基于CAN总线的双驱自动空调控制系统的设计与实现-硕士论文

上海交通大学 硕士学位论文 基于CAN总线的双驱自动空调控制系统的设计与实现 姓名 孙大为 申请学位级别 硕士 专业 控制工程 指导教师 杨明 顾闻 20090401 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 基于 CAN 总线的双驱自动空调控制系统的设计与实现 基于 CAN 总线的双驱自动空调控制系统的设计与实现 全文摘要 作为汽车舒适性的重要部分 汽车空调系统扮演着举足轻重的作用 它好像一扇窗口 显示了汽车的内部环境状况 汽车空调从实现方式来 看可分为手动空调和自动空调两类 随着汽车技术的进步 对可靠性的 要求越来越高 本文基于此设计了一个基于 CAN 总线的低功耗 高可靠 性的自动空调控制系统 在系统的硬件设计与实现中 本文首先针对整车的待机功耗的要求 提出一种低静态电流的解决方式 通过 CAN 切断电源来达到完全的休眠 状态 实验表明该设计达到预期要求 其次 针对电路的可靠性问题 本文提出了高低压保护以及各模块的开路及短路诊断的要求 并通过最 差情况分析的方法保证了设计的鲁棒性 反映了空调控制系统硬件可靠 性设计的大致思路 在系统的软件设计与实现中 本文介绍了自动空调系统的一些主要控 制策略 如起雾预防 温度设定及补偿 耗能等 作为双驱自动空调 在具体的控制策略以及算法上具有独到的地方 接着通过鼓风机模块作 为典型 详细描述了该模块软件的流程图 阐述了自动空调系统的软件 设计过程 最后 通过制作测试盒以及调试板来验证产品的基本功能 关键词 关键词 汽车空调 CAN 总线 鼓风机 静态电流 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT Design and Realization of CAN Based Dual Automatic Temperature Control System ABSTRACT The car is equivalent to the human s second family As an important part of comfort automotive air conditioning system plays an important role It looks like a window which shows the car s internal environmental conditions The realization of air conditioning can be divided into two types manual air conditioning and automatic air conditioning In this paper based on the actual project needs we designed a CAN bus based dual zone automatic air conditioning control system An introduction of the automobile air conditioning systems development combined with the status of automotive air conditioning system is described by this paper Based on the requirement of low power consumption a low current solution is raised and the sleep mode is achieved by power cut off by CAN the experiment shows that the design meets the desired requirements to meet the requirement of system robustness a high low voltage protection as well as the short circuit or open circuit diagnoze of each module is introduced and through a detailed worst case calculation the general ideas of air conditioning control system hardware design is described Then some of the major control strategies such as fog prevention temperature settings and compensation energy etc are described and the software design process of automatic air conditioning systems is introduced as typical by the blower module developpment Finally he basic functions of products is verified by the production of the test box