基于MC9S12DP256的燃料電池電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器設計

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器VCU（VehicleControlUnit）是整個(gè)汽車(chē)的核心控制部件，它采集加速踏板信號、制動(dòng)踏板信號及其他部件信號，并做出相應判斷后，控制下層的各部件控制器的動(dòng)作，驅動(dòng)汽車(chē)正常行駛。因此VCU的優(yōu)劣直接影響著(zhù)整車(chē)性能。

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器的研制是“十五”期間國家電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項的關(guān)鍵單元技術(shù)之一。這些關(guān)鍵單元技術(shù)的基礎研究，對于搶占新一代電動(dòng)汽車(chē)制高點(diǎn)、促進(jìn)我國汽車(chē)工業(yè)實(shí)現跨越式發(fā)展具有重要意義。

1燃料電池電動(dòng)汽車(chē)結構

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)結構框圖如圖1所示，它由整車(chē)控制器、燃料電池及其控制器、鎳氫蓄電池組及其控制器、驅動(dòng)系統、車(chē)輪等部件組成，各部件通過(guò)CAN（ControllerAreaNetwork）總線(xiàn)組成一個(gè)分布式控制系統。燃料電池電動(dòng)汽車(chē)采用主輔雙動(dòng)力源形式：燃料電池作為主動(dòng)力源，提供汽車(chē)行駛的主要動(dòng)力；鎳氫蓄電池組是輔助動(dòng)力源，在汽車(chē)行駛中起到“削峰填谷”的作用。

　　
2整車(chē)控制器硬件功能電路設計

2.1整車(chē)控制器功能需求分析

整車(chē)控制器相當于汽車(chē)的大腦，它在汽車(chē)行駛過(guò)程中執行多項任務(wù)，具體功能包括：（1）接收、處理駕駛員的駕駛操作指令，并向各個(gè)部件控制器發(fā)送控制指令，使車(chē)輛按駕駛期望行駛。（2）與電機、DC/DC、鎳氫蓄電池組等進(jìn)行可靠通訊，通過(guò)CAN總線(xiàn)（以及關(guān)鍵信息的模擬量）進(jìn)行狀態(tài)的采集輸入及控制指令量的輸出。（3）接收處理各個(gè)零部件信息，結合能源管理單元提供當前的能源狀況信息。（4）系統故障的判斷和存儲，動(dòng)態(tài)檢測系統信息，記錄出現的故障。（5）對整車(chē)具有保護功能，視故障的類(lèi)別對整車(chē)進(jìn)行分級保護，緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機及切斷母線(xiàn)高壓系統。（6）協(xié)調管理車(chē)上其他電器設備。

針對整車(chē)控制器的各項具體功能，進(jìn)行了如圖2所示的硬件設計整體規劃、MCU的選型以及各個(gè)功能電路的設計。

2.2MCU的選擇

MCU是整車(chē)控制器的核心，它負責數據的采集和處理、邏輯運算以及控制的實(shí)現等，MCU的選取是整個(gè)硬件設計過(guò)程中最重要的任務(wù)。Motorola公司的HCS12系列16位單片機　　MC9S12DP256，在運算能力、存儲空間、數字量模擬量輸入輸出以及CAN通訊等方面均有上乘表現，并具有較高的性?xún)r(jià)比，使其非常適合用于一些中高檔汽車(chē)電子控制系統。

這款單片機具有預算能力強、存儲空間大、接口資源豐富等諸多特點(diǎn)：
　?。?）采用STAR12CPU，核心運算能力可以達到50MHz，總線(xiàn)速度可以達到25MHz，采用優(yōu)化的指令集，使指令的運算速度得到很大提高。
　?。?）片內集成了256KBFLASH，12KBRAM和4KBE2PROM，完全可以滿(mǎn)足程序對存儲空間的要求。
　?。?）諸多對外接口，包括五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN接口、兩路異步串行通訊接口、三路同步串行通訊接口、十六路10位A/D接口、一路I2C總線(xiàn)接口、49個(gè)獨立數字I/O口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、8通道輸入捕捉/輸出比較等。

