基于飛思卡爾單片機的汽車空調(diào)控制器設(shè)計

楊少柏 李偉 王林華 張揚清 張家文

摘 ?要：汽車空調(diào)控制系統(tǒng)在整個汽車空調(diào)系統(tǒng)中類似于大腦，影響汽車空調(diào)控制邏輯和車內(nèi)環(huán)境溫度控制的準確性，直接關(guān)系用戶在車內(nèi)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(zhí)行器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成功使用于商用車領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：汽車空調(diào);飛思卡爾MC9S12G128單片機;控制系統(tǒng)

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(dǎo)體技術(shù)的日益發(fā)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(diào)的智能化程度也越來越被客戶重視，以往機械化的空調(diào)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(diào)節(jié)系統(tǒng)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(nèi)氣候環(huán)境。

該汽車空調(diào)控制系統(tǒng)使用飛思卡爾MC9S12G128 單片機為主控芯片，對蒸發(fā)器溫度傳感器，室內(nèi)室外溫度，PM2.5，陽光傳感器周期性采集。通過驅(qū)動芯片L9826驅(qū)動步進電機控制混合風(fēng)門，模式風(fēng)門，內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門。同時協(xié)調(diào)鼓風(fēng)機，冷凝風(fēng)扇，壓縮機最終達到客戶對環(huán)境舒適度的要求。

1 ? ?汽車空調(diào)溫控原理

整個溫控系統(tǒng)是基于空調(diào)殼體進行控制的，空調(diào)通過步進電機改變門風(fēng)的位置從而改變出風(fēng)模式，此汽車空調(diào)系統(tǒng)中模式風(fēng)門通過步進電機改變出風(fēng)位置達到改變吹風(fēng)模式的功能，如吹臉，吹腳等模式。內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門通過步進電機改變出風(fēng)位置選擇外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。混合風(fēng)門也是同樣的道理。最終配合駕駛艙內(nèi)外溫度調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機，壓縮機轉(zhuǎn)速使整個駕駛艙環(huán)境溫度達到客戶舒適的程度。汽車空調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示：

2 ? ?硬件電路設(shè)計

2.1 ? 主控芯片

當(dāng)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(yōu)勢，而飛思卡爾單片機中MC9S12G128是經(jīng)過一系列優(yōu)化后的16bits MCU，其優(yōu)點是成本低，功耗低，功能集成度高，PIN腳少但復(fù)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(xiàn)象，片內(nèi)也有二極管保護電路，遠遠達到產(chǎn)品的需要。

2.2 ? 步進電機驅(qū)動電路

控制風(fēng)門的步進電機為四相步進電機。驅(qū)動芯片選用ST公司的L9826芯片，該芯片是一個八路低側(cè)驅(qū)動芯片專用于汽車領(lǐng)域，有片選引腳NCS和復(fù)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(shù)據(jù)輸出，SDI為數(shù)據(jù)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(qū)動能力的要求。因為模式風(fēng)門，混合風(fēng)門，內(nèi)外循環(huán)風(fēng)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(qū)動

該控制器的CAN通信使用恩智浦半導(dǎo)體公司的TJA1042芯片，這款芯片是專門為汽車行業(yè)高速CAN通信設(shè)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(qū)動

為了滿足控制器對不同車型的兼容性和平臺化研發(fā)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(fā)器。它在本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）主/從協(xié)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(nèi)的子網(wǎng)絡(luò)的波特速率從1 kBd 到 20 kBd。TJA1021與TJA1020是兼容的，在TJA1020基礎(chǔ)上加強的靜電保護能力。

2.5 ? 鼓風(fēng)機驅(qū)動電路

因為空調(diào)系統(tǒng)中有簡單調(diào)速模塊，所以單片機只需要輸出PWM信號經(jīng)過積分電路和運放就可以實現(xiàn)鼓風(fēng)機調(diào)速，通過改變PWM信號的占空比來改變鼓風(fēng)機的端電壓，從而實現(xiàn)鼓風(fēng)機的調(diào)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(fā)器溫度傳感器，室內(nèi)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(shù)據(jù)。

3 ? ?軟件設(shè)計

3.1 ? 軟件設(shè)計平臺

該控制器軟件編程部分是在codewarrior IDE平臺實現(xiàn)，并使用平臺自動生成軟件功能PE，完成底層驅(qū)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(shù)進行調(diào)用。例如ADC驅(qū)動，PWM驅(qū)動，CAN總線和LIN總線，SPI，SCI都可以直接通過PE生成已經(jīng)配置好寄存器的封裝函數(shù)，大大減少了研發(fā)時間，提高了研發(fā)效率。

