基于MC9S12DP256的燃料電池電動(dòng)汽車整車控制器設(shè)計(jì)

燃料電池電動(dòng)汽車整車控制器VCU（VehicleControlUnit）是整個(gè)汽車的核心控制部件，它采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)及其他部件信號(hào)，并做出相應(yīng)判斷后，控制下層的各部件控制器的動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)汽車正常行駛。因此VCU的優(yōu)劣直接影響著整車性能。

燃料電池電動(dòng)汽車整車控制器的研制是“十五”期間國家電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)的關(guān)鍵單元技術(shù)之一。這些關(guān)鍵單元技術(shù)的基礎(chǔ)研究，對(duì)于搶占新一代電動(dòng)汽車制高點(diǎn)、促進(jìn)我國汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展具有重要意義。

1燃料電池電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)

燃料電池電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由整車控制器、燃料電池及其控制器、鎳氫蓄電池組及其控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車輪等部件組成，各部件通過CAN（ControllerAreaNetwork）總線組成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。燃料電池電動(dòng)汽車采用主輔雙動(dòng)力源形式：燃料電池作為主動(dòng)力源，提供汽車行駛的主要?jiǎng)恿?；鎳氫蓄電池組是輔助動(dòng)力源，在汽車行駛中起到“削峰填谷”的作用。

　　
2整車控制器硬件功能電路設(shè)計(jì)

2.1整車控制器功能需求分析

整車控制器相當(dāng)于汽車的大腦，它在汽車行駛過程中執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，具體功能包括：（1）接收、處理駕駛員的駕駛操作指令，并向各個(gè)部件控制器發(fā)送控制指令，使車輛按駕駛期望行駛。（2）與電機(jī)、DC/DC、鎳氫蓄電池組等進(jìn)行可靠通訊，通過CAN總線（以及關(guān)鍵信息的模擬量）進(jìn)行狀態(tài)的采集輸入及控制指令量的輸出。（3）接收處理各個(gè)零部件信息，結(jié)合能源管理單元提供當(dāng)前的能源狀況信息。（4）系統(tǒng)故障的判斷和存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)信息，記錄出現(xiàn)的故障。（5）對(duì)整車具有保護(hù)功能，視故障的類別對(duì)整車進(jìn)行分級(jí)保護(hù)，緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機(jī)及切斷母線高壓系統(tǒng)。（6）協(xié)調(diào)管理車上其他電器設(shè)備。

針對(duì)整車控制器的各項(xiàng)具體功能，進(jìn)行了如圖2所示的硬件設(shè)計(jì)整體規(guī)劃、MCU的選型以及各個(gè)功能電路的設(shè)計(jì)。

2.2MCU的選擇

MCU是整車控制器的核心，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理、邏輯運(yùn)算以及控制的實(shí)現(xiàn)等，MCU的選取是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)過程中最重要的任務(wù)。Motorola公司的HCS12系列16位單片機(jī)　　MC9S12DP256，在運(yùn)算能力、存儲(chǔ)空間、數(shù)字量模擬量輸入輸出以及CAN通訊等方面均有上乘表現(xiàn)，并具有較高的性價(jià)比，使其非常適合用于一些中高檔汽車電子控制系統(tǒng)。

這款單片機(jī)具有預(yù)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)空間大、接口資源豐富等諸多特點(diǎn)：
　?。?）采用STAR12CPU，核心運(yùn)算能力可以達(dá)到50MHz，總線速度可以達(dá)到25MHz，采用優(yōu)化的指令集，使指令的運(yùn)算速度得到很大提高。
　?。?）片內(nèi)集成了256KBFLASH，12KBRAM和4KBE2PROM，完全可以滿足程序?qū)Υ鎯?chǔ)空間的要求。
　?。?）諸多對(duì)外接口，包括五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN接口、兩路異步串行通訊接口、三路同步串行通訊接口、十六路10位A/D接口、一路I2C總線接口、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/O口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、8通道輸入捕捉/輸出比較等。

2.3VCU硬件電路設(shè)計(jì)

整車控制器是一個(gè)多輸入、多輸出、數(shù)模電路共存的復(fù)雜系統(tǒng)，其各個(gè)功能電路相對(duì)獨(dú)立。因此，按照模塊化思想設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)的各個(gè)模塊，主要包括：最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊，電源模塊，CAN通訊模塊，串口通訊模塊，數(shù)模輸入輸出模塊。