2.3VCU硬件電路設計

整車(chē)控制器是一個(gè)多輸入、多輸出、數模電路共存的復雜系統，其各個(gè)功能電路相對獨立。因此，按照模塊化思想設計了硬件系統的各個(gè)模塊，主要包括：最小應用系統模塊，電源模塊，CAN通訊模塊，串口通訊模塊，數模輸入輸出模塊。

2.3.1電源模塊

整車(chē)控制器的供電電源來(lái)自燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的鎳氫蓄電池組，其標定電壓＋12V。汽車(chē)在運行過(guò)程中，鎳氫蓄電池組的電壓不穩定，波動(dòng)非常大，高壓時(shí)可達到＋17V，低壓時(shí)只有＋9V。電源電壓的不穩定將直接導致整車(chē)控制器工作不正常。因此，在電源模塊的設計過(guò)程中，采用了寬輸入范圍，高輸出精度，大功率的DC/DC電源芯片。另外，由于整車(chē)控制器里所使用芯片的供電電壓包括了＋5V和＋12V兩種，所以設計時(shí)使用了兩款DC/DC芯片：Infineon公司的TLE4270以及NationalSemiconductor公司的LM2940S-12，其分別具有12V-12V和12V-5V的變壓穩壓作用，并具有短路、過(guò)壓、過(guò)流及溫度過(guò)載保護等功能。通過(guò)使用這兩款芯片及其外圍的一些輔助電路（主要是濾波電路），使得電源模塊供電穩定可靠。

2.3.2CAN通訊模塊

由于MC9S12DP256片內集成了五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN模塊，所以整車(chē)控制器的CAN通信模塊不需要添加片外的CAN控制器，只需外加CAN收發(fā)器。所設計的CAN通訊模塊采用了PHILIP公司的TJA1040收發(fā)器芯片。該芯片的波特率范圍是60kbps～1Mbps，它具有一個(gè)溫度保護電路，當與發(fā)送器連接點(diǎn)的溫度超過(guò)大約165℃時(shí)，會(huì )斷開(kāi)與發(fā)送器的連接（當總線(xiàn)短路時(shí)，更需此溫度保護電路）［2］。

為了增強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，主芯片的CANTXD和CANRXD引腳并不是直接與TJA1040的TXD和RXD兩引腳相連，而是通過(guò)高速光耦HCPL-0630后，與TJA1040相連。這樣，當總線(xiàn)上有多個(gè)CAN節點(diǎn)時(shí)，可實(shí)現各CAN節點(diǎn)間的電氣隔離。TJA1040與CAN總線(xiàn)的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施：
　?。?）TJA1040的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線(xiàn)相連，電阻可起到一定的限流作用，保護TJA1040免受過(guò)流的沖擊。
　?。?）CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容，可以濾除總線(xiàn)上的高頻干擾，并且有一定的防電磁輻射能力。
　?。?）在兩根CAN總線(xiàn)接入端與地之間分別反接了一個(gè)保護二極管，當CAN總線(xiàn)有較高的負電壓時(shí)，通過(guò)二極管的短路可起到一定的過(guò)壓保護作用。

2.3.3數模輸入輸出模塊

在燃料電池電動(dòng)汽車(chē)運行過(guò)程中，整車(chē)控制器經(jīng)常要發(fā)出一些車(chē)輛的啟動(dòng)/停止、鎳氫蓄電池組的閉合/斷開(kāi)等信號，即數字量的輸出。為保證信號穩定可靠，整車(chē)控制器置有四路數字量輸出，并且都大于50mA。設計時(shí)采用了繼電器方式的開(kāi)關(guān)量輸出，該方式是目前最常用的一種輸出方式。所采用的繼電器芯片是Infineon公司的BTS824R，其特點(diǎn)如下［3］：
　?。?）寬電壓范圍輸入，兼容CMOS和TTL電平。
　?。?）加強型電磁兼容設計。
　?。?）自帶短路保護，過(guò)載保護，ESD保護。
　?。?）自帶過(guò)溫切斷保護。

