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硕士论文车身控制器的设计 摘要 随着人们对乘车环境舒适性要求不断提高，汽车电气设备不断增加，汽车电气系统 变得日益复杂，设备控制和故障诊断难度逐步加大。车身控制器可以改善行车环境，其 重要性日益突出。 基于对车身控制器国内外现状及技术的深入研究，本论文设计的车身控制器用于电 气设备集中控制和管理。 在分析车身控制器主要组成部分和功能需求的基础上，提出以t i 公司 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主控芯片进行车身控制器系统设计。本论文主要阐述系统软硬件设计： 硬件外扩s r a m 和f l a s h 存储芯片、r s 2 3 2 接口、c a n 总线接口、车身状态信号采 集单元、车身设备控制单元、故障采集单元和液晶显示单元等；软件设计包括a d 转 换、捕获、p w m 输出、s c i 、s p i 、c a n 总线和液晶显示等功能模块。 论文完成车身控制器的硬件设计和各功能模块软件设计，可以实现对诸如安全气 囊、车内空调、车灯、门锁、汽车后视镜、刮水器和座椅的控制诊断及车身控制器与其 他控制节点通信。 论文设计的车身控制器是嵌入式d s p 技术在汽车电子上的应用，是对车身控制系 统一次有益尝试，其产品化和实用化有待进一步研究和提高。 关键词：车身控制器、t m s 3 2 0 f 2 81 2 k 信号采集单元、控制单元、故障采集 a b s t r a c t a s w ec a ns e ea l o n gw i t ht h er i s i n gt h a tp e o p l ed e m a n dc e a s e l e s s l y f o rt h e c o m f o r t a b l e n e s sa b o u tr i d i n ge n v i r o n m e n ta n dq u a l i t y ，a u t o m o b i l ee l e c t r i ca c c e s s o r yi sk e e p o ni m p r o v i n ga n di n c r e a s i n gc e a s e l e s s l y ，a sw e l la st h ea u t o m o b i l ee l e c t r i c a ls y s t e mb e c o m e s g r a d u a l l ym o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d s t e pb ys t e p ，t h ed i f f i c u l t yo f t h ee q u i p m e n tc o n t r o l a n dm a l f u n c t i o na n a l y s i sd i a g n o s ee n l a r g e dal o t t h ev e h i c l eb o d yc o n t r o l l e r c a ni m p r o v et h e e n v i r o n m e n to fd r i v i n gw h o s es i g n i f i c a n c ei sg r a d u a l l y t ob eo u t s t a n d i n g 。 b a s i n go nl u c u b r a t i n ga b r o a d & i n c o u n t r y c u r r e n ts i t u a t i o no ft h ev e h i c l eb o d y c o n t r o l l e re v e nt h et e c h n o l o g ys t u d y , t h ed e s i g nf o rv e h i c l eb o d yc o n t r o l l e ro ft h i st h e s i si s m a i n l y u s e df o rc o n c e n t r a t i v ec o n t r o l m a n a g e m e n to ft h ee l e c t r i ca c c e s s o r i e s b a s i n go nt h ea n a l y s i s o fv e h i c l eb o d yc o n t r o l l e rm a i ni n g r e d i e n ta n df u n c t i o n r e q u i r e m e n t ，c o m i n go u to n es u g g e s t i o nt h a tt ou s et m s 3 2 0 f 2 8 12o f t ic o m p a n ya sm a s t e r c h i pt op r o c e s st h ed e s i g no fv e h i c l eb o d yc o n t r o l l e rs y s t e m m a i n l ys e tf o r t ht h ed e s i g no f s y s t e m i cs o f t & h a r d w a r e ：h a r d w a r ee x l a r g es