and the debug board Keywords Air condition CAN bus Blower Dark current 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作 所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密保密 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 第1章 绪论 1 1 课题研究背景及意义 汽车空气调节系统简称汽车空调系统 1 2 主要目的是在任何气候和行驶条件下 能为乘员提供舒适的车内环境 3 回顾汽车空调发展史 可大致分为以下五个阶段 单一暖风系统 1927 年 北欧 亚洲北部寒冷地区 具有完整的供热系统 加 热器 鼓风机 空气滤清器 单一制冷系统 1940 年美国通用汽车帕克公司 机械制冷的空调系统 热 亚带地区目前仍在使用 冷暖一体化空调 1954 年 通用公司生产纳什牌轿车 自动控制汽车空调系统 1964 年 通用公司生产的卡迪拉克轿车 微机控制的汽车空调 1973 年 通用与五十铃联合开发 1977 年应用到各自 生产的汽车上 4 现在美国生产的所有小轿车中 90 以上装备空调 汽车空调不仅仅用于轿车 卡车和公共汽车 已发展到农用设备 拖拉机 收割机等 工程机械 铲车 推土 机及平地机 等 人对环境的要求常因体质 年龄 性别 习惯和健康状况而不一样 但在正常情 况下 多数人的要求还是大致相同的 人体舒适感与下列因素有关 空气温度 空气湿度 空气流速 周围物体表面温度 空气品质 人体的舒适感除上述几种客观因素有关外 还和生活习惯 衣着情况以及年龄 性别有关 5 一个完整的汽车空气调节系统是通过调节温度 湿度 风速和换气等 来达到营造车厢内舒适环境的目的 6 7 8 汽车相当于人类的第二个家 作为汽车舒 适性的重要部分 汽车空调系统扮演着举足轻重的作用 9 它好像一扇窗口 显示了 汽车的内部环境状况 并通过人机界面控制着整个汽车内部空间的环境 其在人机对 话中扮演着重要的角色 对汽车的舒适与经济起着重要的作用 同时它通过主控芯片 和传感器以及其他的电路器件对空调系统进行控制调整 10 并通过CAN总线技术的 应用 使得线束数量大大降低 可靠性得到增强 11 12 1 2 空调控制系统发展现状 传统的汽车空调控制系统大都采用机械或电气方式直接操作 这类方式实现方法 简单 但存在诸多不足 如显示信息量少 准确率低 可靠性差 缺乏对各类传感 第 1 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 器的综合处理 使乘客的舒适性大打折扣 13 以线束为主通信方式导致系统复杂性增 加 14 目前空调控制系统大量使用通信总线 CAN LIN等 与系统进行数据交换 15 16 同时使用高性能的中央处理器以及各种复杂的算法 结合最终的标定过程 来达到极 佳的可靠性和舒适性 17 若以调节方式来分 汽车空调有手动和自动调节两种 18 前者在空调控制板上有 温度调节旋钮 其实是一个可变电阻 与安装在蒸发器内的温度感应电阻组成串联电 路 温度改变时阻值会改变 从而接合或断开压缩机的电磁离合器 例如 当蒸发器 的温度下降到指定的低点 这组电路就会将压缩机的电磁离合器分离 使压缩机停止 工作 当温度回升时又会合上离合器使压缩机恢复运转 这种手动调节空调只能在一 定的范围内按照已选定的模式运转 不能随机根据外界空气质量对车厢温度调节 19 自动空调则不需要手动调整 能自动控制车厢内的循环空气和温度 20 在外界空 气质量发生变化时保持车厢内的空气质量 21 与手动空调相比 具有如下功能 按键操作结合屏幕显示来完成汽车空调的各种功能 自动调节出风口的出发温度 使车室内达到并维持一个较舒适的温度 自动调节出风口的出风风俗 自动调节出风模式 在实现自动控制的同时 还能实现手动控制 成员可根据自己的喜好在非自动状 态下设置所需的性能指标和工作模式 自诊断功能 22 目前汽车电子化程度已经成为现代汽车发展的重要标志 因此对于集成度高 可 靠性强 并且人机交互功能优秀的空调控制系统的要求非常迫切 23 24 本系统就是一个基于 CAN 总线通讯的双区自动空调控制系统 是符合目前空调 控制系统发展趋势的设计 1 3 论文研究内容 本文详细描述了一个具体的空调控制系统的设计 主要包括以下几点 1 电源模块 低静态电流 由于系统耗电要求的特殊性 故目前利用 CAN 总线唤醒方式来切换电源电压 使系统在休眠状态下完全切断 以达到极低静态电流的效果 2 鼓风机模块的工作特性 利用模拟电路的负反馈方式实现鼓风机模块的控制 并实现故障诊断的功能 包 括电机两端电压随输入信号而改变大小 并当电瓶电压发生变化时保持两端的电压稳 定 同时需具有开路 短路诊断等保护功能 3 CAN 通信模块 通过硬件设计和软件设计的描述 概括了 CAN 总线在空调控制系统上的的一般 应用 第 2 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 第 3 页 4 系统稳定性 由于汽车零部件的特殊性 对稳定性的要求特别高 本文通过仿真计算工具对系 统的稳定性进行了详细的计算 并通过实际测试保证其可靠性 5 软件设计 本文通过鼓风机模块软件部分的具体介绍 概述了空调系统的软件结构和开发过 程 