2018年02月18日 | 基于XC164CS的中央门锁控制设计

如今已有越来越多的汽车采用电子车门控制系统，中央门锁是车门控制系统的重要组成部分。本文结合车门控制模块设计的项目实践，重点介绍了中央门锁部分的硬件和软件设计，对智能功率芯片BTS7741G的工作特性及故障检测特性进行了分析，并给出了实验结果。

车门控制模块的整体设计

汽车车门控制系统随着半导体技术的发展而发展，由于传统的继电器、熔断器控制方式存在种种弊端，所以迫切需要引入新的控制方式来改善车门控制的现状，本设计是基于16位嵌入式系统的车辆门控系统解决方案。

图1 系统结构框图

如图1所示，车门控制模块主要由以下几部分组成：电源电路、电动车窗驱动电路、后视镜驱动电路、加热器驱动电路、中央门锁驱动电路、车灯驱动电路、CAN总线接口电路、RS232接口电路及按键接口电路等。微控制器XC164CS用于控制所有功率器件的开关动作，同时对系统状态进行定时监控，提供合适的反馈信号以及周期性地显示诊断信息，并通过车载网络（如CAN）实现信息交换。由于选用的功率器件已经提供了完善的保护功能，本设计避免了采用过多的功率元件，减小了模块体积，并提高了模块的电磁兼容性。

中央门锁控制硬件设计

1智能功率芯片的选择

现有的中央门锁多采用继电器驱动方式。但是，继电器驱动有诸多缺点：功率继电器励磁线圈驱动电流较大，需消耗较大功率且接口电路复杂；继电器的使用使控制器体积增大，重量增加；继电器开关频率相对较低，触点易抖动，很难满足车辆在带电情况下行驶对机械震动的要求。此外，触点抖动会影响继电器的寿命，且EMI严重，难以有效实现对车灯的过热、过压、短路等故障的诊断及保护，需配合熔断器使用，以防止过流。但熔断器一旦动作（即熔断），电路将彻底切断，需手动更换熔断器。

智能功率芯片BTS7741G适合于汽车电子苛刻的应用环境。它的两个高边开关和两个低边开关具有欠压保护、对地短路保护、对电源短路保护、热关断冷却后重启等多种智能保护功能，同时两个高边开关还包含故障诊断电路，通过故障反馈引脚ST可以诊断出开路故障、短路故障等故障状态，适合用于中央门锁的控制。

BTS7741G内含四个MOS管，两个高边开关和两个低边开关，可以灵活配置输出方式，用作H桥或者用作单独的开关均可。高边开关导通电阻为110mΩ，低边开关导通电阻为100mΩ，工作电压可达40V。

2 中央门锁控制驱动电路设计

BTS7741G与微控制器连接电路如图2所示。BTS7741G用作H桥，驱动中央门锁正转或反转。驱动过程靠时间来控制，电机运行一定时间（本设计取值为0.25s）产生一定的位移，实现锁定或开锁。电机运行时间在程序中可变。无主动制动过程，通过上管续流实现电机制动。两次中央门锁开关动作之间至少要有 0.5s时间间隔，保证MOS管可靠关断。

图2 BTS7741G与微控制器连接电路

上电后门锁的状态是未知的，因此微控制器首先关闭门锁。中央门锁的电机驱动不采用PWM调压方式。SH2外接 1kΩ上拉电阻，由+12V电源供电，可实现在关断状态下的开路故障检测。

BTS7741G对地短路实验

虽然BTS7741G的两个高边开关和两个低边开关都具有完备的短路保护功能，但是故障反馈引脚ST却只能反馈两个高边开关的短路故障状态。所以，本设计针对BTS7741G的高边开关做了对地短路实验。实验分为先短路后上电和先上电后短路两种情况。

BTS7741G的对地短路实验条件为+12.45V电池电压，+5V电源供电， 1.5m短路导线(R=0.12Ω)。如图3所示，其中VST为ST引脚对地的电压、VIN是IH1引脚对地的电压、VOUT是OUT引脚对地电压，IL为发生对地短路故障时，流过BTS7741G的短路电流。