r a ma n dt h e f l a s hm e m o r yc h i p ，r s 2 3 2 m e r f a c e ，c a n b u si n t e r f a c e ，v e h i c l eb o d ye s t a t es i g n a l c o l l e c t i o nu n i t ；v e h i c l e b o d y e q u i p m e n tc o n t r o lu n i t ，t h em a l f u n c t i o nc o l l e c t i o n ，a n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc i r c u i te t c t h e s o f t w a r em a i n l yd e s i g ni sa b o u tp w m ，c a p t u r eu n i t ，a d ，s p i ，c a nb u sa n dl i q u i dc r y s t a l d i s p l a ya n d t h eo t h e rs y s t e md e s i g ne r e u p o nt h e s i sa c c o m p l i s h i n gt h ev e h i c l eb o d ys o f t & h a r d w a r e ，c a nr e a l i z et h ed i a g n o s t i c c o n t r o l ，s u c ha st h ec o n t r o lf o ra i r b a g ，v e h i c l ei n n e ra i r - c o n d i t i o n ，c a rl i g h t ，g a t el o c k ， a u t o m o b i l er e a r - v i e wm i r r o r ，w i p e ra n ds e a t ；a l s oc a nr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n v e h i c l eb o d yc o n t r o l l e ra n dt h eo t h e rc o n t r o l l i n gn o d e s t h ev e h i c l eb o d yc o n t r o l l e rt h a tt h et h e s i sd e s i g n si st oi m p l a n tt h ee m b e d d e dd s p t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o no na u t o m o b i l ee l e c t r o n ，i sp r o d u c t r i z a t i o na n dp r a g m a t i c 。r i z a t i o nt o b o d y w o r kn a v a rb e n e f i c i a lt r i a l ，t h ep e r s o nr e m a i n t ob ef u r t h e r ，s t u d i e da n di m p r o v e d k e y w o r d s ：v e h i c l eb o d yc o n t r o l l e r ，t m s 3 2 0 f 2 8 12 ，s i g n a lc o l l e c t i o nu n i t ，t h ec o n t r o lu n i t , t h em a l f u n c t i o nc o l l e c t i o n t 1 i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 d 男年d 月弓d 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盐鱼o g 年。6 月多de l 硕士论文 车身控制器的设计 1 绪论 1 1 课题背景 现代汽车工业已经进入成熟期。在全球范围内，汽车生产能力已形成供大于求的 局面。为了进一步争夺市场，各大汽车公司试图从提高汽车安全性、降低能耗、改善乘 坐舒适性和扩大功能范围等方面提高产品的竞争力。此外，各国政府对尾气排放、安全 及故障自诊断能力的要求越来越严格。随着电子及信息技术的不断发展，为车辆的集中 控制和系统管理提供了实现条伊。 从汽车技术的发展现状看，汽车电子技术是支撑现代汽车发展的基础技术之一。根 据汽车实际使用条件多变的需要，对汽车进行优化综合控制。通常按照汽车电子的作用 把汽车电子划分为发动机电子、底盘电子、车身电子、信息通信与娱乐系统几类【2 j 。 车身控制器能提高行车的舒适性和方便性，车身控制器的重要性日益突出，越来越 多的汽车开始装备高性能的车身控制系统。且车身控制器不像发动机、a b s 等领域缺 乏通用型。鉴于车身控制器广阔的应用前途和通用性，本论文针对车身控制器进行设计 和研究。 1 2 课题研究意义 车身控制器的重要任务是简化操作，减少乘员的手动操作，以免分散乘员的注意力。 汽车车身控制系统包括汽车安全、舒适性控制和信息通讯系统，主要是用于增强汽车的 安全性、舒适性和方便性。 