基于飛思卡爾單片機的汽車空調控制器設計

楊少柏 李偉 王林華 張揚清 張家文

摘 ?要：汽車空調控制系統在整個汽車空調系統中類似于大腦，影響汽車空調控制邏輯和車內環境溫度控制的準確性，直接關系用戶在車內舒適程度體驗。本文主要介紹以飛思卡爾MC9S12G128單片機為主控芯片，集成CAN，LIN通信，多種傳感器采集和多執行器的控制系統，該系統已成功使用于商用車領域。

關鍵詞：汽車空調;飛思卡爾MC9S12G128單片機;控制系統

中圖分類號：U463 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2020）05-0096-05

Abstract： The automobile air conditioning control system is similar to the brain in the whole automobile air conditioning system， which affects the control logic of automobile air conditioning and the accuracy of the temperature control in the car， and directly relates to the user's comfort experience in the car. This paper mainly introduces the control system with freescale MC9S12G128 MCU as main control chip， integrated CAN， LIN communication， a variety of sensor acquisition and multi-actuator， which has been successfully used in the field of commercial vehicles.

Key Words： Automotive Air Conditioning; Freescale MC9S12G128 Single-chip; Control System

隨著汽車半導體技術的日益發展，芯片在汽車中運用的越來越多，汽車中電子化智能化的零件會越來越多，汽車空調的智能化程度也越來越被客戶重視，以往機械化的空調在目前的市場中很難達到客戶的要求。同時汽車市場競爭越來越激烈，只有更加智能的溫度調節系統才能在前市場中脫穎而出，才能為客戶提空更加舒適的車內氣候環境。

該汽車空調控制系統使用飛思卡爾MC9S12G128 單片機為主控芯片，對蒸發器溫度傳感器，室內室外溫度，PM2.5，陽光傳感器周期性采集。通過驅動芯片L9826驅動步進電機控制混合風門，模式風門，內外循環風門。同時協調鼓風機，冷凝風扇，壓縮機最終達到客戶對環境舒適度的要求。

1 ? ?汽車空調溫控原理

整個溫控系統是基于空調殼體進行控制的，空調通過步進電機改變門風的位置從而改變出風模式，此汽車空調系統中模式風門通過步進電機改變出風位置達到改變吹風模式的功能，如吹臉，吹腳等模式。內外循環風門通過步進電機改變出風位置選擇外循環和內循環。混合風門也是同樣的道理。最終配合駕駛艙內外溫度調節鼓風機，壓縮機轉速使整個駕駛艙環境溫度達到客戶舒適的程度。汽車空調系統框圖如圖1所示：

2 ? ?硬件電路設計

2.1 ? 主控芯片

當前市場上出售的單片機種類非常多，但是在能夠滿足汽車要求的單片機中，飛思卡爾單片機具有精簡指令集、運行速度快，芯片實時性好、IO帶負載能力強、可靠性強的優勢，而飛思卡爾單片機中MC9S12G128是經過一系列優化后的16bits MCU，其優點是成本低，功耗低，功能集成度高，PIN腳少但復用度高。Flash memory 128Kbytes，三路SCI，SPI，八路PWM，十二路10bit ADC，同時具備看門狗定時器，能有效防止電壓波動、emc、軟硬件意外故障造成的死機現象，片內也有二極管保護電路，遠遠達到產品的需要。

2.2 ? 步進電機驅動電路

控制風門的步進電機為四相步進電機。驅動芯片選用ST公司的L9826芯片，該芯片是一個八路低側驅動芯片專用于汽車領域，有片選引腳NCS和復位引腳NRES，通過SPI控制八個out的輸出，其中CLK為時鐘引腳，SDO為數據輸出，SDI為數據輸入。另外該芯片輸出電流能力可以達到450Ma，且具有過壓、欠壓，負載短路、過熱等保護，完全可以滿足步進電機對驅動能力的要求。因為模式風門，混合風門，內外循環風門使用了三個步進電機，所以此控制器使用了兩片L9826芯片。

