汽車車身控制器輸入電路的設計與分析

薛勇

錫林郭勒職業(yè)學院汽車系 內(nèi)蒙古錫林郭勒盟 026000

隨著近年來汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，對汽車在使用中的安全性和智能性要求也在不斷提高，隨著大部分技術例如嵌入式系統(tǒng)、局域網(wǎng)技術等各種電子信息技術的成熟，大部分技術例如嵌入式系統(tǒng)、局域網(wǎng)技術等的飛速發(fā)展，對BCM的需求與應用也更加廣泛，本文通過進行對汽車車身控制器的輸入電路方面進行設計和分析，希望能優(yōu)化現(xiàn)如今汽車車身控制器使用方法。

1 汽車車身控制器概述

汽車車身控制器又稱為BCM（Body Control Module），即車身控制模塊，BCM集成了如下功能，車載電源控制、網(wǎng)關、車燈控制系統(tǒng)、雨刮器控制系統(tǒng)、車鎖控制系統(tǒng)，通過對汽車中的收發(fā)器進行控制，實現(xiàn)了汽車的能源管控，例如對汽車的用電調(diào)度與管控、舒適性管控例如座椅調(diào)節(jié)、車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)、胎壓自動檢測等，安全性管控例如門鎖、車頂天窗和汽車后備箱鎖控制和燈光管控例如車燈的使用與控制、車內(nèi)照明和操作臺儀表背光調(diào)節(jié)等。BCM模塊主要有四大部分構(gòu)成，分別為電源回路、輸入回路、輸入回路、MCU回路。根據(jù)輸入車身信號的不同可分為模擬信號和數(shù)字信號，根據(jù)輸入信號的不同，BCM處理的方式和方法也不盡相同，當BCM輸入端通過傳感器和開關等接收到信號時，信號要進入BCM系統(tǒng)進行信息的傳遞時，首先要先經(jīng)過接口電路即輸入電路將接收到的各種信號轉(zhuǎn)化為BCM可識別的信號。BCM再通過內(nèi)置的邏輯處理系統(tǒng)進行分析和整理，然后將信息傳遞給輸出回路，由輸出回路將BCM處理后的信號轉(zhuǎn)化成各驅(qū)動元件的執(zhí)行電信號，BCM驅(qū)動的元件包括控制各類電子設備工作的繼電器、各類車內(nèi)或車載系統(tǒng)的開關、機械設備的電機和電磁閥門等。從而實現(xiàn)車身控制的目的。車身電子控制系統(tǒng)主要是用于增強汽車的安全、舒適和方便性。還有用于和車外連接，以及協(xié)調(diào)整車各部分的電子控制功能[1]。BCM在應用上具有很強的擴展性，通過主從控制方式，BCM作為主控單元可與多個從空單元進行連接，減少了從空單元之間聯(lián)系的復雜性，從而減少了故障風發(fā)生概率和布線成本等。在未來，各電子設備的功能越來越多，各種功能都需要通過BCM來實現(xiàn)，使得BCM功能更加強大；各電子設備之間的信息共享越來越多，一個信息可同時供許多部件使用，要求BCM的數(shù)據(jù)通信功能越來越強；單一集中式BCM很難完成越來越龐大的功能，因需要BCM系統(tǒng)綜合控制的功能，因此在BCM在接收信號的時候，會接收到各種各樣和數(shù)量繁雜的信號，所以保證信號能通過輸入電路轉(zhuǎn)化是BCM實現(xiàn)對車身控制的基礎。當輸入電路或者信號采集部分出現(xiàn)問題不能保證輸入信號的有效性，就會出現(xiàn)車身控制故障。