3.2 ? 系統(tǒng)軟件設(shè)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(fēng)量控制，各種風(fēng)門的控制，壓縮機控制等，主程序任務(wù)調(diào)度如圖8所示：

系統(tǒng)開機后首先進行系統(tǒng)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(shè)置，接著使用時間片調(diào)度的方法，對任務(wù)進行調(diào)度，優(yōu)先級高的任務(wù)執(zhí)行先于優(yōu)先級低的任務(wù)，每10ms采集一次電池電壓和發(fā)動機狀態(tài)，并且接受LIN總線或者CAN總線發(fā)過來的信息。每50ms完成控制邏輯判斷，執(zhí)行相應(yīng)的執(zhí)行器，鼓風(fēng)機，冷凝風(fēng)扇，壓縮機等，每100ms該控制器通過can總線或者Lin總線將狀態(tài)信息發(fā)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(fā)出復(fù)位信息，單片機就會產(chǎn)生復(fù)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(shè)計，數(shù)字信號線與模擬信號線嚴格劃分，避免信號間的干擾。驅(qū)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(jiān)控控制器信號的收發(fā)情況，能夠直觀的反應(yīng)控制的軟件的工作情況，如圖10可以看見該系統(tǒng)收發(fā)正常，

具體協(xié)議需要見圖11，不同車企對協(xié)議的制定不同，這里不做具體討論。

5 ? ?總結(jié)

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(diào)度的方式使代碼整潔易讀，方便維護，且不同任務(wù)之間不沖突，實時性高，負載率低。目前該控制機已經(jīng)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。

參考文獻：

[1]王若平. 汽車空調(diào)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2]辜宇. 車載空調(diào)控制系統(tǒng)開發(fā)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2016.

[3]趙淑英. 模塊化生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)對技術(shù)創(chuàng)新的影響[D]. 沈陽：遼寧大學(xué)，2014.

[4]鄭震璇. 基于PIC單片機的汽車空調(diào)控器設(shè)計[J]. 機電技術(shù)，2009（2）：37-40.

[5]蘇慶列，王麟珠. 模糊免疫PID在電動汽車空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 湖北理工學(xué)院學(xué)報，2014（5）：15-18.

[6]朱元成，熊偉國，吳群. 電動空調(diào)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用解析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（3）：166.

[7]姚鴻強. 基于MCU的巴士空調(diào)控制器[J]. 汽車電器，2009（6）：17-21.

[8]李志剛. 負溫度系數(shù)熱敏電阻匹配電路設(shè)計. 數(shù)字通信，2013（41）：69-70.

[9]廖 應(yīng) 生. 基 于 汽 車CAN總 線 的 空 調(diào) 控 制 器Bootloader的設(shè)計[J]. 機電技術(shù)，2015（2）：104-106.

[10]徐進，李金壽. 汽車空調(diào)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 裝備制造技術(shù)，2014（11）：242-243，249.

[11]王蘇. 直流電機PWM調(diào)速研究及單片機控制實現(xiàn)[J]. 機電工程技術(shù)，2008，37（11）：82-85.

[12]回春，田韶鵬，徐達偉. 汽車空調(diào)控制面板綜合檢測系統(tǒng)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版），2015，37（6）：693-697.

[13]丁浩，谷小紅，來雨霏. 汽車空調(diào)用熱力膨脹閥性能測試系統(tǒng)的研制[EB/OL]. 機電工程，2015，32（6）：817-820.[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報，2016，36（1）：13-18.

[20]ELMOS Semiconductor AGE910. 01 Datasheet [EB/OL]. www.elmos.de.2013

[21]ASAM-XCP-Part2-Protocol-Layer- Specification- V1-1[OL]. www.asam.net

[22]HU Jian，YANG Zheng-lin，ZHANG Tong. Hybridelectric vehicle controller based on XCP protocol calibration ystem[J]. Journal of Automotive Technol-ogy，2010，5（4）：2-4.

[23]RENESAS Corporation RH850/F1L Datasheet [EB/OL]. www.renesas.com.2016.

[24]Masatoshi Mitsuiu. Improvement of refrigerant flow control method in automotive air-conditioners. SAETrans，1987（96）section l：167～178. IEEE，Decem-ber 1990：1590-1591.