基于XC164CS和BTS7741G的中央門(mén)鎖控制設(shè)計(jì)

如今已有越來(lái)越多的汽車(chē)采用電子車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)，中央門(mén)鎖是車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)的重要組成部分。本文結(jié)合車(chē)門(mén)控制模塊設(shè)計(jì)的項(xiàng)目實(shí)踐，重點(diǎn)介紹了中央門(mén)鎖部分的硬件和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)智能功率芯片BTS7741G的工作特性及故障檢測(cè)特性進(jìn)行了分析，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

車(chē)門(mén)控制模塊的整體設(shè)計(jì)

汽車(chē)車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，由于傳統(tǒng)的繼電器、熔斷器控制方式存在種種弊端，所以迫切需要引入新的控制方式來(lái)改善車(chē)門(mén)控制的現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)是基于16位嵌入式系統(tǒng)的車(chē)輛門(mén)控系統(tǒng)解決方案。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，車(chē)門(mén)控制模塊主要由以下幾部分組成：電源電路、電動(dòng)車(chē)窗驅(qū)動(dòng)電路、后視鏡驅(qū)動(dòng)電路、加熱器驅(qū)動(dòng)電路、中央門(mén)鎖驅(qū)動(dòng)電路、車(chē)燈驅(qū)動(dòng)電路、CAN總線接口電路、RS232接口電路及按鍵接口電路等。微控制器XC164CS用于控制所有功率器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)監(jiān)控，提供合適的反饋信號(hào)以及周期性地顯示診斷信息，并通過(guò)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)（如CAN）實(shí)現(xiàn)信息交換。由于選用的功率器件已經(jīng)提供了完善的保護(hù)功能，本設(shè)計(jì)避免了采用過(guò)多的功率元件，減小了模塊體積，并提高了模塊的電磁兼容性。

中央門(mén)鎖控制硬件設(shè)計(jì)

1智能功率芯片的選擇

現(xiàn)有的中央門(mén)鎖多采用繼電器驅(qū)動(dòng)方式。但是，繼電器驅(qū)動(dòng)有諸多缺點(diǎn)：功率繼電器勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電流較大，需消耗較大功率且接口電路復(fù)雜；繼電器的使用使控制器體積增大，重量增加；繼電器開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較低，觸點(diǎn)易抖動(dòng)，很難滿(mǎn)足車(chē)輛在帶電情況下行駛對(duì)機(jī)械震動(dòng)的要求。此外，觸點(diǎn)抖動(dòng)會(huì)影響繼電器的壽命，且EMI嚴(yán)重，難以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)燈的過(guò)熱、過(guò)壓、短路等故障的診斷及保護(hù)，需配合熔斷器使用，以防止過(guò)流。但熔斷器一旦動(dòng)作（即熔斷），電路將徹底切斷，需手動(dòng)更換熔斷器。

智能功率芯片BTS7741G適合于汽車(chē)電子苛刻的應(yīng)用環(huán)境。它的兩個(gè)高邊開(kāi)關(guān)和兩個(gè)低邊開(kāi)關(guān)具有欠壓保護(hù)、對(duì)地短路保護(hù)、對(duì)電源短路保護(hù)、熱關(guān)斷冷卻后重啟等多種智能保護(hù)功能，同時(shí)兩個(gè)高邊開(kāi)關(guān)還包含故障診斷電路，通過(guò)故障反饋引腳ST可以診斷出開(kāi)路故障、短路故障等故障狀態(tài)，適合用于中央門(mén)鎖的控制。

BTS7741G內(nèi)含四個(gè)MOS管，兩個(gè)高邊開(kāi)關(guān)和兩個(gè)低邊開(kāi)關(guān)，可以靈活配置輸出方式，用作H橋或者用作單獨(dú)的開(kāi)關(guān)均可。高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻為110mΩ，低邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻為100mΩ，工作電壓可達(dá)40V。