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 基于 CAN 总线的空调控制系统 第2章 基于CAN总线的空调控制系统 2 1 需求分析 由于本系统是汽车上使用的空调系统 传感器多 控制变量多 算法复杂一直是 自动空调控制系统的特征 在之前的应用中 大量的传感器将会导致庞大的线束 且 在选用主芯片时也会有诸多限制 如 AD 口的数量等 使得传统的硬线连接方式便显 得捉襟见肘 可见 在本系统上使用现场总线网络进行信号传输是非常必要的 纵观车载网络 其协议类型种类很多 且各自有各自的特别 比较如下所示 分类分类 协议类型协议类型 发起组织发起组织 应用范围应用范围 传输介质传输介质 传输速率传输速率 成本成本 LIN Motorola 传感器 座椅 门锁 顶棚 视 镜等控制 单线 1 20kb s 低 CAN Bosch SAE ISO 故障诊断 传动 装置和发动机控 制 双绞线 10kb s 1Mb s 中 TTCAN CiA 发动机管理系统 和底盘控制系统 双绞线 1 2Mb s 低 ByteFlightBMW 安全气囊 中央 门锁与座椅控制 光纤 10Mb s 低 Flexray Motorola 底盘控制 主体 和动力系统等线 控系统 双绞线或 光纤 10Mb s 中 电 子 控 制 系统 TTP C U VIENNA 安全控制 线控 系统 双绞线或 光纤 取决于传输媒介 高 D2B C C 音频 视频控制 信号 光纤 未定 高 MOST MOST 协作组导航 数字影音 系统 移动电话 光纤 25Mb s 高 多 媒 体 系 统 IDB 1394IDB 论坛 显示屏 音频和 视频系统 移动 装置 双绞线或 光纤 98 393Mb s 中 表格 2 1 车载网络类型 Table 2 1 Car network types 第 4 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 基于 CAN 总线的空调控制系统 根据空调系统的特性来看 其信号传输大致有以下要求 1 适宜的传输速率和实时性 与娱乐系统不同 空调系统传输的数据量不大 因此几百 k 比特率的速度可以满足其实时性的要求 2 较高的可靠性 虽然其与发动机等模块相比可靠性要求略低 但是作为整 车温控不见 加上非常复杂的算法 错误的数据会对乘客的舒适度造成很 大的影响 另外 对于各种硬件故障 线束短路开路等 也需有成熟的应 对策略 最后 需要有较强的抗干扰能力 3 成本优势高 由于汽车早已不是奢侈品 其对价格愈来愈敏感 因此需要 选择应用广泛 各芯片厂商支持力度大 以及硬件价格便宜的方案 对于汽车的电子控制系统而言 CAN 总线无疑已经占据了大部分的应用范围 随着各方面的支持力度加大 CAN 总线协议已经非常完善与可靠 另外 无论从各 大整车厂的配置 也有例外 如 GM 的 GM LAN 以及各个半导体供应商的元器件 选择 汽车级的芯片多带有 CAN 或 LIN 的模块 来看 使用 CAN 总线或是 CAN 与 LIN 的配合将使产品具有较强的通用性和可靠性 在汽车上的 CAN 总线适用的部件可参考下图示意 图 2 1 车身网络 CAN LIN 解决方案 Fig 2 1 Solution for car network with CAN LIN 25 第 5 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 基于 CAN 总线的空调控制系统 通过上图可以看到 蓝色较粗线代表 CAN 总线 它连接了传动装置控制单元 灯控单元 门控单元 座椅控制单元以及仪表盘控制单元等等 红色较细线代表 LIN 总线 由 LIN 总线构成的 LIN 网络作为 CAN 网络的辅助网络 连接了车窗控制单元 雨刷控制单元 天窗控制单元等低速设备 综合以上考虑 我们选择了 CAN 总线作为本套系统的现场总线系统 2 2 CAN 总线及其主要特征 控制器局域网 Controller Area Network 简称 CAN 是德国 Bosch 公司在 1983 年 为了解决现代汽车中众多控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据 通讯协议 1993 年 11 月 ISO 正式颁布了控制器局域网 CAN 国际标准 ISO11898 为控制器局域网标准化 规范化推广铺平了道路 CAN 总线的通讯介 质可采用双绞线 同轴电缆和光导纤维 通讯距离与波持率有关 最大通讯距离可达 10Km 最大通讯波持率可达 1Mdps CAN 总线仲裁采用 11 位标识和非破坏性位仲 裁总线结构机制 可以确定数据块的优先级 保证在网络节点冲突时最高优先级节点 不需要冲突等待 CAN 总线采用了多主竞争式总线结构 具有多主站运行和分散仲 裁的串行总线以及广播通信的特点 CAN 总线上任意节点可在任意时刻主动地向网 络上其它节点发送信息而不分主次 因此可在各节点之间实现自由通信 CAN 总线 协议已被国际标准化组织认证 技术比较成熟 控制的芯片已经商品化 性价比高 特别适用于电梯群这种分布式测控系统之间的数据通讯 CAN 总线属于现场总线的 范畴 它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络 位速率可高达 1MBPS 可以应用在汽车控制系统 自动化电子领域中的各种部件 传感器 灯光 执行机构等 