一种轿车车门ECU 设计

  摘  要： 提出了一种“总体分布、局部集中式”的轿车车门ECU设计，ECU之间以CAN总线方式通信。以英飞凌公司XC164CS微控制器和TLE8201、BTS781功率驱动芯片为核心设计了车门ECU的硬件电路；在XC164CS上移植了μC/OS-Ⅱ实时操作系统，在此基础上进行了任务划分和应用软件设计,最后搭建了整个车门控制系统的实验台架。试验结果表明，该系统运行稳定可靠，达到了设计性能。

随着科技的飞速发展，为了提高行车的舒适性，针对轿车的车门控制系统，人们已经设计了基于CAN、LIN等总线系统的完全分布式控制方案。

轿车车门电子控制器是每一辆现代轿车都必须安装的模块。轿车车门的基本配置包括电动车窗和中控锁（门锁）、前车门后视镜、转向信号灯、礼貌灯等，这些功能可相对独立配置，具有可裁剪性，可按用户需求增减。由于电子技术的进步和集成电路制造工艺的发展，目前车门模块电子控制器的主流是采用高集成度的芯片控制方式。本文基于英飞凌公司生产的高集成度专用门控芯片TLE8201和BTS781，给出了一种新的车门控制解决方案。

1 车门ECU总体设计方案

目前流行两款车门ECU方案，即集中式控制方案和分布式控制方案。其中，集中式控制是将电动车窗、后视镜、门锁等负载的控制集中由车身中央控制器完成，这样可降低整体成本，但增加了控制器的复杂性；而且控制过于集中、尺寸偏大，不利于安装、布线和散热。而分布式控制方案为奥迪、大众等汽车公司所采用，每个车门内的负载由各自的ECU模块单独控制，也可由驾驶员侧ECU通过CAN总线控制。在这种方案中，两个前门ECU连接到CAN总线网络，后面两个车门的ECU可通过CAN总线或LIN总线方式相互通信，或直接由车身中央控制器模块驱动。分布式方案控制简单，但成本偏高。

借鉴以上两种控制方案的优点，本课题组设计了一种“总体分布，局部集中式”的控制方案，其框图如图1所示，即将左侧前后两个车门的控制作为一个ECU模块，右侧前后两个车门的控制作为另一个ECU模块，两个模块之间以及模块与中央控制器之间均以CAN总线方式连接。


本设计方案成本适中，易于布线和控制，是基于集中式和分布式控制优势的一种折中。本设计中的中央控制器模块可模拟特殊的诊断或信息显示功能等，并可用于验证所做设计的正确性，实际的车门控制节点并不包含此模块。

2 车门ECU硬件设计

本车门控制系统的硬件结构框图如图2所示。本系统选用的微控制器为英飞凌公司生产的XC164CS，其MAC单元增加了DSP功能来处理数字滤波算法，从而大大缩短了乘除运算的时间；五级流水线结构、大多数的单周期指令、可遍寻地址空间的PEC传送提高了系统性能。片上调试系统（OCDS）支持对目标系统进行调试。XC164CS出色的性能还适合于实时操作系统的移植。


TLE8201是英飞凌公司新推出的专用于车门控制的一款高集成度芯片，该芯片内部有6个半桥结构电路及5个单独的高边开关。这款多MOS管集成的功率芯片其MOS管具有不同的导通电阻，可用于实现对不同功率负载的驱动。针对车门控制模块，可完成门锁、后视镜X-Y方向、后视镜折叠、后视镜除霜、车门灯光等的控制功能，并具有完善的保护和诊断功能。

功率驱动芯片BTS781完成电动车窗的升降驱动控制。BTS781的4个MOS管构成H桥电路，可方便实现对直流电机的正、反转控制，并具有完善的保护和故障诊断功能。这些特点可保证车窗电机控制的可靠性。

TLE6250是CAN收发器，是ECU之间的CAN通信接口。

电路设计中主要以TLE8201和BTS781芯片为核心进行设计，以配合软件完成相应的负载驱动功能。其中以TLE8201为核心的电路设计如图3所示（每个ECU 由两个TLE8201分别控制前、后门的门锁、后视镜和灯），以BTS781为核心的电路设计如图4所示（每个ECU由2个BTS781分别控制前、后门的车窗升降）。由图3可见，以TLE8201为核心的门锁、后视镜、灯控制电路非常简洁，减小了电路板面积，提高了可靠性。以BTS781为核心的车窗升降控制电路通过对车窗电机电流的检测和滤波放大，在软件配合下可实现车窗防夹功能。右侧ECU单元与左侧ECU单元设计类似。



3 软件设计

3.1 μC/OS-Ⅱ实时操作系统在XC164CS微控制器上的移植

本系统的车门ECU采用基于μC/OS-Ⅱ实时操作系统的设计方法。在完成μC/OS-Ⅱ的移植后，可极大地简化应用程序的编写，便于调试、维护和移植，提高系统的稳定性，且可根据用户的需求裁剪各项功能，容易添加新功能，缩短开发时间。因此，本系统的车门ECU设计首先要完成μC/OS-Ⅱ在 XC164CS上的移植，之后以任务添加方式完成整个ECU的应用软件设计。

所谓移植，就是使一个实时内核能在某个微处理器或微控制器上运行。虽然大部分的μC/OS-Ⅱ代码是用C语言编写的，但仍需要用汇编语言写一些与处理器相关的代码，这是因为μC/OS-Ⅱ在读写处理器寄存器时只能通过汇编语言来实现。

要使μC/OS-Ⅱ正常运行，处理器及其编译器必须满足以下要求：

(1)处理器的C编译器可产生可重入代码；

(2)用C语言可以打开和关闭中断；

(3)处理器支持中断，并且可产生定时中断(通常在10 Hz～100 Hz之间)；

(4)处理器支持可容纳一定量数据(可能是几千字节)的硬件堆栈；

(5)处理器有将堆栈指针和其他CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。

XC164CS微控制器和Keil C166编译器可满足以上要求。移植工作主要关注如何使μC/OS-II正确地定义和使用XC164CS。首先是芯片的中断处理机制，即如何开启、屏蔽中断，可否保存前一次中断状态等。此外，还需关注系统对于存储器的使用机制，诸如内存的地址空间、堆栈的增长方向、压栈和出栈的指令等。

具体来说，由于μC/OS-II自身的代码绝大部分都是用ANSI C代码编写的，而且代码的层次结构十分简洁，与平台相关的移植代码仅仅存在于OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C以及OS_CPU.H三个文件当中。因此，移植工作涉及此三个文件，并做了相应的代码修改，完成了?滋C/OS-Ⅱ在XC164CS上的移植工作。

3.2 车门ECU任务划分及任务添加

本设计把控制任务划分为表1所示的四个主要任务。


根据以上任务划分，设计系统的软件结构框图如图5所示。


按以上设计方案，本课题设计了一种“总体分布、局部集中式”的轿车车门系统控制方案。测试结果表明，所设计的车门控制系统可完全实现车窗升降(带防夹控制)、后视镜X-Y方向控制及折叠、门锁开关等控制功能。本系统经长时间测试，工作正常、可靠，达到了预期的设计目标。