2 中央門(mén)鎖控制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

BTS7741G與微控制器連接電路如圖2所示。BTS7741G用作H橋，驅(qū)動(dòng)中央門(mén)鎖正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)過(guò)程靠時(shí)間來(lái)控制，電機(jī)運(yùn)行一定時(shí)間（本設(shè)計(jì)取值為0.25s）產(chǎn)生一定的位移，實(shí)現(xiàn)鎖定或開(kāi)鎖。電機(jī)運(yùn)行時(shí)間在程序中可變。無(wú)主動(dòng)制動(dòng)過(guò)程，通過(guò)上管續(xù)流實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)。兩次中央門(mén)鎖開(kāi)關(guān)動(dòng)作之間至少要有  0.5s時(shí)間間隔，保證MOS管可靠關(guān)斷。

圖2 BTS7741G與微控制器連接電路

上電后門(mén)鎖的狀態(tài)是未知的，因此微控制器首先關(guān)閉門(mén)鎖。中央門(mén)鎖的電機(jī)驅(qū)動(dòng)不采用PWM調(diào)壓方式。SH2外接  1kΩ上拉電阻，由+12V電源供電，可實(shí)現(xiàn)在關(guān)斷狀態(tài)下的開(kāi)路故障檢測(cè)。

BTS7741G對(duì)地短路實(shí)驗(yàn)

雖然BTS7741G的兩個(gè)高邊開(kāi)關(guān)和兩個(gè)低邊開(kāi)關(guān)都具有完備的短路保護(hù)功能，但是故障反饋引腳ST卻只能反饋兩個(gè)高邊開(kāi)關(guān)的短路故障狀態(tài)。所以，本設(shè)計(jì)針對(duì)BTS7741G的高邊開(kāi)關(guān)做了對(duì)地短路實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為先短路后上電和先上電后短路兩種情況。

BTS7741G的對(duì)地短路實(shí)驗(yàn)條件為+12.45V電池電壓，+5V電源供電，  1.5m短路導(dǎo)線(R=0.12Ω)。如圖3所示，其中VST為ST引腳對(duì)地的電壓、VIN是IH1引腳對(duì)地的電壓、VOUT是OUT引腳對(duì)地電壓，IL為發(fā)生對(duì)地短路故障時(shí)，流過(guò)BTS7741G的短路電流。

1 先短路后上電條件下的對(duì)地短路實(shí)驗(yàn)

圖3 BTS7741G先短路后上電短路實(shí)驗(yàn)波形圖前半段

圖4 BTS7741G先短路后上電短路實(shí)驗(yàn)波形圖后半段

圖5 BTS7741G先上電后短路短路實(shí)驗(yàn)波形圖前半段

圖6 BTS7741G先上電后短路短路實(shí)驗(yàn)波形圖后半段

如圖3所示，在開(kāi)關(guān)按下的瞬間，由于開(kāi)關(guān)自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了大量毛刺；瞬間浪涌電流為10A（25℃，BTS7741G的短路電流峰值典型值為10A）；輸出端電壓VOUT一直為低電平；ST故障診斷引腳在短路發(fā)生后1.4ms左右被拉低，意味著B(niǎo)TS7741G在此時(shí)診斷出了故障。此后，BTS7741G內(nèi)部會(huì)周期性的關(guān)斷MOS管，所以短路電流IL被周期性的鉗制為0A，有效抑制了短路電流導(dǎo)致的芯片持續(xù)發(fā)熱，從而保護(hù)芯片不會(huì)因?yàn)槎搪范鴵p壞；ST引腳的電平也會(huì)隨著短路電流的變化而周期性的被拉為低電平。如圖4所示，當(dāng)芯片完全冷卻后，BTS7741G可以重新啟動(dòng)，繼續(xù)正常工作。

2 先上電后短路條件下的對(duì)地短路實(shí)驗(yàn)

