汽车车身控制器电源管理系统设计与应用
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【摘要】文章详细分析了车身控制模块电源管理系统电路的设计，包括总体电路设计、数据采集与控制电路、调理电路、通信接口电路等内容，实现了总线控制车身电器，可供参考。
【关键词】车身控制器；电路设计；信号控制
引言
集总式BCM对车身用电器的电路实现主要包括输入信号调理电路、基于微控制器（MCU）的数据采集和控制电路、基于FPGA的逻辑运算电路、功率输出电路和通信接口电路。以下将结合各个方面分别详细介绍。
1.BCM的总体电路设计
根据集总式BCM的功能需求，需要采集多种开关量信号和模拟量信号，经过逻辑运算，决定功率输出状态，并将此状态通过CAN总线传送给CAN总线仪表，从而显示给司机，同时要求实现功率输出电路的智能故障诊断。图1显示了集总式BCM的系统电路原理图，其中A/D电路还包括对传感器信号的采集。
如图1所示，FPGA主要实现逻辑和时序控制（PWM输出和转向灯时序），MCU完成模拟信号（模拟量输入和诊断反馈量）的采集和CAN通信功能。功率输出采用智能高边功率开关，带有过流、过压保护功能，且具有输出状态诊断功能。MCU与FPGA间通过数据和控制总线进行通信，用于车速和PWM脉宽数据、开关量状态等的信息交互。
整个系统的工作流程如下：
使用微控制器MCU的A/D接口功能，采用等比例电阻分压法，采样并将用电器供电电压进行A/D转换，采样电压范围在0-5.0V，并经过限幅电路使得采样电压不超过5V，根据A/D转换结果确定占空比，将占空比数据转换为8位脉冲宽度数据，通过MCU的8位数据线和控制线写入FPGA芯片中的脉冲宽度数据寄存器；
MCU集成CAN控制器，用于发送故障诊断状态报文和其他通讯内容；
在FPGA芯片中，实现多路PWM信号的时序逻辑，PWM信号输出至各路用电器的电源芯片的控制端，即高边智能功率开关；
HS-IPSW提供驱动电流作为用电器的供电电源，其电源输入为蓄电池正极，其控制端接收来自FPGA芯片的PWM控制信号，其输出根据输入的PWM控制信号，工作在开关输出状态，电压波形为PWM波形，使其输出电压等于用电器的额定工作电压。
2.基于MCU的数据采集与控制电路
基于MCU的数据采集与控制电路，主要完成24V供电电压的检测、传感器电压信号检测、功率电路输出状态检测、CAN报文数据的收发及与FPGA电路的信息交互。图1显示了以MCU为中心的模拟信号采集和控制电路原理图。74HC4851是一个模拟信号多路复用器。本设计中，使用了4片74HC4851来完成对32路模拟信号的采集。使用富士通的一款16位单片机MB90F342作为微控制器，该芯片集成了2路CAN控制器、24路A/D转换器，其中2路CAN控制器通过软件配置可实现RS232串口功能，24路A/D转换器通过软件配置可实现普通I/O口功能。本设计中，使用了其中1路CAN控制器和4路A/D转换器。使用1片带2KB的EEPROM的硬件看门狗集成电路帮助MCU程序复位，“喂狗”时间为600ms，该芯片通过SPI总线与MCU通信。图1中，MCU的数据总线、片选和Latch信号用于向FPGA芯片中的脉冲宽度数据寄存器写入数据。使用MCU集成的CAN总线控制器完成将集总式BCM管理开关量状态及处理后的传感器数据发送给仪表显示单元。
3.输入信号调理电路
集总式BCM的输入信号类型包括：开关量、模拟量。信号调理电路根据输入信号的类型采用不同的调理电路，使得输入到MCU和FPGA的信号电平满足各自要求，并起到整形滤波的作用。图2显示了低输入开关量的信号调理电路、高输入开关量的信号调理电路、频率量信号调理电路、模拟电压输入信号调理电路。
从图2频率量信号调理电路中可知，采用低漂集成运算放大器LM2903构成的迟滞比较器来完成对输入频率信号的滤波与整形，其中，Fin1为频率信号输入，Fout为整形后的频率信号输出，Vref为参考电压，在本设计中，取Vref=2V。由运算放大电路的虚短和虚断可知，该迟滞比较器电路的双阈值门限分别为：
其中RS=R1|R2。在式1和2中，VH，VL分别为迟滞比较器的高边阈值和低边阈值，VOL为输出电压的低电平。由图2中的频率量信号调理电路参数和式1、式2可知，VH=3.5V，VL=1.0V，该迟滞比较器的输出为一方波信号，高电平为+5V，低电平为0V，起到很好的滤波和整形作用。
在图2中的模拟电压量信号调理电路部分，模拟电压经电阻分压网络后，输入电压跟随器，再输入到MCU的A/D转换器输入端，测量电压范围为0～32V。采用TVS管MMSZ5232BT1去除输入信号中的过压和浪涌电流，避免对后级电路的损害。将图2中R121以250欧的电阻替换，即可实现对电阻型传感器的信号测量，使电阻型信号转换成电压信号，电阻型信号测量范围为0～500欧，因此，该电路还是一个硬件可配置的电阻或电压信号调理电路。
4.通信接口电路
通信接口电路指CAN总线接口电路，完成CAN总线的物理电平到MCU的TTL电平的转换。R150为CAN总线通信物理层所要求的匹配电阻，D42的型号为NUP2105L，该器件专为高速CAN总线信号设计的双向瞬态电流抑制器（TVS）。ZJYS81R5为一共模电感，共模电感和TVS的组合使用能够提高系统的EMI性能，从而提高系统的可靠性。
5.结语
本文完成了汽车车身控制模块电源管理系统电路的设计，通过总线的控制，完成对车身电器电源的控制，解决车身电器的软启动、软关断和多路信号输出的问题。
参考文献
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