1 先短路后上电条件下的对地短路实验

图3 BTS7741G先短路后上电短路实验波形图前半段

图4 BTS7741G先短路后上电短路实验波形图后半段

图5 BTS7741G先上电后短路短路实验波形图前半段


图6 BTS7741G先上电后短路短路实验波形图后半段

如图3所示，在开关按下的瞬间，由于开关自身的机械结构导致了大量毛刺；瞬间浪涌电流为10A（25℃，BTS7741G的短路电流峰值典型值为10A）；输出端电压VOUT一直为低电平；ST故障诊断引脚在短路发生后1.4ms左右被拉低，意味着BTS7741G在此时诊断出了故障。此后，BTS7741G内部会周期性的关断MOS管，所以短路电流IL被周期性的钳制为0A，有效抑制了短路电流导致的芯片持续发热，从而保护芯片不会因为短路而损坏；ST引脚的电平也会随着短路电流的变化而周期性的被拉为低电平。如图4所示，当芯片完全冷却后，BTS7741G可以重新启动，继续正常工作。

2 先上电后短路条件下的对地短路实验

如图5所示，在开关按下的瞬间，瞬间浪涌电流为25A，远远高于25℃时BTS7741G的短路电流峰值典型值10A。但这个25A的浪涌电流仅持续不到30μs的时间立即降为10A，所以对芯片损坏不大；输出端电压VOUT在短路瞬间被拉低为低电平；ST故障诊断引脚在短路发生后1.6ms左右被拉低，意味着BTS7741G在此时诊断出了故障。此后，BTS7741G内部会周期性的关断MOS管，类似于先短路后上电短路实验，短路电流IL被周期性的钳制为0A，ST引脚的电平也随着短路电流的变化而周期性的被拉为低电平。如图6所示，当短路现象消失后，BTS7741G可以重新启动，输出电压VOUT为高电平，芯片没有受到短路状况的任何影响，继续正常工作，充分显示了BTS7741G完善的短路保护功能。

门锁部分的软件设计

门锁软件的算法就是在适当的状态中控制适当的桥臂导通或者关断。在门锁开启或者关闭时需要上下各一个桥臂导通，在开启或者关断之后需要进行续流，这时就只需要关断下桥臂，而让上桥臂导通一段时间即可。其具体的控制算法可以参考图7所示的门锁的状态流图。

图7 门锁控制状态流图

表1给出了门锁的几种工作状态。

各个工作状态之间的转换并不是都由控制命令ubCmdLatch来触发激活的。从LATCH_CLOSED到LATCH_OPENING和从LATCH_OPENED到LATCH_CLOSING这两次转换是由ubCmdLatch来触发的，其意义就是在得到开启或者关闭的命令后，门锁从静止的状态开始变化到运动的状态，也就是门锁从关闭的静止状态开始开启，或者在打开后开始关闭。在PASSAT B5电动车门中使用了电动门锁，门锁开启或者闭合都是由电机带动锁插销前后移动来实现的。而BTS7741G内部就是一个简单的H桥电路，因此就是通过程序控制H桥在合适的时间开启适当的上下桥臂，达到控制门锁电机正反转的目的。在LATCH_OPENING 和LATCH_CLOSING这两个状态中就编写了控制一对上下桥臂管导通的命令。而在状态LATCH_CLOSED和 LATCH_OPENED中，四个管子都不导通。

其余各个状态之间的转换都不是由控制命令触发的，有些是通过定时，有些则是通过错误的检测。故障检测功能通过监视ST引脚输出电平实现。在正常状态下，ST引脚输出高电平；当发生故障时，ST引脚输出为低电平。具体的状态切换可以从图7中清楚的看到。例如，从状态LATCH_OPENING到LATCH_OPEN_FREE就是计时到门锁开启时间（LATCH_OPENING_TIME）结束，而如果检测到开路故障或过载故障，门锁会一直保持在LATCH_CLOSED或者LATCH_OPENED状态下。

通过对智能功率芯片BTS7741G的工作特性及故障检测特性的研究与分析，对该芯片的安全性给与了肯定，确保了本设计的正确性和可靠性。