1 ) 增强汽车安全性：安全气囊、安全带、中央防盗门锁； 2 ) 增强汽车舒适性：自适应空调、座椅控制； 3 ) 增强汽车方便性：自动车窗、电动门锁、电动后视镜、电动车顶( 天窗) 等和满足 多种用电设备需求的电源管理系统等。 还有用于和车外联结，以及协调整车各部分电子控制单元的功能，将大量计算机、 传感器与交通管理服务系统联结在一起的综合显示系统、驾驶员信息系统、导航系统、 计算机网络系统、状态监测与故障诊断系统等。 由于电子技术、计算机和信息技术等技术的发展和应用，汽车车身控制器在控制的 精度、范围、适应性和智能化等多方面有了较大发展，实现了汽车优化运行。 12 3 国内外发展现状 全球车身控制器市场正节节攀升，2 0 1 0 年将达6 l 亿美元。随着汽车车身控制器应 1 绪论硕士论文 用复杂性的不断提高，对微控制器的性能要求也越来越高。业界知名的微控制器厂商都 在开发低功耗、高性能、多功能的微控制器以满足不断增加的市场需求。飞思卡尔、英 飞凌、s t 、n x p 、n e c 、m i c r o c h i p 、a t m e l 等在汽车电子领域表现活跃的半导体厂商面 向车身电子控制推出了各具特色的微控制器产品。 近年来车身控制技术在中国开始普及应用，汽车车身控制器市场前景可观，国内汽 车车身控制器市场竞争非常激烈。国内的车身控制器集成控制的电气设备较少、可靠性 低，且所采用的核心芯片、传感器和软件等大部分由国外企业所把持。根据调查，目前 国内有2 0 多家汽车车身控制器生产企业，其中外资企业占了三分之二。外资企业占据 了中国轿车汽车车身控制器配套市场，成为国内主流企业，而国内企业则向客车、商用 车汽车车身控制器市场发展。国内整车厂应用的车身控制模块产品主要采用进口的或者 由国内外资企业生产的产品。国内的车身控制行业还处于起步阶段。 1 4 本人工作 本文通过分析目前车身控制器的控制技术和市场需求设计了方便乘员对汽车车身 设备进行控制的车身控制器，并以此为基础进行了车身控制器的硬件设计和软件设计。 1 硬件设计 一 本设计是以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心搭建硬件电路，微控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为3 2 位 的先进的微控制器，该控制器有着很强的处理能力。本设计接口有r s 2 3 2 接口、c a n 总线接口、模拟量采集接口、转速采集接口、手动开关控制接口、继电器控制接口、小 功率双向电机控制接口、大功率双向电机控制接口、调光电路接口和液晶显示接口等。 这些接口主要负责采集车身电气设备的工作信息、控制车身电气设备和显示车身状态信 息。 一 2 软件设计 。 车身的软件主要完成上电后系统的初始化，对各个模块进行检测，采集车身工作信 息，对车身设备进行控制，接收并执行车内其他控制节点的控制信息，显示车身设备的 状态信息和报警信息。整个车身控制器的软件包括a d 转换模块、捕获模块、开关量 采集模块、开关量输出模块、p w m 波形输出模块、通信模块、l c d 显示模块等几个部 分。 1 5 论文主要内容及章节安排 本论文根据汽车车身控制器的应用，阐述了汽车车身控制器的实现。主要介绍了系 统的硬件实现以及系统各个功能模块的软件实现。 第一章：绪论。介绍了本课题的项目背景、本人的工作及本论文的内容安排； 第二章：车身控制器总体设计。介绍了汽车车身控制器的功能、组成部分，微控制 2 硕士论文车身摔制器的设计 器的选择、系统各个功能模块及微控制器的特点； 第三章：车身控制器硬件设计。结合车身控制器要实现的功能详细介绍了在 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微控制器的基础上所做的硬件设计，最后结合作者在设计印刷电路板时遇 到的问题和解决的方法，阐述了作者设计印刷电路板的心得； 。 第四章：车身控制器软件设计。介绍了本设计的软件开发环境、系统软件的总体设 计，详细阐述了各个功能模块的软件设计； 第五章：结论与展望。根据本论文的进展和遇到的问题对本设计进行总结和展望。 3 硕士论文 车身控制器的设计 车身控制器总体设计 车身控制器可以集中管理车身电气设备，为乘员的操作提供方便性。本章依次介绍 了本车身控制器的功能、组成部分、微控制器的选择、系统设计原则、车身控制器的各 功能模块和微控制器的特点。 2 1 车身控制器的功能 本论文设计的车身控制器是一种电子综合控制装置，它具备的功能如下： 1 ) 接收传感器或其他装置输入的信息，将输入的信息转变为微处理器所能接收的 信号； 2 ) 存储、计算、分析处理信息，分析输出值所用的程序，存储该车型的特点参数、 运算中的数据( 随存随取) 、存储故障信息； 3 ) 运算分析。根据信息参数求出执行命令数据，将输入的信息与标准值对比，查 处故障。 4 ) 输出执行命令。将弱信号转变为执行命令，输出故障信息，自我修正。 2 2 车身控制器的组成部分 本车身控制器主要由输入回路、微控制器和输出回路等三部分组成。车身控制系统 的基本组成如图2 1 所示。 1 ) 输入回路：输入车身控制器的传感器信号有两种：一种是模拟信号；另一种是 数字信号。信号的类型不同，输入车身控制器后的处理方法也不一样。从传感器输出的 信号输入车身控制器后，首先通过输入回路，输入回路将模拟信号和数字信号转换为合 适的电平后信号输入微控制器。 2 ) 微控制器：微控制器的主要功能是根据车身控制的需要，把各种传感器送来的 信号用内存的程序和数据进行运算处理，并把处理结果送往输出回路； 3 ) 输出回路：由于微控制器输出的是电压很低的数字信号，这种信号一般是不能 直接驱动执行元件的，而输出回路的功用就是将微控制器输出的数字信号转变为可执行 元件的输入信号【3 1 。 