与主机连接组成 CAN 网络 本章将介绍通过 CAN 总线实现空调控制 系统的硬件设计方案 CAN 具有下列主要特性 1 多主站依据优先权进行总线访问 总线开放时 任何单元均可开始发送报文 具有最高优先权的报文的单元赢得总 线访问权 利用这个特点可以用液晶显示器作为多主机的公用监视器 不用每台主机 配一个监视器 从而节约系统成本 2 无破坏性的基于优先权的仲裁 网络上的每个主机可以同时发送 哪个主机的数据可以发送出去取决于主机所发 送报文的标识符决定的优先权的大小 没有发送出去的帧可自动重发 以后将介绍数 据怎样仲裁 3 借助接收滤波的多地址帧传送 收到报文的标识符与本机的接收码寄存器与屏蔽寄存器相比较 符合的报文本机 才予以接收 4 远程数据请求 第 6 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 基于 CAN 总线的空调控制系统 网络上的每个接点可以发送一个远程帧给另一个接点 请求该接点的数据帧 该 数据帧与对应的远程帧以相同的标识符 ID 命名 5 配置灵活性 通过八个寄存器进行接点配置 每个接点可以接收 也可以发送 6 全系统数据相容性 7 错误检测和出错信令 有五种错误类型 每个接点都设置有一个发送出错计数器和一个接收出错计数 器 发送接点和接收接点在检测到错误时 出错计数器根据一定规则进行加减 并根 据错误计数器数值发送错误标志 活动错误标志和认可错误标志 当错误计数器数 值大于 255 时 该接点变为 脱离总线 状态 输出输入引脚浮空 既不发送 也不 接收 2 3 CAN总线信号示例 本系统的 CAN 协议中有将近 500 个信号传输 包括重要信号如环境温度 AmbientTemp 引擎温度 EngineTemp 车速信号 VehicleSpeed 引擎转速 VehicleSpeed 等 例如 对于 AmbientTemp 而言 可从环境温度 空气流动压力进行定义 加上 用于判断环境温度状态的质量因子 构成了 AmbientTemp 的信号构成 AirAmb P Actl 长度长度 bits 6 类型类型 无符号 信息类型信息类型 正式 生成类型生成类型 周期 组名组名 N A 更新位更新位 是 初始值初始值 0 接口 末尾处理时 间 ms 最大间隔时 间 ms 读 取 间 隔 ms 接口 末尾处理时 间 ms 最大间隔时 间 ms 读 取 间 隔 ms HVAC MS NORMAL 03 Climate and AC 10 000 500 000 0 000 时间 HVAC MS SILENT 03 Climate and AC 10 000 500 000 0 000 描述 WS1 40 信号标识 399 Standardized EuCD 信号名称 AmbientTemp 环境温度 在 CGEA v1 1 中 PCM 或 ECM 读取环境温度的值并将其发送到车身控 制系统中 根据应用的不同 该值有时被测量得到 有时则是被估算得 到 使用 AmbTe D Qf id 149 作为因子得到辅助信息 编码类型 名字 AirAmb P IncldQfET 第 7 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 基于 CAN 总线的空调控制系统 长度 10 bits 值 类型类型 值值 刻度刻度 偏置偏置 说明说明 物理阈值 0 1023 0 25 128 deg C 表格 2 2 AirAmb P Actl 定义 Table 2 2 Definition of AirAmb P Actl 其中刻度和偏置将具体的物理环境值 温度 转换为 CAN 总线上所发送的值 比如 环境温度是 10 deg C 则换算后发送到 CAN 上的值为 10 128 4 472 十 六进制数为 0 x01D8 AirAmbTe D Qf 长度长度 bits 2 类型类型 无符号 信息类型信息类型 正式 生成类型生成类型 周期 组名组名 N A 更新位更新位 无 初始值初始值 1 接口 末尾处理时 间 ms 最大间隔时 间 ms 读 取 间 隔 ms 接口 末尾处理时 间 ms 最大间隔时 间 ms 读 取 间 隔 ms HVAC MS NORMAL 03 Climate and AC 10 000 500 000 0 000 时间 HVAC MS SILENT 03 Climate and AC 10 000 500 000 0 000 描述 WS1 40 信号标识 149 Standardized EuCD 信号名称 AmbientTempQF 环境温度的质量因子 AirAmb Te Actl id 399 1 无数据 2 数据超出范围 3 OK 名字 QualityFactor ET 长度 2 bits 类型类型 值值 刻度刻度 偏置偏置 说明说明 逻辑值 0 错误 编码类型 值 逻辑值 1 无数据 第 8 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 基于 CAN 总线的空调控制系统 逻辑值 2 数据超出范 围 逻辑值 3 OK 表格 2 3 AirAmbTe D Qf 定义 Table 2 3 Definition of AirAmbTe D Qf 该 2bit 的值用于判断所接收到的环境温度的值是否在要求的范围之内 AirAmbTe D Qf 长度长度 bits 6 类型类型 无符号 