個(gè)MOS管構(gòu)成H橋電路，可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制，并具有完善的保護(hù)和故障診斷功能。這些特點(diǎn)可保證車窗電機(jī)控制的可靠性。

TLE6250是CAN收發(fā)器，是ECU之間的CAN通信接口。

電路設(shè)計(jì)中主要以TLE8201和BTS781芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，以配合軟件完成相應(yīng)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)功能。其中以TLE8201為核心的電路設(shè)計(jì)如圖3所示（每個(gè)ECU 由兩個(gè)TLE8201分別控制前、后門的門鎖、后視鏡和燈），以BTS781為核心的電路設(shè)計(jì)如圖4所示（每個(gè)ECU由2個(gè)BTS781分別控制前、后門的車窗升降）。由圖3可見，以TLE8201為核心的門鎖、后視鏡、燈控制電路非常簡潔，減小了電路板面積，提高了可靠性。以BTS781為核心的車窗升降控制電路通過對(duì)車窗電機(jī)電流的檢測和濾波放大，在軟件配合下可實(shí)現(xiàn)車窗防夾功能。右側(cè)ECU單元與左側(cè)ECU單元設(shè)計(jì)類似。

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3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)在XC164CS微控制器上的移植

本系統(tǒng)的車門ECU采用基于μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在完成μC/OS-Ⅱ的移植后，可極大地簡化應(yīng)用程序的編寫，便于調(diào)試、維護(hù)和移植，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且可根據(jù)用戶的需求裁剪各項(xiàng)功能，容易添加新功能，縮短開發(fā)時(shí)間。因此，本系統(tǒng)的車門ECU設(shè)計(jì)首先要完成μC/OS-Ⅱ在 XC164CS上的移植，之后以任務(wù)添加方式完成整個(gè)ECU的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。

所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。雖然大部分的μC/OS-Ⅱ代碼是用C語言編寫的，但仍需要用匯編語言寫一些與處理器相關(guān)的代碼，這是因?yàn)?mu;C/OS-Ⅱ在讀寫處理器寄存器時(shí)只能通過匯編語言來實(shí)現(xiàn)。

要使μC/OS-Ⅱ正常運(yùn)行，處理器及其編譯器必須滿足以下要求：

(1)處理器的C編譯器可產(chǎn)生可重入代碼；

(2)用C語言可以打開和關(guān)閉中斷；

(3)處理器支持中斷，并且可產(chǎn)生定時(shí)中斷(通常在10 Hz～100 Hz之間)；

(4)處理器支持可容納一定量數(shù)據(jù)(可能是幾千字節(jié))的硬件堆棧；

(5)處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲(chǔ)到堆棧或內(nèi)存中的指令。

XC164CS微控制器和Keil C166編譯器可滿足以上要求。移植工作主要關(guān)注如何使μC/OS-II正確地定義和使用XC164CS。首先是芯片的中斷處理機(jī)制，即如何開啟、屏蔽中斷，可否保存前一次中斷狀態(tài)等。此外，還需關(guān)注系統(tǒng)對(duì)于存儲(chǔ)器的使用機(jī)制，諸如內(nèi)存的地址空間、堆棧的增長方向、壓棧和出棧的指令等。
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具體來說，由于μC/OS-II自身的代碼絕大部分都是用ANSI C代碼編寫的，而且代碼的層次結(jié)構(gòu)十分簡潔，與平臺(tái)相關(guān)的移植代碼僅僅存在于OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C以及OS_CPU.H三個(gè)文件當(dāng)中。因此，移植工作涉及此三個(gè)文件，并做了相應(yīng)的代碼修改，完成了?滋C/OS-Ⅱ在XC164CS上的移植工作。

3.2 車門ECU任務(wù)劃分及任務(wù)添加

本設(shè)計(jì)把控制任務(wù)劃分為表1所示的四個(gè)主要任務(wù)。


根據(jù)以上任務(wù)劃分，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。


按以上設(shè)計(jì)方案，本課題設(shè)計(jì)了一種“總體分布、局部集中式”的轎車車門系統(tǒng)控制方案。測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的車門控制系統(tǒng)可完全實(shí)現(xiàn)車窗升降(帶防夾控制)、后視鏡X-Y方向控制及折疊、門鎖開關(guān)等控制功能。本系統(tǒng)經(jīng)長時(shí)間測試，工作正常、可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。