汽車電子電路設(shè)計(jì)圖集錦 —電路圖天天讀（223）

　　隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車上的電子控制系統(tǒng)數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。以ECU為核心的車載電子控制系統(tǒng)逐步取代了被動(dòng)器件和機(jī)械系統(tǒng)，同時(shí)也完成了大多數(shù)測(cè)量、驅(qū)動(dòng)和控制的功能。由于新型車載電子控制系統(tǒng)在車輛應(yīng)用中的增加，導(dǎo)致對(duì)電源負(fù)載以每年約100W的速度增加。當(dāng)前所面臨的最大挑戰(zhàn)是在相同的電池電源條件下，找到新的方法來(lái)保證汽車電子設(shè)備的數(shù)量及功能的不斷增加。故在實(shí)際應(yīng)用中需要MCU的功耗持續(xù)降低。

　　汽車電源電子電路圖

　　LM2940： 5V，壓差0.5V 選擇了2940這種串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源芯片，它具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，用其為單片機(jī)、激光傳感器和編碼器供電；LM1117-ADJ：舵機(jī)的6V電壓；LM1117-3.3：無(wú)線模塊的3.3V電壓

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　　LM2940:5V LM1117-ADJ：舵機(jī)的6V電壓

　　使用智能車競(jìng)賽統(tǒng)一配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用7.2V 2000mAh Ni-cd供電，而單片機(jī)、激光傳感器、光電編碼器等均需要5V電源，伺服舵機(jī)（包括前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)和后輪剎車舵機(jī)）的額定工作電壓為6V，直流電機(jī)可直接 用7.2V電池直接供電。 5V穩(wěn)壓電源用于單片機(jī)、激光傳感器模塊、光電編碼器模塊供電。

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　　實(shí)驗(yàn)證明，用LM2940搭建成的5V穩(wěn)壓電路［給這些模塊供 電，能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)功能，且各個(gè)模塊不會(huì)互相干擾，整個(gè)電路簡(jiǎn)單實(shí)用。 舵機(jī)穩(wěn)壓電源由LM2941組成的穩(wěn)壓電路提供，其輸出電壓可調(diào)（通過(guò)調(diào)節(jié)圖中的10k電位器）

　　由于整個(gè)系統(tǒng)中+5V 電路功耗較小，為了降低電源紋波，考慮使用線性穩(wěn)壓電路。另外，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)，電池電壓壓降較大，為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，必須使用低壓降電源穩(wěn)壓芯片，常用的低壓降串聯(lián)穩(wěn)壓芯片主要有2940、1117等等。2940 雖然壓降比1117 更低，但是紋波電壓較大。相比之下，1117 的性能更好一些，具有輸出電壓恒定，壓降較低的優(yōu)點(diǎn)，但是其線性調(diào)整工作方式在工作中會(huì)造成較大的熱損失，導(dǎo)致電源利用率不高，工作效率低下。 TPS7350 是微功耗低壓差線性電源芯片，具有完善的保護(hù)電路，包括過(guò)流，過(guò)壓， 電壓反接保護(hù)。使用這個(gè)芯片只需要極少的外圍元件就能構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。與前兩種穩(wěn)壓器件相比，TPS7350 具有更低的工作壓降和更小的靜態(tài)工作電流，可以使電池獲得相對(duì)更長(zhǎng)的使用時(shí)間。由于熱損失小，因此無(wú)需專門考慮散熱問(wèn)題。

　　LM7806是6V穩(wěn)壓芯片，這個(gè)芯片的選定是專門為本次車模的舵機(jī)而設(shè)計(jì)的，之前A車模的舵機(jī)一般供電都是電源電壓，但是根據(jù)B車模舵機(jī)容易損毀的特點(diǎn)，必須將供電的電壓值降低，因此選定了LM7806作為6V穩(wěn)壓芯片。

　　LM1117-3.3V是3.3V穩(wěn)壓芯片，LM1117有兩個(gè)型號(hào)，分別是5V穩(wěn)壓和3.3V 穩(wěn)壓，3.3V穩(wěn)壓芯片主要是用于為加速度傳感器MMA7260供電。