整車(chē)控制器在發(fā)出開(kāi)和關(guān)信號的同時(shí)，也在接收相應的數字信號。在主芯片MC9S12DP256和外面信號之間采用高速光耦HCPL-0630連接的方式實(shí)現電平轉換以及信號隔離。

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器VCU（VehicleControlUnit）是整個(gè)汽車(chē)的核心控制部件，它采集加速踏板信號、制動(dòng)踏板信號及其他部件信號，并做出相應判斷后，控制下層的各部件控制器的動(dòng)作，驅動(dòng)汽車(chē)正常行駛。因此VCU的優(yōu)劣直接影響著(zhù)整車(chē)性能。

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器的研制是“十五”期間國家電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項的關(guān)鍵單元技術(shù)之一。這些關(guān)鍵單元技術(shù)的基礎研究，對于搶占新一代電動(dòng)汽車(chē)制高點(diǎn)、促進(jìn)我國汽車(chē)工業(yè)實(shí)現跨越式發(fā)展具有重要意義。

1燃料電池電動(dòng)汽車(chē)結構

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)結構框圖如圖1所示，它由整車(chē)控制器、燃料電池及其控制器、鎳氫蓄電池組及其控制器、驅動(dòng)系統、車(chē)輪等部件組成，各部件通過(guò)CAN（ControllerAreaNetwork）總線(xiàn)組成一個(gè)分布式控制系統。燃料電池電動(dòng)汽車(chē)采用主輔雙動(dòng)力源形式：燃料電池作為主動(dòng)力源，提供汽車(chē)行駛的主要動(dòng)力；鎳氫蓄電池組是輔助動(dòng)力源，在汽車(chē)行駛中起到“削峰填谷”的作用。
　　

2整車(chē)控制器硬件功能電路設計

2.1整車(chē)控制器功能需求分析

整車(chē)控制器相當于汽車(chē)的大腦，它在汽車(chē)行駛過(guò)程中執行多項任務(wù)，具體功能包括：（1）接收、處理駕駛員的駕駛操作指令，并向各個(gè)部件控制器發(fā)送控制指令，使車(chē)輛按駕駛期望行駛。（2）與電機、DC/DC、鎳氫蓄電池組等進(jìn)行可靠通訊，通過(guò)CAN總線(xiàn)（以及關(guān)鍵信息的模擬量）進(jìn)行狀態(tài)的采集輸入及控制指令量的輸出。（3）接收處理各個(gè)零部件信息，結合能源管理單元提供當前的能源狀況信息。（4）系統故障的判斷和存儲，動(dòng)態(tài)檢測系統信息，記錄出現的故障。（5）對整車(chē)具有保護功能，視故障的類(lèi)別對整車(chē)進(jìn)行分級保護，緊急情況下可以關(guān)掉發(fā)電機及切斷母線(xiàn)高壓系統。（6）協(xié)調管理車(chē)上其他電器設備。

針對整車(chē)控制器的各項具體功能，進(jìn)行了如圖2所示的硬件設計整體規劃、MCU的選型以及各個(gè)功能電路的設計。

2.2MCU的選擇

MCU是整車(chē)控制器的核心，它負責數據的采集和處理、邏輯運算以及控制的實(shí)現等，MCU的選取是整個(gè)硬件設計過(guò)程中最重要的任務(wù)。Motorola公司的HCS12系列16位單片機　　MC9S12DP256，在運算能力、存儲空間、數字量模擬量輸入輸出以及CAN通訊等方面均有上乘表現，并具有較高的性?xún)r(jià)比，使其非常適合用于一些中高檔汽車(chē)電子控制系統。