如圖5所示，在開(kāi)關(guān)按下的瞬間，瞬間浪涌電流為25A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于25℃時(shí)BTS7741G的短路電流峰值典型值10A。但這個(gè)25A的浪涌電流僅持續(xù)不到30μs的時(shí)間立即降為10A，所以對(duì)芯片損壞不大；輸出端電壓VOUT在短路瞬間被拉低為低電平；ST故障診斷引腳在短路發(fā)生后1.6ms左右被拉低，意味著B(niǎo)TS7741G在此時(shí)診斷出了故障。此后，BTS7741G內(nèi)部會(huì)周期性的關(guān)斷MOS管，類(lèi)似于先短路后上電短路實(shí)驗(yàn)，短路電流IL被周期性的鉗制為0A，ST引腳的電平也隨著短路電流的變化而周期性的被拉為低電平。如圖6所示，當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，BTS7741G可以重新啟動(dòng)，輸出電壓VOUT為高電平，芯片沒(méi)有受到短路狀況的任何影響，繼續(xù)正常工作，充分顯示了BTS7741G完善的短路保護(hù)功能。

門(mén)鎖部分的軟件設(shè)計(jì)

門(mén)鎖軟件的算法就是在適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)中控制適當(dāng)?shù)臉虮蹖?dǎo)通或者關(guān)斷。在門(mén)鎖開(kāi)啟或者關(guān)閉時(shí)需要上下各一個(gè)橋臂導(dǎo)通，在開(kāi)啟或者關(guān)斷之后需要進(jìn)行續(xù)流，這時(shí)就只需要關(guān)斷下橋臂，而讓上橋臂導(dǎo)通一段時(shí)間即可。其具體的控制算法可以參考圖7所示的門(mén)鎖的狀態(tài)流圖。

圖7 門(mén)鎖控制狀態(tài)流圖

表1給出了門(mén)鎖的幾種工作狀態(tài)。

各個(gè)工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換并不是都由控制命令ubCmdLatch來(lái)觸發(fā)激活的。從LATCH_CLOSED到LATCH_OPENING和從LATCH_OPENED到LATCH_CLOSING這兩次轉(zhuǎn)換是由ubCmdLatch來(lái)觸發(fā)的，其意義就是在得到開(kāi)啟或者關(guān)閉的命令后，門(mén)鎖從靜止的狀態(tài)開(kāi)始變化到運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，也就是門(mén)鎖從關(guān)閉的靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始開(kāi)啟，或者在打開(kāi)后開(kāi)始關(guān)閉。在PASSAT B5電動(dòng)車(chē)門(mén)中使用了電動(dòng)門(mén)鎖，門(mén)鎖開(kāi)啟或者閉合都是由電機(jī)帶動(dòng)鎖插銷(xiāo)前后移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而B(niǎo)TS7741G內(nèi)部就是一個(gè)簡(jiǎn)單的H橋電路，因此就是通過(guò)程序控制H橋在合適的時(shí)間開(kāi)啟適當(dāng)?shù)纳舷聵虮?，達(dá)到控制門(mén)鎖電機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的。在LATCH_OPENING 和LATCH_CLOSING這兩個(gè)狀態(tài)中就編寫(xiě)了控制一對(duì)上下橋臂管導(dǎo)通的命令。而在狀態(tài)LATCH_CLOSED和 LATCH_OPENED中，四個(gè)管子都不導(dǎo)通。

其余各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換都不是由控制命令觸發(fā)的，有些是通過(guò)定時(shí)，有些則是通過(guò)錯(cuò)誤的檢測(cè)。故障檢測(cè)功能通過(guò)監(jiān)視ST引腳輸出電平實(shí)現(xiàn)。在正常狀態(tài)下，ST引腳輸出高電平；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，ST引腳輸出為低電平。具體的狀態(tài)切換可以從圖7中清楚的看到。例如，從狀態(tài)LATCH_OPENING到LATCH_OPEN_FREE就是計(jì)時(shí)到門(mén)鎖開(kāi)啟時(shí)間（LATCH_OPENING_TIME）結(jié)束，而如果檢測(cè)到開(kāi)路故障或過(guò)載故障，門(mén)鎖會(huì)一直保持在LATCH_CLOSED或者LATCH_OPENED狀態(tài)下。

通過(guò)對(duì)智能功率芯片BTS7741G的工作特性及故障檢測(cè)特性的研究與分析，對(duì)該芯片的安全性給與了肯定，確保了本設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。