5 2 车身控制器总体设计硕士论文 厂、 数 - 输 输执 字入 出行 信回 回 一 7 1 5 号 路路 件 微控制器 i o 存储器 模 输 a d 转换 拟入 信回 号 路 捕获模块 c p u 7 图2 2 1 车身控制器的组成 2 3 车身控制器微微控制器的选择 随着汽车车身控制应用复杂性的提高，对微控制器( m c u ) 的性能要求也越来越 高。以前曾用机械方法实现的门控、座椅调节、车内照明和空调系统现在都改成了电子 控制。车身控制系统主要包括c a n 收发器、多开关检测接口、输出电路、电机控制电 路以及用于调试的嵌入式仿真及编程等部分。 根据车身控制器对微控制器的要求采用t i 公司的3 2 位t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字处理器芯 片。其主要功能是能实时快速的实现各种数字信号处理算法，器件上集成了多种先进的 外设，为电机及其它运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。片内有1 2 8 个引脚， 提供了大量的i o 口，同时片内集成了a d 、p w m 、r s 2 3 2 接口、c a n 总线接口。能够满 足车身控制微控制器的要求，因此在本设计选择该芯片作为微控制器。 2 4 车身控制器的特点和设计原则 车身控制器主要有以下特点： 1 ) 经过数十年的迅速发展，车身电子产品日益完善。为了满足日趋严格的排放标 准、逐渐提高的安全性能要求以及对舒适性的要求，车身电子产品的功能变得越来越多， 控制单元模块也越来越复杂。因此，车身控制器系统应能够实现集成化和综合化，应具 备极高的可靠性。 2 1 ) 由于车身控制器系统控制机械系统的传统布局正逐步向机电一体化的设计思路 转变。这样对电子器件的抗震动、耐高温提出极高的要求。因此车身控制器的专用集成 6 硕士论文车身控制器的设计 应尽量的集成分立式传感器和执行器。 3 ) 随着市场对车身控制器性能的要求进步提高，车身控制器系统的开发难点日 益聚焦在开发高可靠性的控制软件上。因此，在对车身控制器进行软件设计时应尽量采 用适合的控制算法。 在设计车身控制系统时，考虑到车身控制器的特殊性。必须遵循下面的原则： 1 ) 舒适性和合理性：例如在一些人性化的配置功能上，乘员可以用手动开关将座 椅后视镜、转向盘调整到最佳位置，然后存储起来。每个乘员可以根据不同的需要设置 不同的位置。 2 ) 安全性和可靠性：如不同的电机有不同的热力特征，在连续驱动电机时应采用 不同的启停控制方案以避免电机过热。本车身控制器考虑采用成熟的技术和产品，在设 计选型和系统的设计中尽量减少故障的发生，选择智能性芯片可以对电气设备的状态进 行监控并反馈给微控制器。 3 ) 科学性和规范性：车身控制系统和一般的系统不同，是一个先进复杂的综合性 系统，必须从系统设计开始，包括调试直到验收的全过程，都要严格按照国家的有关规 定和规范，做好系统的标准化设计和科学的管理工作。 4 ) 先进性和可扩展性：车身控制系统要充分利用现代最新技术，使系统在尽可能 长的时间内与社会发展相适应。由于现代科学技术的飞速发展，故必须考虑到今后的发 展需要，设计要有前瞻性和可扩展性。随着车身电气设备的逐渐增加，在设计本系统时 预留了多个控制接口和检测接口。 2 5 车身控制器各功能模块 本设计中车身控制器的主要功能是针对车体控制单元。主要包括：安全气囊、车灯、 电动门锁、车内空调、汽车后视镜、刮雨器系统、车窗、电动座椅和远光灯调光等的控 制和检测。为了便于车身控制器的调试设计了r s 2 3 2 接口，顺应汽车电子网络化的趋 势设计了c a n 总线接口和其他控制节点进行通信；为了使乘员能实时的了解车身状态， 设计了液晶显示电路。本设计的主要控制对象是继电器、微型电机等。 图2 5 1 系统结构框图 7 2 车身控制器总体设计 硕：忙论文 1 ) 电源模块为整个车身控制器提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要 的地位。本系统中需要的电源是+ 5 v 、一5 v 、3 3 v 和1 8 v 。+ 5 v 和一5 v 电源是微控 制器一些外围的器件工作电压，而3 3 v 和1 8 v 是微控制器i o 口和内核的工作电压。 由于汽车内的电压一般是1 2 v 或2 4 v 。因此必需根据器件输出功率等因素综合考虑选 择电源转换芯片；在本设计中采用l m 2 5 7 6 5 0 、i c l 7 6 6 2 、t p s 7 0 3 5 1 电源转换芯片。 2 ) 在车身控制器中要采集大量的数据，并根据这些数据计算各个功能模块的状况， 在计算过程也会有大量的中间数据，因此必须给微控制器提供足够的数据和堆栈空间。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微控制器提供的1 6 k b 片内s a r a m 存储器不能满足需求，因此本设计 中外扩了一片c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 4 1 b v 3 3s r a m 存储器，存储空间为5 1 2 k b ； 3 ) 车身控制器接受大量的数据，而这些数据的处理，必须要有算法和程序来执行。 另外汽车车身中需要存储汉字字符库和车身的配置信息( 电机的最高转速等) 。