電動(dòng)自行車(chē)應用中的MCU

　　簡(jiǎn)介

　　本文將主要探討采用微控制器或可編程片上系統(PSoC)實(shí)現電動(dòng)自行車(chē)的設計技術(shù)和相關(guān)挑戰。當前業(yè)界的電動(dòng)自行車(chē)系統采用微控制器以及外部信號調節和比較器電路來(lái)驅動(dòng)三相電機;采用外部ADC和外部放大器支持不同的傳感器輸入;采用繼電器驅動(dòng)電路支持剎車(chē)燈、車(chē)頭燈和轉向燈;此外還可支持LED/LCD顯示屏和溫度測量等。

　　可編程SOC器件不但可作為電機控制、模擬測量以及直接驅動(dòng)LCD顯示屏的統一電路板系統用于電動(dòng)自行車(chē)應用，而且還能支持電容式感應技術(shù)以取代鍵盤(pán)上的機械按鍵。此外，SOC器件還能利用內部PWM、MUX和比較器來(lái)驅動(dòng)和控制三相電機，利用內部ADC和PGA來(lái)支持傳感器輸入電池監控，以及利用熱敏電阻或RTD等溫度感應器件來(lái)實(shí)現溫度感應。該器件不但能直接驅動(dòng)繼電器，以支持剎車(chē)燈、車(chē)頭燈和轉向燈，而且能直接驅動(dòng)LCD顯示屏，以顯示溫度、電池狀態(tài)、速度、騎行距離及各種錯誤/警告消息等。

　　采用基于IDE的工具，可為SoC設計出各種界面和邏輯。這些工具還能提供直接可用的組件模塊，可用于設計更為復雜的邏輯，如監控界面的電容式傳感器、支持模擬傳感器和其它輸入的ADC、驅動(dòng)蜂鳴器的PWM、DAC以及段式、字符或圖形化LCD顯示屏等。因此，利用可編程SOC，電動(dòng)自行車(chē)系統的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本能夠大幅降低。

　　圖1所示為基本電動(dòng)自行車(chē)系統的方框圖：

　　圖1：電動(dòng)自行車(chē)方框圖

　　微控制器：微控制器通常用于不同傳感器輸入檢測(如節流閥輸入、溫度傳感器、電池輸入、燃料傳感器、障礙傳感器等)、模數轉換、輸出比較組件等，并可驅動(dòng)和控制三相無(wú)刷車(chē)用電機。采用電池供電的電動(dòng)自行車(chē)系統需要超低功耗的微控制器。此外，微控制器也是中控鎖系統的一部分，可用來(lái)與車(chē)輛中使用的各種不同外部器件進(jìn)行通信。無(wú)論何時(shí)剎車(chē)，均可使用微控制器來(lái)自動(dòng)停止電機旋轉，從而避免電機磨損剎車(chē)片的速度超過(guò)標準的人力自行車(chē)。

　　輪轂電機：通常情況下，無(wú)論有無(wú)傳感器(基于霍爾效應)，均可采用無(wú)刷電機實(shí)現高效可靠的運行工作。

　　可再充電的鉛酸/鋰離子電池：電動(dòng)自行車(chē)應用采用了從鉛酸電池到鋰電池等多種不同的電池類(lèi)型。其中，可再充電的鉛酸電池在電動(dòng)車(chē)中的應用極其廣泛。

　　顯示屏與鍵盤(pán)：通常情況下，采用帶背光的LCD顯示屏不但能顯示溫度、電池輸入、速度、騎行距離及錯誤/警告消息等，而且還能顯示腳踏板輔助系統和能量生成的等級。電動(dòng)車(chē)應用中也采用基于機械按鍵的鍵盤(pán)，而且鍵盤(pán)還可支持保護電動(dòng)車(chē)的防盜功能。

　　電源管理：這個(gè)子系統可為各功能模塊的運行提供電源，并監控電池工作。帶比較器和分立邏輯的主機微控制器可用來(lái)管理鉛酸電池。此外，這種方法也能為微控制器和用戶(hù)提供關(guān)于電池的安全和關(guān)鍵信息。

　　原理

　　目前的電動(dòng)自行車(chē)系統采用16位和32位微控制器。微控制器控制和管理車(chē)輛的所有功能和特性。一旦用戶(hù)打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)發(fā)動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)，微控制器就能獲得輸入，從而啟動(dòng)三相無(wú)刷車(chē)用電機。微控制器可接收來(lái)自用戶(hù)的各種車(chē)輛輸入信號，并對車(chē)輛進(jìn)行相應的操控。微控制器按照用戶(hù)所選擇的速度驅動(dòng)三相無(wú)刷車(chē)用電機，電機的速度可根據用戶(hù)的加速和制動(dòng)傳感器輸入進(jìn)行變化和控制。

　　微控制器采用內部或外部串行EEPROM(I2C/SPI型)來(lái)存儲距離讀數等數據。此外，微控制器還采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)在顯示屏上顯示準確的時(shí)間。

　　溫度測量由板上RTD或熱敏電阻型溫度感應器件來(lái)實(shí)現。電動(dòng)自行車(chē)系統還能利用障礙傳感器在泊車(chē)時(shí)獲取附近車(chē)輛的信息。燃料傳感器獲取引擎中的燃料信息，微控制器也可監控電池輸入并將其在LCD顯示屏上顯示。繼電器驅動(dòng)電路則用于切換剎車(chē)燈、車(chē)頭燈和轉向燈的開(kāi)/關(guān)等。

