高壓PTC加熱器控制系統的設計

石 林，岳秀麟，楊春華

（豫新汽車熱管理科技有限公司，河南 新鄉 453000）

1 前言

CAN屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，是目前全球應用最廣泛的開放式現場總線之一。CAN總線技術自從開發出來后，在汽車領域被極大范圍地推廣與使用，尤其在混合動力汽車和純電動汽車領域，整車各電子控制單元之間通過總線進行通信。越來越多的主車廠還在CAN總線基礎上增加了診斷與Bootloader功能，圖1為一混動車型的網絡拓撲圖。

PTC加熱器 （包括水暖式與風暖式）做為高壓、高功率、高溫工作的器件，其內部大多集成控制器，通過CAN總線與整車ECU進行通信。PTC加熱器需接收整車的指令來開啟／關閉輸出或調節輸出功率，同時還要將實時的工作狀態（耗電功率、故障信息等）放于總線上供ECU提取。在空調總成 （HVAC）的總裝車間，生產線通電檢測時需要頻繁啟動PTC加熱器，本工裝可以模擬ECU控制PTC加熱器的通斷與PWM占空比，同時將PTC的工作狀態與故障信息顯示出來，保證了空調總成在線檢測的有效進行。本文以風暖式PTC加熱器為例設計CAN總線通信工裝。

2 CAN通信工裝功能介紹

此工裝采用CAN2.0B總線協議，按表1中DBC數據表與PTC加熱器進行通信，波特率為250kb／s。

它發給PTC加熱器一種ID（0x18F00C87）的報文，控制PTC加熱器的開關狀態與工作占空比，同時接收PTC加熱器發送的3種ID （0x18F0012A、0x18F0022A、0x18F00F2A）的報文，分析報文信息并顯示出來。此工裝包含4個按鈕，分別實現PTC啟動／停止、顯示屏換頁、占空比減少1、占空比增加1功能，還包含一液晶顯示屏，分PTC工作信息、故障信息、占空比設置3個頁面顯示。

3 硬件設計

3.1 微處理器

微處理器選用Freescale公司的MC9S12XS128MAL單片機，總線速度可達40MHz，它由16位中央處理單元 （CPU12X）、128KB程序Flash、8KB RAM、8KB數據Flash組成片內存儲器。它的主要功能模塊包括：內部存儲器、內部PLL鎖相環模塊、MSCAN模塊、1個8通道輸入／輸出比較定時器模塊TIM、周期中斷定時器模塊PIT、16通道A／D轉換模塊ADC、1個8通道脈沖寬度調制模塊PWM等。圖2為其最小系統電路圖。

此單片機的MSCAN模塊支持CAN2.0A／2.0B協議，有兩個信號引腳，分為發送 （TX單片機的PM1引腳）和接收（RX單片機的PM0引腳），為TTL電平，需接收發器才能連接到CAN總線上。當TX引腳上的輸出電平為低電平時，為顯性狀態，反之為隱性狀態。

3.2 CAN收發器

本設計選用高速CAN收發器TJA1050，它是物理總線和CAN控制器之間的接口，適用的波特率范圍從60kb／s到1Mb／s。TJA1050可以為總線提供差動的發送功能，且完全符合ISO 11898標準，是PCA82C250高速CAN收發器的后繼產品。

圖1 網絡拓撲圖

表1 DBC數據表

CAN控制器通過一條串行數據輸出線TxD和一條串行數據輸入線RxD連接到收發器，而收發器則通過兩個有差動接收和發送能力的總線終端CANH和CANL連接到CAN-bus總線。通過控制引腳S可以選擇兩種工作模式：將引腳S搭鐵或懸空可以使TJA1050進入高速模式；將引腳S邊接高電平可以使TJA1050進入靜音模式。圖3為本工裝CAN收發模塊的電路圖。

3.3 顯示屏與按鍵

本設計選用MS12864R漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字 （16×16點陣）、128個字符 （8×16點陣） 及64×256點陣顯示RAM （GDRAM）。支持多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。按鍵輸入引腳選用單片機帶有中斷功能的I／O口（PH0～PH3），且設計有按鍵防抖電容。圖4為顯示屏與按鍵模塊電路圖。