信息类型信息类型 正式 生成类型生成类型 周期 组名组名 N A 更新位更新位 无 初始值初始值 0 接口 末尾处理时 间 ms 最大间隔时 间 ms 读 取 间 隔 ms 接口 末尾处理时 间 ms 最大间隔时 间 ms 读 取 间 隔 ms HVAC MS NORMAL 03 Climate and AC 11 000 3000 000 0 000 时间 HVAC MS SILENT 03 Climate and AC 11 000 3000 000 0 000 描述 WS1 40 信号标识 398 Standardized EuCD 信号名称 AmbientAirPressure Atmospheric pressure 或 ambient air pressure 或 barometric pressure 根据应用的不同 该值有时被测量得到 有时则是被估算得到 错误 每一位都是 1 未知 除了最低位是 0 其他位都是 1 名字 QualityFactor ET 长度 6 bits 描述 错误 每一位都是 1 未知 除了最低位是 0 其他位都是 1 类型类型 值值 刻度刻度 偏置偏置 说明说明 物理阈值 0 61 10 500 mbar 编码类型 值 逻辑值 62 未知 第 9 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 基于 CAN 总线的空调控制系统 逻辑值 63 错误 表格 2 4 AirAmbTe D Qf 定义 Table 2 4 Definition of AirAmbTe D Qf 该值也是通过刻度和偏置的设置将风压的物理值和 CAN 信号值对应起来 本系统的CAN控制部分主要由主芯片CAN接口和CAN转发器两部分组成 S9S12XS系列单片机内部集成了CAN通讯部分 兼容CAN 2 0A B 协议 其框图如 下 27 图 2 2 S9S12XS256 CAN 总线内部模块框图 Fig 2 2 S9S12XS256 CAN Internal Block Diagram 26 主芯片输出的 RXCAN 和 TXCAN 信号经过 CAN 转发器电路传输到总线上 第 10 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 基于 CAN 总线的空调控制系统 图 2 3 S9S12XS256 CAN 系统 Fig 2 3 S9S12XS256 CAN System 26 2 4 本章小结 本章介绍了 CAN 总线及其主要特性 介绍了 CAN 总线在汽车技术中的应用 并介绍了 CAN 总线在空调控制系统中的应用优势 在此基础之上 本章设定了空调 控制系统的主要功能 确定了基于 CAN 总线的空调控制系统的网络拓扑结构 并详 细定义了信号控制与传递的方式 第 11 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 空调控制系统硬件设计 第3章 空调控制系统硬件设计 3 1 系统概述 该模块是双温区自动空调控制系统 在自动模式下可根据用户的输入操作 结合 环境温度 光传感器 车速信号等众多参数来决定控制策略 并通过分别控制主驾驶 和乘客位置来达到温度的平衡 在手动模式下则可根据用户需要自行调节 用户输入 包括温度 风速 模式等按钮及旋钮 数据显示在模块所配备的 2 块 LCD 上 并通 过调节各风门的位置来实现温度控制 风门包括 模式风门 主驾驶和副驾驶风门 压缩机风门 循环风门等 基本控制框图如下所示 图 3 1 自动空调控制系统控制框图 Fig 3 1 Auto Climate Control System Control Chart 可见 模块的外围有以下接口部分 直流驱动电机 主驾驶风门电机 副驾驶风门电机 模式电机 进出风电机 蒸发器传感器 发动机管理系统 汽车电源 第 12 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 空调控制系统硬件设计 鼓风机 FET BCM 车身控制系统 人机接口 测试诊断 3 2 硬件概述 由于空间和成本的综合限制 决定采用两块 PCB 板的方式进行设计 其中一块 作为前面板 主要放置按钮 LED 液晶屏和温度传感器部分 另外一块作为逻辑板 主要放置主控芯片等主要控制电路 两块板子之间通过软线进行连接 主要硬件结构 图如下所示 图 3 2 自动空调控制系统电气结构框图 Fig 3 2 Auto Climate Control System Electrical Diagram 第 13 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 空调控制系统硬件设计 模块以 Freescale 公司的 S9S12XS 系列芯片为核心 通过 CAN 总线获取各外部 传感器信息 包括点火信号 外部温度信号 蒸发器状态信号 照明信号 速度信号 光传感器信号 车窗加热信号等等 采用了总线架构后 线束大大减少 模块的可靠 性及可拓展性大大增强 3 3 硬件电路具体实现 3 3 1 主芯片 由于本系统是双区自动空调系统 算法较为复杂 且外接模块较多 对于芯片的 容量 管脚数量和运算效率有一定要求 此外 ROM 应当预留一定的空间作为未来升 级的考虑 最终经过性能和成本方面的综合考虑 决定选用 Freescale 公司的 S9S12XS256 系列芯片 第 14 