2.3 ? CAN總線驅動

該控制器的CAN通信使用恩智浦半導體公司的TJA1042芯片，這款芯片是專門為汽車行業高速CAN通信設計，傳輸速率能夠達到1MBITS/S，比TJ1040有更強的抗靜電能力，并且完全符合ISO11898標準。

2.4 ? Lin總線驅動

為了滿足控制器對不同車型的兼容性和平臺化研發需要，該控制器同時集成了LIN功能，選用了NXP的TJA1021芯片，NXP 公司的TJA1021是LIN 2.0/SAE J2602收發器。它在本地互聯網絡（LIN）主/從協議控制器和LIN中物理總線間進行接口。TJA1021和LIN 2.0/SAE J2602標準兼容，在車內的子網絡的波特速率從1 kBd 到 20 kBd。TJA1021與TJA1020是兼容的，在TJA1020基礎上加強的靜電保護能力。

2.5 ? 鼓風機驅動電路

因為空調系統中有簡單調速模塊，所以單片機只需要輸出PWM信號經過積分電路和運放就可以實現鼓風機調速，通過改變PWM信號的占空比來改變鼓風機的端電壓，從而實現鼓風機的調速功能。

2.4 ? ADC采集電路

該電路為典型的ADC采集電路，加入RC提高抗干擾能力，通過該電路采集蒸發器溫度傳感器，室內室外溫度傳感器和吹腳溫度傳感器等各類傳感器電壓。單片機AD引腳為10bits所以精度準確。配合傳感器RT表可以準確的顯示需要的數據。

3 ? ?軟件設計

3.1 ? 軟件設計平臺

該控制器軟件編程部分是在codewarrior IDE平臺實現，并使用平臺自動生成軟件功能PE，完成底層驅動代碼自動生成，免除了繁瑣的寄存器配置。只需要對生成的函數進行調用。例如ADC驅動，PWM驅動，CAN總線和LIN總線，SPI，SCI都可以直接通過PE生成已經配置好寄存器的封裝函數，大大減少了研發時間，提高了研發效率。

3.2 ? 系統軟件設計

因為使用大家最常用的c語言編程，軟件可讀性非常強，方便了后期的維護升級。程序主要包括初始化，傳感器檢測采集，自動控制計算，風量控制，各種風門的控制，壓縮機控制等，主程序任務調度如圖8所示：

系統開機后首先進行系統初始化，對單片機IO端口，AD模塊，spi，定時器，can lin等進行初始化設置，接著使用時間片調度的方法，對任務進行調度，優先級高的任務執行先于優先級低的任務，每10ms采集一次電池電壓和發動機狀態，并且接受LIN總線或者CAN總線發過來的信息。每50ms完成控制邏輯判斷，執行相應的執行器，鼓風機，冷凝風扇，壓縮機等，每100ms該控制器通過can總線或者Lin總線將狀態信息發送給整車或者其他控制器。

在此過程中主程序會加上看門狗清零程序，每隔一段時間就會使用看門狗清零，一旦沒有清零，看門狗溢出，就會發出復位信息，單片機就會產生復位。

4 ? ?硬件PCB及軟件通信驗證

使用ORCAD中的ALLEGRO完成PCB的布局布線，該控制器使用4層板設計，數字信號線與模擬信號線嚴格劃分，避免信號間的干擾。驅動電路的布線在可以走寬線時盡可能的加寬。對于晶振的部分，信號線差分對稱。整個布線效果見圖9：

通過MUXTRACE軟件可以時時監控控制器信號的收發情況，能夠直觀的反應控制的軟件的工作情況，如圖10可以看見該系統收發正常，

具體協議需要見圖11，不同車企對協議的制定不同，這里不做具體討論。

5 ? ?總結

該控制器使用飛思卡爾16位單片機作為MCU，硬件方面嚴格通過了第三方EMC實驗室測試。軟件方面使用時間片調度的方式使代碼整潔易讀，方便維護，且不同任務之間不沖突，實時性高，負載率低。目前該控制機已經使用在多家整車廠，能夠在各種工況下正常工作，可靠性強，得到客戶的廣泛好評。

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