而 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的1 2 8 k b 的f l a s h 并不能满足要求，因此，这就需要额外的存储空间 来存储程序代码和配置信息。在此基础上本设计外扩一片a t m e l 公司的a t 4 5 d b 0 2 1 f l a s h 存储器，存储空间为2 5 6 k b ； 4 ) r s 2 3 2 模块的设计主要是为了方便应用程序的调试，同时也可以使车身控制器和 车内其他支持r s 2 3 2 接口的控制节点进行通信。 5 ) 目前汽车电子的网络化是发展趋势，而车内总线基本上是c a n 总线。车身控制 器c a n 总线接口的设计是可以将车身控制器挂接到c a n 总线的节点上，通过c a n 总 线实现与其它控制节点的通信，实现汽车电子的网络化； 6 ) 为了检查汽车的状态，必须从传感器中获得汽车的状态。通过汽车传感器中传 来的信号大都是4 2 0 m a 的电流信号，而t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d 转化模块是0 3 v 的电 压信号。所以必须将其转化为适合的电压信号送入t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d 转化模块中； 7 ) 测试车身控制模块中电机的转速的信息采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的捕获模块。捕获单 元能够捕获到捕获单元外部引脚的跳变，可以从两次跳变的时间差来计算出所捕获的模 块的频率，从而可以计算出转速； 8 ) 在本设计中门锁、车灯控制、安全气囊、空调控制等的控制主要是由继电器开 关控制的。采取由i o 控制继电器开关实现的，i o 信号通过功率放大电路实现对继电器 开关的控制从而实现对设备开关的控制。另外对双向电机的驱动也是通过i o 口来实现 的； 9 ) 汽车中需要控制诸如背景灯和远光灯的调光。引入p w m 模块是为了实现对这些 器件的控制，微控制器输出p w m 信号后同功率放大电路起实现对这些器件的控制； 1 0 ) 故障检测模块是检测受控设备是否正常工作，如果设备出现问题则车身控制器 及时采集到故障信息，并能区分是哪个设备出现了问题。采取的方式是检测外部信号通 过i o 口、a f d 转换等输入微控制器的信号，如果检测到故障，则微控制器通过控制模 硕：上论文车身控制器的设计 块对出现故障的设备作出相应的动作并通过液晶屏显示出来。 1 1 ) 液晶显示主要是显示车身状态信息，如车内温度、报警信息等。 ， 为了降低电路设计的复杂程度，提高系统的抗干扰能力，并且方便调试，作者将微 控制器、微控制器电源电路、s r a m 扩展电路、f l a s h 存储器扩展电路、液晶显示模块、 r s 2 3 2 接口收发模块，c a n 接口收发模块布置在同一块电路板上，构成车身控制器的控 制模块，即“车身控制器电路板：而+ 5 v 电源模块、车身状态信号采集模块、继电器 开关控制模块、双向电机的驱动模块、p w m 信号功率放大模块、故障检测模块放置在 另一块电路板上即“车身控制器电源电路板”上。这两块电路板通过接口连在一起。 2 6 微控制器介绍 图2 6 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 结构图 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微控制器是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 内核的定点数字信号处理器，器件上 集成了多种先进的外设，如图2 6 1 所示。归纳起来，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点是：采用高 9 2 车身控制器总体设计硕士论文 性能的静态c m o s 技术；支持j t a g 边界扫描接口；高性能3 2 位c p u ；片上存储器； 外部存储器扩展接口；时钟和系统控制；三个外部中断；外设中断扩展模块支持4 5 个 外设中断；三个3 2 位定时器；电机外设、串口通信外设；1 2 位模数转换模块；高达5 6 个可配置通用目的v o 引脚；先进的仿真调试功能；低功耗模式和省电模式等( 8 】。 综合考虑了t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的上述特点以后，本论文选择了该芯片作为微控制器， 并结合相应的外围芯片和电路，组成车身控制器。 2 7 本章小结 本章对车身控制器具备的功能和基本组成部分进行了简要的介绍。根据车身控制器 的功能需求选择t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为微控制器，介绍了笔者设计本系统的原则， 最后详细介绍了本论文的功能模块和微控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点。 l o 硕士论文车身控制器的设计 车身控制器硬件设计 车身控制器硬件系统作为实体，为车身控制器的工作提供了基础和条件。良好的硬 件设计是实现整个车身控制系统设计的首要环节，在系统整体设计中占有重要地位 5 1 。 3 1 车身控制器微控制器单元设计 车身控制器微控制器是不能独立工作的，必须给它提供电源、时钟信号、复位信号， 然后微控制器芯片才能正常工作。