2.3.1電源模塊

整車控制器的供電電源來自燃料電池電動(dòng)汽車的鎳氫蓄電池組，其標(biāo)定電壓＋12V。汽車在運(yùn)行過程中，鎳氫蓄電池組的電壓不穩(wěn)定，波動(dòng)非常大，高壓時(shí)可達(dá)到＋17V，低壓時(shí)只有＋9V。電源電壓的不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致整車控制器工作不正常。因此，在電源模塊的設(shè)計(jì)過程中，采用了寬輸入范圍，高輸出精度，大功率的DC/DC電源芯片。另外，由于整車控制器里所使用芯片的供電電壓包括了＋5V和＋12V兩種，所以設(shè)計(jì)時(shí)使用了兩款DC/DC芯片：Infineon公司的TLE4270以及NationalSemiconductor公司的LM2940S-12，其分別具有12V-12V和12V-5V的變壓穩(wěn)壓作用，并具有短路、過壓、過流及溫度過載保護(hù)等功能。通過使用這兩款芯片及其外圍的一些輔助電路（主要是濾波電路），使得電源模塊供電穩(wěn)定可靠。

2.3.2CAN通訊模塊

由于MC9S12DP256片內(nèi)集成了五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN模塊，所以整車控制器的CAN通信模塊不需要添加片外的CAN控制器，只需外加CAN收發(fā)器。所設(shè)計(jì)的CAN通訊模塊采用了PHILIP公司的TJA1040收發(fā)器芯片。該芯片的波特率范圍是60kbps～1Mbps，它具有一個(gè)溫度保護(hù)電路，當(dāng)與發(fā)送器連接點(diǎn)的溫度超過大約165℃時(shí)，會(huì)斷開與發(fā)送器的連接（當(dāng)總線短路時(shí)，更需此溫度保護(hù)電路）［2］。

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，主芯片的CANTXD和CANRXD引腳并不是直接與TJA1040的TXD和RXD兩引腳相連，而是通過高速光耦HCPL-0630后，與TJA1040相連。這樣，當(dāng)總線上有多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。TJA1040與CAN總線的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施：
　?。?）TJA1040的CANH和CANL引腳各自通過一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)TJA1040免受過流的沖擊。
　?。?）CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾，并且有一定的防電磁輻射能力。
　?。?）在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)CAN總線有較高的負(fù)電壓時(shí)，通過二極管的短路可起到一定的過壓保護(hù)作用。

2.3.3數(shù)模輸入輸出模塊

在燃料電池電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中，整車控制器經(jīng)常要發(fā)出一些車輛的啟動(dòng)/停止、鎳氫蓄電池組的閉合/斷開等信號(hào)，即數(shù)字量的輸出。為保證信號(hào)穩(wěn)定可靠，整車控制器置有四路數(shù)字量輸出，并且都大于50mA。設(shè)計(jì)時(shí)采用了繼電器方式的開關(guān)量輸出，該方式是目前最常用的一種輸出方式。所采用的繼電器芯片是Infineon公司的BTS824R，其特點(diǎn)如下［3］：
　?。?）寬電壓范圍輸入，兼容CMOS和TTL電平。
　?。?）加強(qiáng)型電磁兼容設(shè)計(jì)。
　?。?）自帶短路保護(hù)，過載保護(hù)，ESD保護(hù)。
　?。?）自帶過溫切斷保護(hù)。

整車控制器在發(fā)出開和關(guān)信號(hào)的同時(shí)，也在接收相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。在主芯片MC9S12DP256和外面信號(hào)之間采用高速光耦HCPL-0630連接的方式實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換以及信號(hào)隔離。

燃料電池電動(dòng)汽車整車控制器VCU（VehicleControlUnit）是整個(gè)汽車的核心控制部件，它采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)及其他部件信號(hào)，并做出相應(yīng)判斷后，控制下層的各部件控制器的動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)汽車正常行駛。因此VCU的優(yōu)劣直接影響著整車性能。

燃料電池電動(dòng)汽車整車控制器的研制是“十五”期間國家電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)的關(guān)鍵單元技術(shù)之一。這些關(guān)鍵單元技術(shù)的基礎(chǔ)研究，對(duì)于搶占新一代電動(dòng)汽車制高點(diǎn)、促進(jìn)我國汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展具有重要意義。

1燃料電池電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)

燃料電池電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由整車控制器、燃料電池及其控制器、鎳氫蓄電池組及其控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車輪等部件組成，各部件通過CAN（ControllerAreaNetwork）總線組成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。燃料電池電動(dòng)汽車采用主輔雙動(dòng)力源形式：燃料電池作為主動(dòng)力源，提供汽車行駛的主要?jiǎng)恿?；鎳氫蓄電池組是輔助動(dòng)力源，在汽車行駛中起到“削峰填谷”的作用。
　　

2整車控制器硬件功能電路設(shè)計(jì)

2.1整車控制器功能需求分析

整車控制器相當(dāng)于汽車的大腦，它在汽車行駛過程中執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，具體功能包括：（1）接收、處理駕駛員的駕駛操作指令，并向各個(gè)部件控制器發(fā)送控制指令，使車輛按駕駛期望行駛。（2）與電機(jī)、DC/DC、鎳氫蓄電池組等進(jìn)行可靠通訊，通過CAN總線（以及關(guān)鍵信息的模擬量）進(jìn)行狀態(tài)的采集輸入及控制指令量的輸出。（3）接收處理各個(gè)零部件信息，結(jié)合能源管理單元提供當(dāng)前的能源狀況信息。（4）系統(tǒng)故障的判斷和存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)信息，記錄出現(xiàn)的故障。（5）對(duì)整車具有保護(hù)功能，視故障的類別對(duì)整車進(jìn)行分級(jí)保護(hù)，緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機(jī)及切斷母線高壓系統(tǒng)。（6）協(xié)調(diào)管理車上其他電器設(shè)備。