這款單片機具有預算能力強、存儲空間大、接口資源豐富等諸多特點(diǎn)［1］：
　?。?）采用STAR12CPU，核心運算能力可以達到50MHz，總線(xiàn)速度可以達到25MHz，采用優(yōu)化的指令集，使指令的運算速度得到很大提高。
　?。?）片內集成了256KBFLASH，12KBRAM和4KBE2PROM，完全可以滿(mǎn)足程序對存儲空間的要求。
　?。?）諸多對外接口，包括五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN接口、兩路異步串行通訊接口、三路同步串行通訊接口、十六路10位A/D接口、一路I2C總線(xiàn)接口、49個(gè)獨立數字I/O口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、8通道輸入捕捉/輸出比較等。

2.3VCU硬件電路設計

整車(chē)控制器是一個(gè)多輸入、多輸出、數模電路共存的復雜系統，其各個(gè)功能電路相對獨立。因此，按照模塊化思想設計了硬件系統的各個(gè)模塊，主要包括：最小應用系統模塊，電源模塊，CAN通訊模塊，串口通訊模塊，數模輸入輸出模塊。

2.3.1電源模塊

整車(chē)控制器的供電電源來(lái)自燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的鎳氫蓄電池組，其標定電壓＋12V。汽車(chē)在運行過(guò)程中，鎳氫蓄電池組的電壓不穩定，波動(dòng)非常大，高壓時(shí)可達到＋17V，低壓時(shí)只有＋9V。電源電壓的不穩定將直接導致整車(chē)控制器工作不正常。因此，在電源模塊的設計過(guò)程中，采用了寬輸入范圍，高輸出精度，大功率的DC/DC電源芯片。另外，由于整車(chē)控制器里所使用芯片的供電電壓包括了＋5V和＋12V兩種，所以設計時(shí)使用了兩款DC/DC芯片：Infineon公司的TLE4270以及NationalSemiconductor公司的LM2940S-12，其分別具有12V-12V和12V-5V的變壓穩壓作用，并具有短路、過(guò)壓、過(guò)流及溫度過(guò)載保護等功能。通過(guò)使用這兩款芯片及其外圍的一些輔助電路（主要是濾波電路），使得電源模塊供電穩定可靠。

2.3.2CAN通訊模塊

由于MC9S12DP256片內集成了五路兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN模塊，所以整車(chē)控制器的CAN通信模塊不需要添加片外的CAN控制器，只需外加CAN收發(fā)器。所設計的CAN通訊模塊采用了PHILIP公司的TJA1040收發(fā)器芯片。該芯片的波特率范圍是60kbps～1Mbps，它具有一個(gè)溫度保護電路，當與發(fā)送器連接點(diǎn)的溫度超過(guò)大約165℃時(shí)，會(huì )斷開(kāi)與發(fā)送器的連接（當總線(xiàn)短路時(shí)，更需此溫度保護電路）［2］。

為了增強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，主芯片的CANTXD和CANRXD引腳并不是直接與TJA1040的TXD和RXD兩引腳相連，而是通過(guò)高速光耦HCPL-0630后，與TJA1040相連。這樣，當總線(xiàn)上有多個(gè)CAN節點(diǎn)時(shí)，可實(shí)現各CAN節點(diǎn)間的電氣隔離。TJA1040與CAN總線(xiàn)的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施：
　?。?）TJA1040的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線(xiàn)相連，電阻可起到一定的限流作用，保護TJA1040免受過(guò)流的沖擊。
　?。?）CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容，可以濾除總線(xiàn)上的高頻干擾，并且有一定的防電磁輻射能力。
　?。?）在兩根CAN總線(xiàn)接入端與地之間分別反接了一個(gè)保護二極管，當CAN總線(xiàn)有較高的負電壓時(shí)，通過(guò)二極管的短路可起到一定的過(guò)壓保護作用。