2 輸入電路設計

2.1 模擬信號采集電路設計

模擬信號采集就是將連續(xù)且變化的物理量如電壓、電流、壓強等作為輸入信號，對于汽車車身控制器BCM系統(tǒng)來說，一般收集的模擬信號來源為門窗的開關信號、中央控制開關信號、后備箱開關信號、儀表盤數(shù)據(jù)顯示信號等[3]。以車門開關信號采集電路為例，電容C1為了消除靜電，防止靜電通過電磁干擾影響靜電阻抗器C1取值為30nF，C2是濾波電容取值為5nF，R1和R2為分壓電阻，取 值 分 別 為R1=15KΩ、R2=30KΩ，Vbat為上拉電源，取值為5V，模擬信號采集電路運行規(guī)則為，當車門開關處在閉鎖檔位時候電阻此時為OΩ，產(chǎn)生強電流信號。當進行車門開鎖時，電阻起到作用，限制通過的電流信號此時處于低電平狀態(tài)，通過對電流信號的判別，來控制模擬信號是否要通過采集電路輸入到BCM的微處理進行判斷。

圖1 模擬信號采集電路圖

2.2 數(shù)字信號采集電路設計

本次設計的采用的數(shù)字信號為PWM信號。常見的車身控制中的PWM信號為儀表盤背光調(diào)節(jié)信號，車輛碰撞事故信號等，這類信號是由BCM中微處理器產(chǎn)生，由于是數(shù)字信號，所以對PWM信號的失真度要求較高，當信號處于失真狀態(tài)時，會導致BCM中處理器的誤判，導致控制系統(tǒng)的失靈。數(shù)字信號采集電路在設計方向上與低邊開關電路設計大體相同，而數(shù)字信號采集電路與之不同之處在于，數(shù)字信號采集電路在上拉電源Vbat的控制方式上，不采用開關控制電路的控制方式，在此基礎上，在線路的連接方式中數(shù)字信號采集電路要與BCM中微處理器PWM捕獲口直接連接，保證脈沖信號的穩(wěn)定性和可靠性[4]。

2.3 高邊開關輸入電路設計

相對于外部負載，將半導體的開關設置在上側(cè)電路即電源側(cè)的開關設置方式叫做高邊開關也叫做高邊驅(qū)動。電容C1和C2作用是為了消除靜電，防止靜電通過電磁干擾影響靜電阻抗器，電容C3為濾波電容。R1和R2為下拉電阻，起到吸收浪涌電流的作用，R3和R4為分壓電阻，對輸入電壓進行調(diào)節(jié)分配。半導體D1可保證內(nèi)部回路不受外部電壓的影響。

各部件取值為：C1=50nF，C2=50nF，C3=10nF，R1=1.5KΩ，R2=1.5KΩ，R3=120KΩ，R4=150KΩ。

圖2 高邊開關輸入電路設計圖

2.4 低邊開關電路設計

與高邊開關相反，底邊開管設置在外部負載的下側(cè)電路中。Vbat為電源，采用脈寬寬度調(diào)制式開關，Vbat在一個脈沖循環(huán)內(nèi)，通電時間占總時間的一半，其工作模式如下：隨著BCM系統(tǒng)的工作而工作，當BCM系統(tǒng)被喚醒時，電源投入使用進行供電工作。例如汽車車身的燈光控制開關系統(tǒng)，其次是一直工作也稱常工作，在隨著BCM工作而工作的基礎上，當BCM休眠即停止工作時，以低占空比進行運行，從而達到保持BCM系統(tǒng)中的靜態(tài)電流小于休眠電流要求，日常用于汽車喇叭開關等。IN為輸入信號輸入端，OUT輸出信號端口，電容C1為了消除靜電，防止靜電通過電磁干擾影響靜電阻抗器，因該電路輸入底邊開關，所以相對輸入的信號頻率不高，則電容的選取為C1=20nF，如遇到外部開關上帶有負載的情況，為了提高耐壓等級需要在電容的選取上要多加裝一個并和C1串聯(lián)連接，C2為濾波電容用來濾除交流成分，使輸出的直流電更加平滑，防止開關彈跳[5]。本設計在根據(jù)軟件調(diào)試后，C2的取值為30pF，防反二極管D1的作用為通過二極管D1可保證內(nèi)部回路不受外部電壓的影響，防止產(chǎn)生模塊互相之間的干擾，R1為上拉電阻取值為1KΩ、R2為分壓電阻、R3為分壓電阻取值均為100KΩ，確保電流超過濕熱電流10A。