　　供電部分由作為電源的可再充電鉛酸或鋰離子電池組成，且必須滿(mǎn)足電池充電器的規定。電池輸入向下轉換為DC電壓，以便為微控制器和其它電路提供動(dòng)力。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)則可啟用或禁用板上穩壓器。此外，供電部分還可提供電池、過(guò)流、過(guò)熱及啟動(dòng)故障狀態(tài)保護電路等多種保護功能。OEM廠(chǎng)商也會(huì )對手機等外部設備的充電做出相應規定。

　　圖2所示為基于可編程SOC的電動(dòng)自行車(chē)系統：

　　圖2：基于PSoC的電動(dòng)自行車(chē)解決方案方框圖

　　電動(dòng)自行車(chē)系統的實(shí)現

　　為給出電動(dòng)自行車(chē)系統的實(shí)際實(shí)現方案，本文介紹了一款基于賽普拉斯PSoC 4的設計。PSoC 4器件完美集成了帶數字可編程邏輯的微控制器、高性能模數轉換、帶比較器模式的運算放大器以及標準的通信和時(shí)序外設等。微控制器為32位的ARM Cortex M0，工作頻率高達48 MHz，并可提供最大32 KB的閃存和最大4 KB的SRAM以及2 KB的內部EEPROM.

　　該實(shí)現方案采用板上6個(gè)P型通道(P-Channel)MOSFET和門(mén)驅動(dòng)器電路來(lái)驅動(dòng)三相無(wú)刷電機。PSoC 4器件帶有內置PWM、時(shí)鐘、多路轉換器和比較器，可用來(lái)驅動(dòng)和控制三相無(wú)刷電機。此外，內置的16位PWM將用于驅動(dòng)控制電機的FET門(mén)驅動(dòng)器電路。而PWM的占空比根據用戶(hù)設置所需的速度而各不相同。

　　PSoC4帶有內部運算放大器、PGA、比較器和12位1MSPS SAR ADC，可提供差動(dòng)和單端模式，包括采樣保持(S/H)功能。ADC可通過(guò)改變PWM占空比來(lái)控制電機速度，并測量不同的傳感器輸入以滿(mǎn)足電池監控、低成本溫度感應、障礙感應和燃料感應等需求。這樣系統就無(wú)需采用任何外部放大器、ADC或比較器。

　　利用兩個(gè)電流DAC(IDAC)，該系統可具備通用感應功能，且能夠利用任何引腳上的電容式感應技術(shù)。PSoC 4架構支持電容式感應組件，該組件同時(shí)支持手動(dòng)和自動(dòng)調校。采用電容式界面可幫助整個(gè)電動(dòng)自行車(chē)系統實(shí)現防水性，同時(shí)也能直接驅動(dòng)繼電器，從而充分滿(mǎn)足喇叭、剎車(chē)燈、車(chē)頭燈、轉向燈和LCD顯示屏等需求。該器件的工作電壓范圍介于1.71V到5.5V之間，能與其它外部外設輕松連接，從而實(shí)現更多功能。此外，PSoC 4還支持兩個(gè)獨立的在運行中可重配置串行通信模塊(SCB)，此模塊帶可重配置的I2C、SPI或UART功能，可用于內外部外設通信。

　　該實(shí)現方案采用可再充電的鉛酸或鋰離子電池作為電源。輸入電壓通過(guò)板上降壓穩壓器進(jìn)行下變頻轉換。1.71 V的較低工作電壓和超低功耗運行，再加上冬眠和深度休眠模式，可支持喚醒時(shí)間和功耗折中方案，從而實(shí)現更長(cháng)的電池使用壽命。

　　采用PSoC Creator IDE工具，我們能通過(guò)隨時(shí)可用的組件模塊設計出所有的接口和邏輯，包括面向模擬傳感器和其它輸入的SARADC和PGA;面向電機驅動(dòng)應用的PWM、CLK、MUX和比較器等組件;面向直接驅動(dòng)字符和段式LCD的組件;面向電動(dòng)自行車(chē)應用中CAN協(xié)議接口的CAN組件;以及通過(guò)內部系統時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)測量、從而讓系統不再需要外部時(shí)鐘/振蕩器電路的RTC組件等。

　　此外，PSoC Creator還支持工程師訪(fǎng)問(wèn)包括集成編譯器工具鏈、RTOSes和量產(chǎn)編程器在內的完整的工具生態(tài)系統。有了PSoC Creator，開(kāi)發(fā)人員就可利用分層原理圖設計創(chuàng )建并共享用戶(hù)自定義的定制外設。然后，他們能對所選定的組件實(shí)現自動(dòng)布局布線(xiàn)，并集成簡(jiǎn)單的粘接邏輯(通常位于分立多路轉換器中)。

　　過(guò)流保護用于關(guān)閉電機驅動(dòng)PWM，因而可停止電機運行。PSoC 4器件采用基于比較器的PWM Kill信號觸發(fā)，可在檢測到過(guò)流情況時(shí)終止電機驅動(dòng)。該模塊的輸入來(lái)自總線(xiàn)電流，其截止參考可設為電機消耗的最大電流?？偩€(xiàn)電流輸入饋送到比較器和可配置的截止參考，并由DAC進(jìn)行設置。如果總線(xiàn)電流低于參考閾值，那么比較器輸出設為高。比較器輸出連接到PWM的“KILL”信號輸入。當“KILL”輸入為高時(shí)，PWM輸出關(guān)閉，從而可避免電機受損。該完整模塊的實(shí)現方案將采用PSoC creator組件，且無(wú)需設計人員編寫(xiě)的任何固件。