4 軟件設計

4.1 初始化

4.1.1 總線時鐘

本設計的MCU工作總線時鐘選擇內部鎖相環 （PLL）時鐘，以獲得更高的總線時鐘頻率。首先設置時鐘合成寄存器SYNR和時鐘分頻寄存器POSTDIV，以確定PLL時鐘頻率 （此設計POSTDIV的值為0，則fPLL=fVOC）。然后設置時鐘選擇寄存器的控制位PLLSEL=1，從而選定PLL時鐘。

鎖相環產生時鐘頻率fPLL以及總線時鐘頻率fBUS由下面公式得到：

圖2 最小系統電路圖

圖3 CAN收發模塊電路圖

式中：fOSC——晶振頻率，為16MHz；SYNDIV——時鐘合成分頻系數，設置為3；REFDIV——時鐘參考分頻系數，設置為1；fPLL——鎖相環時鐘；fBUS——總線時鐘。

4.1.2 ECT定時器

圖4 顯示屏與按鍵模塊電路圖

S12X系列單片機具有8個16位緩沖寄存器的輸入捕捉（IC）／輸出比較 （OC）通道。ECT定時器模塊各個功能的使用，需要依據MCU型號確定可用的寄存器資源，其中主要的寄存器有：輸入捕捉／輸出比較選擇寄存器 （TIOS）、計數寄存器 （TCNT）、控制寄存器 （TCTL1、TCTL2）、系統控制寄存器 （TSCR1、TSCR2）、中斷使能寄存器TIE、中斷標志寄存器 （TFLG1、TFLG2）、輸入捕捉／輸出比較寄存器TCx等。具體程序見圖5。

圖5 ECT定時器程序

4.1.3 MSCAN模塊

首先，此設計的總線波特率為250kb／s，當MSCAN模塊進入初始化模式后 （INITRQ=1且INITAK=1），需要通過設置總線定時器寄存器CAN0BTR0與總線計數器寄存器CAN0BTR1來實現。計算公式如下：

位時間=預分頻值×（1+時間段1+時間段2）／fCANCLK=8×（1+2+13）／32=4

即，波特率為1／位時間=250kb／s，圖6為其程序代碼。

圖6 MSCAN模塊程序代碼

其次，通過設置控制寄存器CANCTL1=0xC0，使能MSCAN模塊，且使用總線時鐘源。最后設置控制寄存器CANCTL0=0x00，退出初始化，回到一般運行模式。

4.1.4 中斷向量

此工裝涉及到3種中斷：CAN0接收中斷、按鍵 （H口）中斷與定時器1中斷，根據中斷源設置其向量地址，中斷向量程序代碼如圖7所示。

圖7 中斷向量程序代碼

4.2 主函數

此工裝的主函數流程如圖8所示。

此工裝發送的報文格式如圖9所示。

填寫報文的內容為：①ID——0x18f00c87；②RTR——0，表示數據幀；③數據——0x00 00 00 00 00 00 00 C9，表示開啟工作，占空比100%，如果調節按鍵3或按鍵4，此數據中bit1～bit7會變化；④數據長度——8；⑤數據優先級——0，表示最高。

CAN0發送與接收函數流程如圖10所示。

其中，ID為擴展幀格式，對標識符寄存器IDR0～IDR3寫入程序與讀取程序分別如圖11和圖12所示。

圖8 主函數流程圖

圖9 報文格式

圖10 CAN0發送與接收函數流程圖

圖11 寫入程序

圖12 讀取程序

4.3 中斷函數

CAN0接收中斷函數流程圖與按鍵中斷函數流程如圖13與14所示。

圖13 CAN0接收中斷函數流程圖

5 總結

此工裝在現有功能基礎上可以增加LIN與PWM模塊，以適用不同型號的產品，還可以擴展存儲芯片，并增加USB模塊，這樣就可以存儲生產線的檢測記錄，并將數據導出到上位機，便于品質跟蹤。

圖14 按鍵中斷函數流程圖