圖3 低邊開關電路設計

3 接口電路匹配

對于汽車中存在的多個采集電路采集同一個信號的情況，為了避免多個模塊之間相互影響，需要對多個模塊的內(nèi)部接口電路進行設計，保證其接口電路能匹配使用。

3.1 近光燈接口電路匹配

由于近光燈在夜間行車的重要性，為避免單一BCM系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導致CAN信號沒有傳達給車內(nèi)智能燈光模塊進而使近光燈開啟控制失效，因此在BCM對信號的采集的基礎上，車內(nèi)智能燈光模塊對信號進行了采集，當BCM出現(xiàn)問題導致傳輸?shù)慕鉄糸_啟命令的CAD信號丟失后，車內(nèi)智能燈光系統(tǒng)會自主采集信號來進行對近光燈的控制[6]。下圖為某品牌汽車的近光燈電路設計，在汽車控制及電路設計中，除特殊情況外，一般將啟動表述為ON，將關閉表述為OFF。當汽車的點火啟動檔位處于ON檔位時，PWM電源處于高電平時，BCM和車內(nèi)智能燈光在采集電路近光燈信號互不影響，近光燈的控制可以正常進行。當汽車的點火啟動檔位處于OFF檔位時，汽車出去未啟動的狀態(tài)，此時BCM內(nèi)部的上拉PWM電源的占比空為50%，處于低電平的工作狀態(tài)，低電平的信號通過線路1會傳送至車內(nèi)燈光控制系統(tǒng)的接口電路的晶體管VT1基級上，導致晶體管收到低電平信號從而導通（此時②處的二極管尚未安裝），車內(nèi)智能燈光系統(tǒng)中的微處理器（MCU2）會接收到有效的開啟近光燈的輸入信號，從而導致車內(nèi)智能燈光系統(tǒng)進入運行狀態(tài)，在整車的CAN模塊系統(tǒng)中，當其中的一個節(jié)點未進行網(wǎng)絡休眠，會導致CAN系統(tǒng)在網(wǎng)絡管理中無法建立閉環(huán)，從而導致整車無法休眠，進而提高整車的靜態(tài)電流增大，導致汽車饋電。在本系統(tǒng)的接口電路匹配中，在②處加裝在二極管，可避免當BCM上拉PWM電源處于低電平時放出的低電平信號影響車內(nèi)智能燈光控制系統(tǒng)。

3.2 車速采集電路接口匹配

以下圖6中車速采集模塊電路為例，車速輸出模塊對車速采集模塊進行信號輸出，當啟動開關處于ON檔位時BCM內(nèi)部的車速采集電路和其他控制單元接收電路互不影響，能夠保證車速信息的采集，保證輸入電路的穩(wěn)定，當汽車啟動檔位處于0FF時，此時BCM內(nèi)部的上拉電源的占空比為50%，由于一個接收電路的上拉電源設計為12V高電平的信號會通過兩個采集系統(tǒng)并聯(lián)處，由其他控制單元傳送至BCM內(nèi)部接收單元，但由于BCM內(nèi)部接收電路在接口處設置防反二極管VD1，就導致BCM中的MCU微處理器接收不到外部的電平變化，進而導致無法獲得正確的信號，導致控制供能受損，為保證兩個電路接口匹配，應將其他控制單元接收電路單元的上拉電源與BCM內(nèi)部接收電路的上拉電源保持一致，進而保證接口電路不會互相產(chǎn)生影響，即應將上拉電壓5V更改為15V。

圖4 近光燈接口電路設計圖

圖5 車速采集電路接口設計圖

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代汽車功能的愈加復雜，對于BCM的綜合控制能力的要求也越來越高，那對于最為BCM控制的第一道關口的輸入電路的設計就顯得更加重要，保證輸入電路的設計和匹配的合理性，才能保證輸入信號的準確與穩(wěn)定，更好地提高BCM在汽車車身控制中的實用性，為BCM技術的優(yōu)化打下良好的基礎。