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 空调控制系统硬件设计 图 3 3 S12XS 系列单片机管脚功能定义 Fig 3 3 S12XS Family Pin Assignments 26 Freescale的S9S12XS256 型芯片为该公司 16 位汽车级产品 为 0 25u工艺 在 本系统中所使用的是具有 112pin 256k flash 12k RAM 8k Dataflash 8 通道的 16 位定时器 具有SCI SPI串行口 16 通道AD口 8 通道的PWM输出口以及CAN接口 该芯片完全适合空调控制系统的开发 也基本满足本产品的结构要求 27 另外 由于芯片本身具有 PLL 倍频功能 故在外部晶振频率不高的情况下可实 现较高的总线频率 输入 AD 口的内部钳位保护和较大的输出电流能力也是决定使用 该款芯片的原因 完成后的主芯片原理图如下所示 第 15 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 空调控制系统硬件设计 图 3 4 自动空调系统主芯片模块电路图 Fig 3 4 Auto Climate Control System Micro Circuit 第 16 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 空调控制系统硬件设计 3 3 2 电源模块 3 3 2 1 电源模块概述 电源供给的对象主要包括主芯片 5V CAN 收发器 5V 传感器上拉电平 5V 电机驱动芯片 13 5V 以及电源检测反馈部分 由于传感器上拉电平需要经模块外部再接入系统 并考虑到和其他电路互相干扰 的问题 将其单独列为一路 故总的电源结构如下图所示 外部电源输入 13 5V 电源 1 第一个 mosfet 电源 2 第二个 mosfet电源 3 第二个 mosfet 电源检测 电机反馈 5V 电源芯片 TLE4275 5V 跟随器 电机电源 图 3 5 电源模块框图 Fig 3 5 Power Supply Circuit Diagram 其中 TLE4275 为 D2PAK 封装 其热阻很小 可以承受较大的电流 其主要供 给对象为主芯片和 CAN 芯片 3 3 2 2 低静态电流实现 由于静态电流的要求非常高 80uA 故考虑采取不同的结构 即在 CAN 收发 器休眠模式下 整个模块也处于休眠模式下 电源切断 决定采用如下逻辑结构 CAN收 发 器 INH输出高电平 Micro 进行任务 处理 输出关断 信号 并进入 FullStop 模式 切断电源收到 CAN 总线 上休眠信号 第 17 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 空调控制系统硬件设计 图 3 6 电源系统逻辑结构 Fig 3 6 power Supply Logic Structure 完成后的电源模块的部分电路图分别如下所示 图 3 7 电源模块电路图 Fig 3 7 Power Supply Circuit 在该电路中使用了两个 PMOS 管 主要也是为了低静态电流的考虑 而且由于整个 模块的工作电流较高 故普通的晶体管难以满足要求 由于陶瓷电容存在短路的失效模式 若该情况发生在电源上 将导致整个模块失 效 故在电源线上使用陶瓷电容的地方均用两个同样的电容串联 这样即时有一个电 容失效 将基本不会有影响 可靠性大大增强 同时 在布板的时候将这两颗串联电 容互相垂直放置 使得同时失效的可能性进一步降低 除了内部 5V 供电外 系统需要输出固定 5V 电源给外部传感器等 故考虑采用 另外一块电源跟随器 只所以如此设计 主要是为了考虑到如下几个方面 1 传感器参考电压要求较强的稳定性 若与系统原有的 5V 电路混用 将有导致 不必要的干扰 2 电源跟随器内部具有反向电压保护功能 这对于需要外接的信号而言非常重 要 第 18 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 空调控制系统硬件设计 3 原有的电源芯片已经流过了较大电流 从散热方面考虑加上另外一个跟随器 亦是必然的 4 跟随器比电源芯片便宜很多 3 3 2 3 高低压保护 电子模块工作在高压或低压下是很危险的事情 高压会导致部分大功率元件超出 工作范围 结温超过阈值 甚至烧毁 低压下的元件将会产生误动作 导致系统误操 作 除此之外 在有 LED 的模块中 高压和低压会导致模块的背光颜色超标 引起 用户的反感 在汽车电子的设计中 有很多方式来实现可靠性 除了最差情况分析外 比较经 济和保险的方式就是设置阈值 使系统在设定点进入相应模式 其主要框图如下 图 3 8 电压转移框图 Fig 3 8 Battery Voltage Transfer Strategy 27 下面简单介绍下选取高压禁止 HVI 和低压禁止 LVI 的策略 在电压检测支路上 除了分压电阻 R1 R2 和滤波电容 C221 外 还有用于切换输 入电压的 Mosfet 的等效导通电阻 Rdson 三极管 C204 另外还考虑到导线上压降 Vpwb 和主芯片 AD 的漏电流 Iuin 所有上述参数均考虑最大和最小值 第 19 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 空调控制系统硬件设计 第 20 页 