針對(duì)整車控制器的各項(xiàng)具體功能，進(jìn)行了如圖2所示的硬件設(shè)計(jì)整體規(guī)劃、MCU的選型以及各個(gè)功能電路的設(shè)計(jì)。

2.2MCU的選擇

MCU是整車控制器的核心，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理、邏輯運(yùn)算以及控制的實(shí)現(xiàn)等，MCU的選取是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)過程中最重要的任務(wù)。Motorola公司的HCS12系列16位單片機(jī)　　MC9S12DP256，在運(yùn)算能力、存儲(chǔ)空間、數(shù)字量模擬量輸入輸出以及CAN通訊等方面均有上乘表現(xiàn)，并具有較高的性價(jià)比，使其非常適合用于一些中高檔汽車電子控制系統(tǒng)。

這款單片機(jī)具有預(yù)算能力強(qiáng)、存儲(chǔ)空間大、接口資源豐富等諸多特點(diǎn)［1］：
　?。?）采用STAR12CPU，核心運(yùn)算能力可以達(dá)到50MHz，總線速度可以達(dá)到25MHz，采用優(yōu)化的指令集，使指令的運(yùn)算速度得到很大提高。
　?。?）片內(nèi)集成了256KBFLASH，12KBRAM和4KBE2PROM，完全可以滿足程序?qū)Υ鎯?chǔ)空間的要求。
　?。?）諸多對(duì)外接口，包括五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN接口、兩路異步串行通訊接口、三路同步串行通訊接口、十六路10位A/D接口、一路I2C總線接口、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/O口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、8通道輸入捕捉/輸出比較等。

2.3VCU硬件電路設(shè)計(jì)

整車控制器是一個(gè)多輸入、多輸出、數(shù)模電路共存的復(fù)雜系統(tǒng)，其各個(gè)功能電路相對(duì)獨(dú)立。因此，按照模塊化思想設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)的各個(gè)模塊，主要包括：最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊，電源模塊，CAN通訊模塊，串口通訊模塊，數(shù)模輸入輸出模塊。

2.3.1電源模塊

整車控制器的供電電源來自燃料電池電動(dòng)汽車的鎳氫蓄電池組，其標(biāo)定電壓＋12V。汽車在運(yùn)行過程中，鎳氫蓄電池組的電壓不穩(wěn)定，波動(dòng)非常大，高壓時(shí)可達(dá)到＋17V，低壓時(shí)只有＋9V。電源電壓的不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致整車控制器工作不正常。因此，在電源模塊的設(shè)計(jì)過程中，采用了寬輸入范圍，高輸出精度，大功率的DC/DC電源芯片。另外，由于整車控制器里所使用芯片的供電電壓包括了＋5V和＋12V兩種，所以設(shè)計(jì)時(shí)使用了兩款DC/DC芯片：Infineon公司的TLE4270以及NationalSemiconductor公司的LM2940S-12，其分別具有12V-12V和12V-5V的變壓穩(wěn)壓作用，并具有短路、過壓、過流及溫度過載保護(hù)等功能。通過使用這兩款芯片及其外圍的一些輔助電路（主要是濾波電路），使得電源模塊供電穩(wěn)定可靠。

2.3.2CAN通訊模塊

由于MC9S12DP256片內(nèi)集成了五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN模塊，所以整車控制器的CAN通信模塊不需要添加片外的CAN控制器，只需外加CAN收發(fā)器。所設(shè)計(jì)的CAN通訊模塊采用了PHILIP公司的TJA1040收發(fā)器芯片。該芯片的波特率范圍是60kbps～1Mbps，它具有一個(gè)溫度保護(hù)電路，當(dāng)與發(fā)送器連接點(diǎn)的溫度超過大約165℃時(shí)，會(huì)斷開與發(fā)送器的連接（當(dāng)總線短路時(shí)，更需此溫度保護(hù)電路）［2］。

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，主芯片的CANTXD和CANRXD引腳并不是直接與TJA1040的TXD和RXD兩引腳相連，而是通過高速光耦HCPL-0630后，與TJA1040相連。這樣，當(dāng)總線上有多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。TJA1040與CAN總線的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施：
　?。?）TJA1040的CANH和CANL引腳各自通過一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)TJA1040免受過流的沖擊。
　?。?）CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾，并且有一定的防電磁輻射能力。
　?。?）在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)CAN總線有較高的負(fù)電壓時(shí)，通過二極管的短路可起到一定的過壓保護(hù)作用。