这些提供微控制器运行必须条件的电路与微控制器共 同构成了车身控制器微控制器单元模块。车身控制器的微控制器的调试接口在芯片工作 时不是必需的，但车身控制器非常注重系统的可调试，所以这部分在开发时很重要，在 本设计中也把这部分归入这一模块中。车身控制器微控制器单元模块如图3 1 1 所示。 图3 1 1 车身控制器微控制器单元模块 3 1 1 电源电路 车身控制器的最关键模块就是电源系统。电源系统为整个系统提供能量，是整个系 统工作的基础，具有极其重要的地位。根据经验，如果电源系统处理得好，那么整个系 统的故障往往减少了一大半。 设计电源系统的过程实质是一个权衡的过程，必须考虑如下因素：输出的电压、电 流和功率；输入的电压、电流；安全因素；输出纹波；电磁兼容和电磁干扰；体积限制； 功耗限制及成本限制等。车身控制电源系统组成如图3 1 2 所示。 3 车身控制器硬件设计硕士论文 图3 1 2 车身控制器电源系统图 ， 1 前级电源电路设计 车身控制器中需要5 v 、一5 v 的电源。因为车上提供的电压一般是2 4 v 或者1 2 v 直流电源，所以必须选择合适的电源转换芯片。 5 v 作为主电源芯片，供电的器件比较多，应该选用_ 片输出功率比较大的器件。 同时考虑到，5 v 电源既要为数字电路部分供电，又要给模拟电路部分供电，为了提高 系统的性能和抗干扰行，数字电源和模拟电源必须隔离。在这里采用n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r 公司的l m 2 5 7 6 。5 o 芯片。 l m 2 5 7 6 5 0 稳压器是单片集成电路，输入电压为7 4 0 v ，能提供压降开关稳压器 ( b u c k ) 的各种功能，可以稳定的输出3 a 的电流 2 2 】。它内部含有频率补偿器和一个固 定频率振荡器，将外部元件的数目减到最小，使用简便。 为了保证l m 2 5 7 6 5 0 的输出电流稳定在3 a ，电感的选择非常重要，电感的直流通 流量直接影响输出电流，在本车身控制系统中选择1 0 0 u h 的电感。在本设计印刷电路 板时功率元件( 肖特基电感等) 尽可能的靠近芯片。电路图如图3 1 3 所示。 一5 v 的电源是为电压比较器l m 3 3 9 供电，使其组成一个比较器电路。采用的是 i c l 7 6 6 2 芯片。i c l 7 6 6 2 是i n t e r s i l 公司生产的电压变换器i c ，i c l 7 6 6 2 是一个开关 电容充电泵电压转换器，它既可以使输入电压反向，也可以使输入电压加倍。输入电压 范围是+ 4 5 v + 2 0 v 【2 3 1 。电路图如图3 1 4 所示。 1 2 硕士论文 车身控制器的设计 u 1 图3 1 3 + 5 v 电源电路 c 2 1 0 0 u f 图3 1 4 5 v 电源电路 2 微控制器系统电源设计 车身控制系统中的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微控制器的供电电源设计，是车身控制器系统设 计的极其重要的工作，它对整个车身控制系统能否正常运行起着至关重要的作用。进行 电源设计时应该同时考虑功率、电平及抗干扰等问题。电源功率必须能满足微控制器全 系统的电源需要。 对较大的系统由于器件功耗的分散性使得系统整体的功耗比较平稳，而较小系统功 能消耗的脉冲特性则非常突出。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系统是以脉冲方式工作，因此，微控制 器系统的电源必须有足够的耐冲击性，这就要求电源设计时留有充分的余量。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上有3 类典型电源引脚：c p u 核电源引脚、i o 电源引脚、p l l 电 路电源引脚。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上电顺序应该是： 1 ) i o 先上电，c p u 核后上电； 2 ) c p u 内核与i o 供电应尽可能同时，二者时间相差不能太大( 一般不n v l s ，否 则会影响器件的寿命或损坏器件) ： 。3 ) 为了保护d s p 器件，c p u 内核电源与i o 电源之间应加一个肖特基二极管 2 5 1 。 根据要求这里选用的是由t i 公司主要为d s p 芯片电源解决方案设计的t p s 7 0 3 5 1 l3 3 车身控制器硬件设计 硕士论文 双路输出线性稳压器。它的主要特点是： 1 ) 3 3 v 电源输出端可以输出1 a 的电流； 2 ) 1 8 v 电压输出端的电流可以输出2 a 的电流； 3 ) 可以根据需求选择上电次序； 4 ) 带有手动复位功能，这在下面讲述复位电路时有详细的描述【矧。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 供电的原则要求i o 先于内核上电，可以使用t p s 7 0 3 5 1 的s e q 引 脚实现微控制器对上电顺序的要求，该引脚的功能是当该引脚输入高电平时先输出1 8 v 电压，然后再输出3 3 v 电压；反之当该引脚输入低电平时则先输出3 ：3 v 电压然后再输 出1 8 v 电压。所以在这里使s e q 接地，这样就能满足上电要求。电路连接如图3 1 5 所示。 上 聊lv o u t l 上 n 1v o u t l l ，- 们2 2 i | fl q l r l v s l n s e i 】 d 4 c 3 3 p g l m 显l 士c 2 8 一1 r l 。