VBAT R2 10K 1 C221 10N R1 30K 1 Rdson VPWB DC I in Q204 图 3 9 AD 采样电路 Fig 3 9 AD Sense Circuit 为得出采样值与输入电压的关系 可列出方程如下 对该方程求偏导 可知道每个变量对结果的影响 方便接下来的求取最值 VbattypVcesat V Vpwb R1Rdson V Vpwb R2 I in x VbattypVcesat Vpwb R1 R2 Rdson I in Find V Vbattyp x VbattypVcesat Vpwb R1 R2 Rdson I in 0 25 Vcesat x VbattypVcesat Vpwb R1 R2 Rdson I in 0 25 Vpwb x VbattypVcesat Vpwb R1 R2 Rdson I in 1 R1 x VbattypVcesat Vpwb R1 R2 Rdson I in 8 375 10 5 R2 x VbattypVcesat Vpwb R1 R2 Rdson I in 2 51210 4 Rdson x VbattypVcesat Vpwb R1 R2 Rdson I in 8 375 10 5 I in x VbattypVcesat Vpwb R1 R2 Rdson I in 7 5 103 上海交通大学工程硕士学位论文 第3章 空调控制系统硬件设计 第 21 页 为了得到不同电源电压所对应的 AD 的值 需要以 Vbat 为自变量进行分析 不过在 此之前需要根据主芯片 AD 的特性构造转换函数 S9S08XS 系列单片机共有 16 个管脚可配置为 AD 采样 并可根据需要配置为 8 位和 10 位精度 根据本系统的实际情况 8 位精度已足够满足要求 对于理想的 AD 采样模块 其采样值和输入电压的关系为 8 2 Vad AD Vref 而在实际 应用中 AD 采样值存在误差 主要包括非线性微分误差 Differential non linearity 而所有非线性微分误差的和构成了非线性积分误差 Integral non linearity 分别可由 如下式子定义 1 0 1 1 1 1 ii n n i VV DNL i LSB VV INL nDNL in LSB 除此之外 由于模拟量和数字量的转换不可避免将产生量化误差 误差值随着数字量 的精度增加而减小 综合上述 AD 误差 可归结为下图所示 上海交通大学工程硕士学位论文 第3章 空调控制系统硬件设计 图 3 10 S9S12XS 系列单片机 AD 误差表 Fig 3 10 S9S12XS Micro AD Error Chart 26 第 22 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第3章 空调控制系统硬件设计 第 23 页 综上所述 转换函数可编写如下 其中 Vin 为输入电压 Vref 为参考电压 Bits 为精度位数 MaxAbsErr 为最大误差绝 对值 floor 是取整函数 因为 AD 值最大为 255 最小为 0 故设置了相应的限制 接着 根据转换函数以及之前计算的编导数值 可列出 AD 值对应电源电压值的函数 典型值 最大值 最小值 为 为了确定 LVI 和 HVI 的值 先画出如下对应关系图 Cnt Vin Vref Bits MaxAbsErr Counts2Bits MaxCountCounts1 xjfloor Counts Vin Vref 0 5 MaxAbsErr0 5 j 1 xj0 xj0 if xjMaxCount xjMaxCount if j0 2 for ADcnttypVbat Ct x Vbat Vcesat Vpwb R1 R2 Rdson I in ADcntmaxVbat Ctmaxx Vbat Vcesatmin Vpwbmin R1min R2max Rdsonmin I in min ADcntminVbat Ctmin x Vbat Vcesatmax Vpwbmax R1max R2min Rdsonmax I in max 8 58 68 78 88 999 19 29 39 49 5 90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 AD vs VBAT Counts for LVI LVI dec LVI inc ADcnttypVbat ADcntmaxVbat ADcntminVbat 99 2 Vbat 上海交通大学工程硕士学位论文 第3章 空调控制系统硬件设计 图 3 11 LVI 对应关系表 Fig 3 11 LVI strategy chart 1515 115 215 315 415 515 615 715 815 91616 116 216 316 416 516 616 716 816 917 180 182 184 186 188 190 192 194 196 198 200 202 204 206 208 210 212 214 216 218 220 222 224 226 228 230 AD vs VBAT Counts for HVI HVI dec HVI inc ADcnttypVbat ADcntmaxVbat ADcntminVbat 15 816 0 Vbat 图 3 12 HVI 对应关系表 Fig 