　　電路系統(tǒng)是智能汽車硬件系統(tǒng)的核心，對(duì)于本硬件電路系統(tǒng)而言，穩(wěn)定性是需要優(yōu)先保證的性能指標(biāo)，畢竟跑完全程才是取得成績(jī)的前提。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)綜合考慮智能汽車的動(dòng)力性、重心及電路板的緊湊性等其他指標(biāo)。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為智能汽車的行駛提供動(dòng)力，它的性能直接影響到后輪電機(jī)的控制性能，包括加速、減速與制動(dòng)等性能。本文采用MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片加全橋驅(qū)動(dòng)方案，只需合理的選擇MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片和功率MOSFET 以保證性能即可。電路圖如圖6 所示。

　　舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　舵機(jī)負(fù)責(zé)智能汽車的轉(zhuǎn)向，舵機(jī)模塊能否穩(wěn)定工作直接影響到智能汽車在賽道上高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)向時(shí)的靈敏度和精確度。舵機(jī)工作原理為：舵盤角位由單片機(jī)發(fā)出的PWM 控制信號(hào)的脈寬決定，舵機(jī)內(nèi)部電路通過(guò)反饋控制調(diào)節(jié)舵盤角位。由于自身即為角度閉環(huán)控制，而且性能較好，故系統(tǒng)中就不必考慮外加舵機(jī)閉環(huán)。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖7 所示。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊同樣屬于功率部分，用6N137光耦進(jìn)行信號(hào)隔離。

　　智能車輛是一個(gè)涉及多領(lǐng)域的復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，要達(dá)到實(shí)用的目的，還要進(jìn)一步深入下研究去，還有許多工作要做。在硬件上還需要解決因攝像頭自身精度的差異或其因外部因素丟失數(shù)據(jù)導(dǎo)致影響智能車正常運(yùn)行的問(wèn)題，增強(qiáng)抗干擾能力；在軟件上，還需要進(jìn)一步優(yōu)化算法，控制系統(tǒng)是智能汽車的核心內(nèi)容，針對(duì)智能汽車的功能需求，對(duì)智能汽車控制系統(tǒng)關(guān)鍵模塊進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)的各模塊被應(yīng)用于“飛思卡爾”智能汽車中，文中各圖對(duì)智能汽車的研究具有啟發(fā)作用。

　　解讀NCV70522汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)電路

　　通?？梢酝ㄟ^(guò)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）來(lái)判斷電機(jī)堵轉(zhuǎn)與否。BEMF 因電機(jī)速度、負(fù)載及供電電壓的不同而變化。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片無(wú)BEMF 輸出，但包含內(nèi)置堵轉(zhuǎn)檢測(cè)算法?？蛻魞H可以在寄存器里設(shè)定固定的堵轉(zhuǎn)認(rèn)定臨界值，這表示在真實(shí)道路條件下所有設(shè)定值都必須在工作之前“離線”預(yù)設(shè)，而不能適配真實(shí)工作條件。NCV70522微步步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器透過(guò)SLA 引腳提供BEMF 輸出，這表示它能實(shí)時(shí)進(jìn)行停轉(zhuǎn)檢測(cè)計(jì)算，并根據(jù)不同條件來(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)等級(jí)。

　　算法應(yīng)用

　　NCV70522是一款微步步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于雙極型步進(jìn)電機(jī)。這芯片通過(guò)I/O 引腳及SPI 接口連接至外部微控制器。NCV70522輸出電流有多種選擇。它根據(jù)“NXT”輸入引腳上的脈沖信號(hào)以及方向寄存器［DIRCTRL］或“DIR”輸入引腳的狀態(tài)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)下一個(gè)微步。這器件提供從滿步到32微步的細(xì)分、由SPI 寄存器SM［2:0］來(lái)選擇的7種步進(jìn)模式。NCV70522包含SLA 的輸出，可以用于堵轉(zhuǎn)檢測(cè)算法及根據(jù)電機(jī)的BEMF 來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和速度計(jì)算。典型應(yīng)用電路圖如圖所示。