艮2 d i i 上 m r 2 工甜- 1 2 二0 j f了r p g l v i n 2p g a一 v n t 2 ji ：也g e t ，reset 1 j 一帕2 a 正 c 3 2 e nv s e l f s e 2 s e q v o u t 2 j g r d “v o u t 2 g n d g n dn c i c 2 9 g n dn c 4 7 i 正 g n dn c t p s 7 0 3 5 1 图3 1 5t p s 7 0 3 5 1 电源电路 由于3 3 v 电源既要为数字电路部分供电，又要给模拟电路部分供电，为了提高系 统的性能和抗干扰行，因此在本车身控制器的印刷电路板设计中将数字电源和模拟电源 通过一个电感隔离。 3 1 2 复位电路 、 如果t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在上电后状态不确定，将造成车身控制器不能正常工作。为解 决这个问题，车身控制器必须有一个复位逻辑，它负责将t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 初始化为某个 确定的状态，这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。t m s 3 2 0 f 2 81 2 微控制器需要 外部输入这个信号，这个信号会使t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 初始化为某个确定的状态。这个信号 的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 有两个复位源： 外部引脚复位和看门狗定时器复位。 1 ) 看门狗定时器复位：如果看门狗定时器上溢，或有一个不正确的值写入看门狗 密钥寄存器或写入看门狗控制寄存器，就会产生一个看门狗定时器复位。当器件上电时， 1 4 硕士论文 车身控制器的设计 看门狗定时器自动有效。 2 ) 复位引脚复位：为了在引脚上产生一个外部复位脉冲，通常需要一个宽度为几 个1 1 s 的有效低电平脉冲【6 1 。 外部复位引脚和看门狗定时器复位在一起，是通过逻辑或操作来驱动 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 复位信号如图3 1 6 所示。 倒ij o 戈1 2 - 一l 复位引脚复位 二i & 复位信号 一至t m s 3 2 0 f 2 812 片内 图3 1 6t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 复位信号 外部复位电路基本上有两种方法：r c 延迟电路和专用芯片，经过实践验证，在高 速t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中采用r c 电路不是很稳定，故采用t p s 7 0 3 5 1 中的专用复位电路； 为了调试的方便，还需要手动复位电路，这里同样采用t p s 7 0 3 5 1 中的手动复位电路。 实现复位的主要特点是：当该脚上拉时，r e s e t 脚保持1 2 0 m s 的高阻状态，当三个条 件都满足时解除高阻状态【2 4 】： 1 ) v i n y l 脚电压在欠电压之上； 2 ) 手动复位脚m r 脚必须是在高阻状态； 3 ) v o u t 2 脚的输出电压必须是其正常输出电压的9 5 之上。 通过比较这三个条件我们可以通过改变其中的手动复位脚的状态来进行复位控制。 可以按下开关s w p b ，这样m r l 就会接地，输入低电平，此时就可以进入复位状态了。 设计电路图如图3 1 5t p s 7 0 3 5 1 电源电路所示。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在复位后可能有多种初始状态，具体复位到哪种初始状态是在复位 过程中决定的。复位逻辑可能通过片内只读存储器中的数据决定具体的初始状态，但更 多的是通过复位期间的引脚状态决定，也可能通过两者共同决定。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在上 电时，可以选择采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的片上的存储器还是片外扩展的存储器。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 存储器包括片上存储器和外部存储器接口两个部分。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 所有 存储空间采用统一寻址。当x m p m c 模式选择低时，片上的r o m 映射到0 x 3 f c 0 0 0 。 如果x m p m c 模式选高，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的代码则从外部存储器接口的z o n e 7 空间开始 执行，z o n e 7 空间映射到0 x 3 f c 0 0 0 。 可以通过一个跳线，来选择加载方式。当跳线1 、2 脚连接时x m p m c 与地相连， 片上r o m 映射到0 x 3 f c 0 0 0 地址处。