3 12 HVI Strategy Chart 为了使得正常工作的范围最大 选用了 LVI 的最小值和 HVI 的最大值作为阈值 软件 中将以这两个值作为判断的标准 第 24 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第3章 空调控制系统硬件设计 3 3 3 鼓风机驱动模块 3 3 3 1 鼓风机工作原理概述 所谓鼓风机 即在汽车中用于内外空气交换的电机 在空调系统中起非常重要的 作用 其体积较大 工作电流也较高 一般为 10A 20A 主要由以下几个部件组 成 卷轴 转轮 电机 速度控制器 扩散器 涡旋喷嘴 示意图如下所示 图 3 13 鼓风机结构 图 3 14 鼓风机模块示意图 涡旋喷嘴 扩散器 卷轴 转轮 电机 电机罩 Fig 3 13 Blower module 27 第 25 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第3章 空调控制系统硬件设计 鼓风机工作的原理可以用以下的流程图来说明 扩散器同样有助于将空气的速度转换为压 力 目的是为了使进入蒸发器的空气保持 低压和均匀的状态 卷轴提供给流经的空气以逐渐增加的压力 空气以较大的速度和较小的压力离开转轮 转轮中的空气被赋予较大的向心力 转轴能量使转轴以3500左右的转速旋转 电机将电能转换为转轴的能量 3 3 3 2 鼓风机控制方式 对于鼓风机驱动主要有如下的要求 主芯片通过控制外接的大电流 Mosfet 来达到控制通过鼓风机电流的目的 外部电源变化时需保持鼓风机两端电压稳定 具有开路短路等诊断功能 由于单片机无法输出多级电平 故通过 PWM 转直流电平的方式来实现 并通过比较 器 NCV2904 进行电平转换和稳定 由于这部分电路非常普通 故不过多赘述 如下 图所示 第 26 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第3章 空调控制系统硬件设计 图 3 154 鼓风机模块 PWM 转直流电平电路 Fig 3 144 Blower PWM to DC Circuit 为实现鼓风机两端电压随着输入电压的变化而变化 除了采用专门芯片实现外 利用 分离元器件也可实现同样的效果 并且利用了 2904 的另一端 可谓非常经济的方案 图 3 165 鼓风机控制模块负反馈电路 Fig 3 155 Blower Feedback Circuit 其主要原理就是 利用负反馈电路中运放 2904 输入端电压相等的特性 将 pwm 输出 第 27 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第3章 空调控制系统硬件设计 信号和鼓风机的正负端关联起来 具体关系通过下列方程组推导 233231 5 231221229 220 5 220100 224 224234 VignVinmVinm Vdcath RR Vinm VdcathSW VVdtypVdcathVdcath Vcesattyp RRR RPWM VspKA VGainopa RmicroR Vmotm Vsp VinpRVsp RR VinpVinm VmotorVignVmot m 解上述方程组后可得 PWM 与 Vmotor 鼓风机两端电压 的关系 取主要值如下 PWM Vmotor 0 0 655 25 3 199 50 7 054 75 10 908 100 14 762 代入拟合函数 可得到 PWM 与 Vmotor 为近似线性关系 0 154 0 655 Vmot PWMPWM 图 3 176 输入输出转移曲线 Fig 3 166 Input Output Transfer Curver 第 28 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第3章 空调控制系统硬件设计 3 3 3 3 鼓风机故障诊断 对于鼓风机模块 主要考虑如下四个故障模式 a 鼓风电机堵转 b 驱动电路端开路 c 驱动电路端短路至电源 d 驱动电路端短路至地 为探测鼓风电机堵转 只需在电机的负端通过电阻分压进行 AD 采样判断即 可 当鼓风机堵转时 电流急剧增大 导致鼓风机两端电压上升 当 AD 采样值 采集到低于正常工作的阈值时 将引发模块采取相应的措施 记录故障代码 对于鼓风机的开路及短路故障 也是通过电阻分压进行 AD 采样来判断 但由于 2904 的输出端电压不定 且其值的变化将会导致 Mos 管的 Vgs 变化 最终使流 经鼓风电机的电流产生较大波动 故另加一路 AD 并在该两处采样点处以电阻 隔离 由于该模块的诊断与 2 3 4 直流电机驱动模块类似 故不多赘述 3 3 4 直流电机驱动模块 与鼓风机电路采用分离元件构成反馈电路不同 直流电机驱动部分主要采用 Infineon 公司的 TLE4208 驱动芯片进行控制 一块芯片驱动两个电机 最大 500mA 的负载能力 故两块 4208 可满足本模块的要求 下图为一块 4208 芯片及周围电路 图 3 187 直流电机模块驱动电路 第 29 页 上海交通大学工程硕士学位论文 第3章 空调控制系统硬件设计 Fig 3 177 DC Motor Dirve Circuit 电路较为简单 但为了实现开路 短路 以及 软短路 的诊断功能 需要进行 特别采样和计算 经过研究 从电机的负端引出分压电阻进行检测 可列方程如下 Vb