嵌入式系统在汽车电动天窗硬件系统设计上的应用

徐玉荣（上海公用事业学校,上海 200030）

嵌入式系统在汽车电动天窗硬件系统设计上的应用

徐玉荣
（上海公用事业学校,上海 200030）

嵌入式系统设计是汽车车身电子控制系统应用中的一个重要的技术领域。本文结合已完成的相关项目及相关技术资料，以汽车电动天窗硬件系统的嵌入式设计为例，给出了几个典型电路设计的结果，为嵌入式单片机实时控制系统在车身电子控制系统中的应用做出了一些探索和尝试。

嵌入式；单片机；系统硬件

1 系统硬件设计概述

针对某型电动天窗电控系统设计需求，采用C8051F330单片机作为整个控制系统的核心，其性能优劣对整个系统的功能实现有重要的影响。电动天窗控制系统硬件设计主要包括：系统核心单片机的选择，电机控制单元的设计，稳压单元的设计，JTAG口电路的设计（用于调试），接口的设计，控制按键的设计，其它部件的选择。控制系统的硬件构成如图1所示。

从图1 是整个控制系统硬件部分的主要构成，包括C8051F330单片机、电机控制芯片MC33486AD、JTAG口、接口电路、控制键、零位传感器、电机传感器。此外，硬件部分还包括：稳压单元U1和U2、功率场效应管、电阻和电容。其中，一个接口电路有电机电流信号输入，通过模数转化后进入单片机。另一接口电路有点火开关信号、传感器信号和不同控制键信号输入。控制系统会根据收到的信号，由ECU进行处理并产生控制信号，通过电机驱动芯片MC33486来控制电机正转或反转，从而实现天窗的平滑打开、关闭，翘起、闭合等基本功能[1,2]，还会根据不同的位置信号和按键长短信号实现天窗的自学习、位置记忆控制等高级功能。

2 电控天窗硬件系统部分功能电路设计

2.1 稳压单元的设计

从整个天窗控制系统的硬件构成单元可以看到，整个电路需要提供的电压基准有12V、5V和3.3V。其中，控制系统核心C8051F330、JTAG电路需要3.3V供电；电机驱动芯片MC33486、电机计数脉冲输入端引脚、零位信号脉冲输入端引脚需要5V供电；而天窗运动控制按键需要12V供电。由于系统对电源的稳定性要求较高，所以要采用稳压芯片。其中，5V稳压采用LM78L05芯片，而3V稳压采用AS1117芯片，电路中的电容元件也可以起到稳压的作用。稳压单元的电路设计如图2所示。

稳压电路中所用到的LM78L05，在一定温度范围内它的输出电压误差在－5%～+5%之间；它的输出电流是100mA;它具有内部过热保护、内部短路电流保护和输出三极管安全区域保护的特性。在它的电流保护功能下，输出电流的最大值会控制在一个安全数值范围内。输出三极管的安全区域保护限制着内部的功率损耗，若内部功率损耗过大时，热量切断保护电路会起作用防止集成电路过热。稳压电路中所用到的AS1117，它是一个低功耗的电压调节器，可以产生800mA的输出电流和3.3V的输出电压。它的静电流和温度系数非常的小，在全载荷下所产生的电压回动也较低[3,4]。此外，它还有逻辑控制的电子切断保护装置，具有过流保护和过热保护的特性。利用LM78L05、 AS1117和部分电容元件所设计的稳压电路，可以有效的将12V的输入电压转变成所需要的5V和3.3V电压，很好的满足不同单元在工作中的需要。

2.2 电机驱动单元的设计

本次设计的天窗控制系统硬件部分所用的电机驱动芯片是双高端开关器件MC33486。它一般包括两个N沟道功率MOS管和一个检测控制模块[4-6]。图3是MC33486在天窗控制系统中的电路设计图。芯片输出引脚GLS1、GLS2连至外挂的两个低端MOS管的门极，开关管通断由输入引脚IN1、IN2的逻辑状态决定；引脚OUT1、OUT2为高端输出口，直接用来驱动负载电动机；内部两个高端MOSFET用以实现高端电流检测、错误保护以及低端门极驱动；内部低端控制模块用于驱动H桥中外挂的两个低端开关，并具有短路保护功能，它和高端保护共同实现对H桥的负载短路、电源短路、对地短路保护功能。当此模块工作出现异常时，可由芯片的ST管脚反映出。

利用MC33486芯片设计的电机驱动电路，在刚起动时，电动机转速为零，电动势为零，由于电动机的电枢绕组电阻很小，如直接加额定电压起动，将产生巨大的冲击电流，电流可能突然增到额定电流的几倍。这样，对电动机及所拖动的机械设备会造成极大的损害。此外，起动电流尖峰值过高将影响后续控制功能（如防夹功能）的实现，至少会使控制方式复杂化。为此，在起动时，必须设法限制起动电流，尽量减少甚至消除瞬时过载电流尖峰，使其接近正常运转的电流值。鉴于直流斩波形式的功率因素高、调速范围宽、谐波少、响应快、抗干扰性能强，而且考虑到此驱动芯片具有较高的斩波频率，因此设计时可采用直流斩波DC-PWM原理实现可控直流电源。即通过控制程序控制驱动芯片的控制信号使起动前100ms内驱动器的供电电压低于正常的工作电压，当n达到额定转速以后再恢复正常的供电电压，进而限制起动电流、减小起动尖峰，使起动时的电流接近正常运行时的恒定电流。

3 结论

本文分析了应用C8051F330单片机对汽车电动天窗控制系统进行硬件设计的实现路径和方法，重点对稳压单元电路、电机驱动电路等方面进行了分析与设计，其设计思路可为企业开发具有自主知识产权的汽车电动天窗控制器产品提供一定的硬件设计参考。

[1]麻友良，丁卫东.汽车电器与电子控制技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]沙占友，孟志永.单片机外围电路设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3]徐爱钧，彭秀华.单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2001.

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[5]温国忠.JTAG接口电路设计与应用[M].微计算机信息，2007(8)：298-300.

[6]雷雪梅，李树华.基于JTAG标准的在系统编程下载系统接口电路的设计[D].内蒙古大学学报，2003(13)：689-691.

徐玉荣（1972－），女，学士,讲师,主要从事：计算机应用技术。

上海市优秀青年教师科研专项基金资助项目。