当跳线1 、2 脚断开时，x m p m c 脚输入高电平， 则z o n e 7 空间映射到0 x 3 f c 0 0 0 。在本设计中采用的是片上r o o m 的引导方式，即将 x m p 丽接地。 3 车身控制器硬件设计硕士论文 3 1 3 时钟电路 一 车身控制器微控制器为时序电路，需要一个时钟信号才可以工作。时钟信号提供两 种操作模式： 1 ) 内部振荡器：如果使用内部振荡器，则必须在x 1 x c l k i n 和x 2 两个引脚之间 连接一个石英晶体。 2 ) 外部时钟源：如果采用外部时钟，可以将输入的时钟信号直接接到x 1 x c l k i n 引脚上，而x 2 悬空。在这种情况下，不使用内部振荡器。 由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部具有晶体振荡器，本设计使用了其内部的晶体振荡器设计 时钟电路，如图3 1 7 所示。 ， 五a j x a 5 】 x a 4 x a 口】 x a 瞄】 x a 1 】 x a 网 图3 1 7 时钟电路 本车身控制器使用了3 0 m h z 的外部晶振作为系统时钟源。在晶振两端并接1 m t l 的电阻r 3 4 可以使系统更好的起振，因为通过并联一个电阻可以使本来为逻辑反相的 器件工作在线性区，以获得增益，在饱和区是没有增益的，而没有增益是无法振荡的。 因为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的主频最高可达1 5 0 m h z ，车身控制器中采用3 0 m h z 的晶振。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上有基于p l l 的时钟模块，为器件及各种外设提供时钟信号。锁相环有 4 位倍频设置位，可以为微控制器器提供各种速度的时钟信号。因此可以通过设置倍频 值将系统的主频设置到1 5 0 m h z 。 通过外部x p l l d i s 引脚可以选择系统的时钟源。当x p l l d i s 为低电平时，系统直 接采用外部时钟或晶振直接作为系统的时钟：当x p l l d i s 为高电平时，外部时钟经过 p l l 倍频后，为系统提供时钟。系统可以通过锁相环控制寄存器来选择锁相环的工作模 式和倍频的系数。在本设计中采用倍频外部时钟的方式，使x p l l d i s 接入高电平。 3 1 4 调试接口 车身控制器的调试与测试接口不是系统运行必需的，但现代车身控制系统越来越强 调可测性和可调试性，因此测试接口的设计也越来越受到重视。 目前的调试接口主要是j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 。j t a g 是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。j t a g 技 1 6 n | - 脚 盯 一2一一船跏。 x x x x t 硕士论文 车身控制器的设计 术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路t a p ( t e s t a c c e s sp o r t ， 测试访问口) ，通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试。j t a g 测试允许多个器 件通过j t a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链，能实现对各个器件分别测试。j t a g 接口还常用于实现i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e 在系统编程) 功能，如对f l a s h 器件 进行编程等。通过j t a g 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试车 身控制系统的一种简洁高效的手段。 j = - d s p _ v c c 图3 1 8j t a g 调试接口 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器有一个内置j t a g 调试接口，通过这个接口可以控制芯片的 运行，并获取内部信息。本设计采用1 4 脚j t a g 仿真调试接口，j t a g 与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的接口如图3 1 8 所示。这部分电路主要用于对车身控制器的控制调试，可以通 过仿真调试接口将程序下载到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中去，并且在c c s 2 2 平台上可以完成单 步调试等多种调试方式，对系统的硬件调试十分有用。 其中，t d o 为j t a g 接口的测试数据输出；t d i 为j t a g 接口的测试数据输入； t c k 为j t a g 接口的测试时钟输入引脚；t m s 为j t a g 接口的测试方式；t r s t 为j t a g 接口的测试复位输入引脚。 3 2 存储器扩展电路设计 在车身控制系统中需要用到大量的数据、程序来执行计算与控制，同时需要存储汉 字字符库和大量的车身系统特点参数( 电机的最高转速设置等) 。考虑到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的存储空间并不够，因此在本车身控制