　　當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)候，微控制器就會(huì)初始化，NCV70522復(fù)位。這些動(dòng)作完成時(shí)，線圈電流及步進(jìn)模式將被設(shè)定。然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將啟用。NXT 脈沖將被發(fā)送實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)速等于NXT 脈沖頻率乘以步進(jìn)細(xì)分模式的值。

　　一種嵌入式汽車數(shù)字儀表電路設(shè)計(jì)

　　電源和復(fù)位電路設(shè)計(jì)

　　該汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)采用汽車蓄電池供電，汽車蓄電池的電壓約為12 V，而該系統(tǒng)需采用5 V、2.5 V和3.3 V工作電壓，S3C44BOX內(nèi)核工作電壓是2.5 V，I／O端口的工作電壓是3.3 V，調(diào)理電路以及一些驅(qū)動(dòng)器件需用5 V的工作電壓。因此，系統(tǒng)選用7805穩(wěn)壓器作為5 V電壓轉(zhuǎn)換器，選用AS2515AU2.5和AS2515AU3.3分別作為2.5 V和3.3 V電壓轉(zhuǎn)換器。掉電時(shí)能夠及時(shí)存儲(chǔ)里程信息，電源地需接一只1 000 μF的電容。掉電時(shí)，大電容可以確保S3C44BOX工作一段時(shí)間，完成里程信息的存儲(chǔ)。復(fù)位電路采用專用的復(fù)位電路IPM811實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定啟動(dòng)。圖2 為系統(tǒng)電源電路。

　　車速、水溫、油量以及開(kāi)關(guān)量的處理電路設(shè)計(jì)

　　由于汽車大多工作在惡劣環(huán)境下，將干擾車速傳感器信號(hào)，因此在輸入至中斷端口EINT0前需要對(duì)車速脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，這里采用RC濾波、三極管放大以及斯密特整形方法調(diào)理車速脈沖信號(hào)。車速脈沖調(diào)理電路如圖3所示。

　　水溫、油量信號(hào)是電阻信號(hào)，須轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再將其電壓信號(hào)輸入至S3C44BOX的AD端口。而其他開(kāi)關(guān)量則經(jīng)過(guò)濾波降壓后輸入至S3C44BOX的I／O端口。

　　CAN總線通信電路設(shè)計(jì)

　　S3C44BOX無(wú)SPI接口，但有SIO接口，SIO模塊的發(fā)送和接收既可在上升沿鎖存數(shù)據(jù)位，也可在下降沿鎖存數(shù)據(jù)位，因此可通過(guò)設(shè)置 S3C44BOX的SIO模塊所對(duì)應(yīng)的寄存器實(shí)現(xiàn)上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，下降沿接收數(shù)據(jù)，從而與MCP2510的SPI總線時(shí)序相配合。CAN總線通信電路如圖 4所示。

　　步進(jìn)電機(jī)表頭電路等。其中步進(jìn)電機(jī)選用Switec的汽車儀表專用步進(jìn)電機(jī)X15.168，以及專用四通道步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件 X12.017。 S3C44BOX的I／O電平為3.3LVCMOS電平，而X12.017是5VCMOS電平，需采用74LVX4245電平轉(zhuǎn)換。

　　采用S3C44BOX與嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS_II設(shè)計(jì)了一款高精度高、高靈敏度、工作穩(wěn)定的嵌入式總線汽車數(shù)字儀表。 S3C44BOX資源豐富、執(zhí)行速度快，能擴(kuò)展很多種功能，如IC卡、GPS、黑匣子等；加之嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序，可高效實(shí)時(shí)地調(diào)用系統(tǒng)任務(wù)，因此本汽車數(shù)字儀表系統(tǒng)能夠很好地解決汽車儀表邁向綜合信息化的問(wèn)題。

　　編輯點(diǎn)評(píng)：汽車電子被認(rèn)為是汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一次革命，提高l了汽車的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和娛樂(lè)性，目前可分為兩大類：一是汽車電子控制裝置，包括動(dòng)力總成控制、底盤和車身電子控制、舒適和防盜系統(tǒng)；二是 車載汽車電子裝置，包括汽車信息系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等。