汽車控制器輸入信號采集接口設計

王曉光，鄭 巖，王子軍，齊 志，雷 凱，潘守亮

（一汽奔騰轎車有限公司，吉林 長春 130012）

1 概述

汽車上絕大部分的控制器都需要有輸入、輸出、通信（如CAN/LIN/USB/以太網等）等接口，其中對于輸入接口，又可以分為開關信號、傳感器信號等，對這些信號的采集，不同的硬件設計師設計的接口電路可能有很大差異，本文介紹幾種常用的開關信號接口電路。

2 MCU的數字IO口采集

汽車上大部分開關都是一端搭鐵，另一端連接到控制器，對于這種連接到搭鐵的開關，控制器內部必須配上拉電阻，上拉電阻負責為開關提供濕電流，以確保開關可以可靠導通。開關采集接口電路如圖1所示。

另外，開關再經分壓電阻進入MCU數字IO口。由于汽車上正常工作電壓并不穩定，在一個較大的范圍內 （9～16V），該分壓電阻的目的是確保在這個范圍內，MCU都能準確識別到高電平和低電平，從而準確識別開關的斷開與接通。連接到搭鐵的開關見圖1a。

為了使整車睡眠之后的靜電流消耗盡可能低，對于連接到搭鐵的開關的采集接口，通常需要使上拉電源可關斷，只有在需要輪詢檢測該開關狀態時才短暫接通。為此通常采用一個MOS開關來為多個上拉電阻提供可關斷的上拉電源。

汽車上還有一小部分開關是一端接電源，另一端連接到控制器，比如對B+、ACC、IG等電源信號的采集。對于這種連接到電源的開關，控制器內部必須配下拉電阻，下拉電阻負責為開關提供濕電流，以確保開關可以可靠導通。連接到電源的開關見圖1b。

圖1 開關采集接口電路

3 輸入擴展芯片

對于車身控制系統BCM這樣的控制器，需要采集的外部輸入信號非常多，通常會達到三四十個甚至更多，此時MCU的管腳資源就顯得很緊張，為此采用專門的輸入擴展芯片是一個很好的選擇。

以TI公司的TIC12400-Q1為例，如圖2所示，它是用在12V汽車系統的24路開關檢測接口器件，集成了10位ADC來檢測模擬開關多種位置，集成的比較器用來檢測數字開關，檢測閾值可編程，以支持各種開關拓撲。與MCU之間采用SPI通信，大大節省了MCU的管腳資源。

圖2 TIC12400-Q1原理框圖

器件監控多達24路直接開關輸入，其中10路可以配置為監控連接到電源/連接到搭鐵的開關，另14路僅能監控連接到搭鐵的開關。可為每路輸入設定6種獨特的濕電流設置（0mA、1mA、2mA、5mA、10mA、15mA），從而支持不同的應用場景。

該器件可產生中斷來支持所有開關輸入的喚醒操作，因此無需持續使MCU保持活動狀態，進而可降低系統功耗。TIC12400-Q1支持2種工作模式：連續模式和輪詢模式。連續模式下將連續提供濕電流。輪詢模式下將根據可編程計時器來定期接通濕電流以對輸入狀態進行采樣，從而顯著降低系統功耗。在輪詢模式下具有超低工作電流：典型值為68μA。

TIC12400-Q1還提供集成故障檢測，ESD保護和診斷功能。符合汽車應用要求，符合AEC-Q100標準。支持12V汽車系統并提供過壓和欠壓警告。

如果需要采集的開關數量大于24個，那么還可以采用下面的方式再擴展數量。類似于對電阻網絡型開關的采集，每個管腳上可以接多個開關，每個開關串聯不同阻值的電阻。一個管腳擴展多個開關連接方法見圖3。

圖3 一個管腳擴展多個開關連接方法

假設濕電流設置為1mA，如果SW1接通，則TIC12400-Q1采集到的電壓是V=1mA×R，如果SW2接通，則TIC12400-Q1采集到的電壓是V=1mA×R，由于R與R不同，所以TIC12400-Q1采集到的電壓V與V也不同，從而實現對SW1和SW2的區分。

這種方式也存在缺點，在使用的時候需注意。這些開關不能同時接通，否則會因電阻的并聯造成識別的混亂。即這種方式僅能用于多個自復位式開關，如果其中有一個是鎖止式開關則就不適用了。

4 結束語

本文介紹了兩種典型的開關采集接口方式，其中第1種接口簡單、成本低、應用普遍，第2種主要用在輸入信號較多的控制器上，采用輸入擴展芯片可以大大降低MCU的管腳資源消耗。使用時可以根據自己的實際情況進行選擇。