基于MKE06Z64的电动汽车低速行驶提醒系统设计*

向 楠,朱 杰,葛胜升

(1.安徽国防科技职业学院汽车技术学院，安徽 六安 237011；2.合肥威博尔汽车技术有限公司，安徽 合肥 230000；3.芜湖职业技术学院，安徽 芜湖 241006)

电动汽车(纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等)在纯电动模式下启动或者以低速行驶时，平均车外噪声与传统内燃机车辆相比有明显的降低，道路的其他使用者(包括行人、自行车等，特别是盲人或有视觉障碍的人)不容易察觉到车辆的靠近，从而容易导致交通事故[1].美国国家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA)的一项研究显示，混合动力车(电动行驶模式下)或者电动汽车引发行人事故和骑车者事故的可能性分别增加了37%和57%[2].针对电动汽车低速行驶时安全性较低的问题，NHTSA、日本国土交通省(Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism, MLIT)、联合国欧洲经济委员会(United Nations Economic Commission for Europe, UNECE)和世界车辆法规协调论坛(UN/WP29)等近年来做了大量的研究，一致确定在纯电动行驶模式的电动汽车上，须配备能够在低速行驶时发出警示提示音的装置，以减小交通事故发生的概率[2].国内各汽车制造商在电动汽车领域的投入和产出越来越大，为了避免电动汽车在启动或者以低速行驶时过于安静而造成事故，有必要制定电动汽车低速行驶提示音技术标准[1]，设计电动汽车低速行驶提醒系统，以提高电动汽车在低速行驶状态下的可察觉性，增强电动汽车的安全性能，有效保护包括行人在内的其他道路使用者的人身安全[3].

1 系统设计方案

如图1所示，系统主要包括主控模块、电源模块、稳压模块、CAN总线模块(TJA1042CAN 模块)、LPF模块、功放模块和存储模块(备用)等.

图1 系统结构

系统的主要工作流程是：主控模块接收并分析电动车CAN总线的指令，从而获取档位、车速、使能信号和音源选择等车况信息；主控芯片根据这些信息找到对应的音源，再根据档位、车速、使能信号和音源选择信号选择对应的输出音源输出PWM信号；LPF模块处理主控模块产生的PWM信号，将调制后的PWM信号转换成模拟信号，并消除信号中的高频成分后进入功放模块，发出警示提示音[4-5].

2 系统硬件模块设计

2.1 主控模块

主控模块主要选用飞思卡尔汽车级别的芯片MKE06Z64，芯片及其外围电路如图2所示.MKE06Z64是ARM Cortex-M级的32位的控制芯片，高达48 MHz ARM Cortex M0+内核，1.77CoreMark，来自单周期访问存储器，内置高达128 kB闪存，256BE2PROM.它包含系统集成模块，模块内含外部振荡器(OSC)、内部时钟源(ICS)和位操作引擎，外设联结器、带独立时钟源的看门狗(WDOG).芯片电源管理模块(PMC)有3种模式，即运行、等待和停止.带复位或中断功能的低电压检测(LVD)，可选择跳变点，用于误差检测循环冗余(CRC)模块等安全性措施、串行电路调试接口(SWD)、SRAM位带别名区(BITBAND)和位操作引擎(BME).MKE06Z64具备良好的通信和人机界面，内含2个SPI模块、3个UART模块、2个I2C模块和1个CAN总线模块[6].在功耗方面，M0+内核和多种低功耗模式可以显著降低系统的功耗[6].因在设计芯片时考虑了EMC/EMD，故它具有很强的抗干扰性.

图2 芯片及其外围电路原理图

选择MKE06Z64芯片的原因：(1)从成本角度出发，这是一款性价比较高的汽车级MCU，存储空间相对本系统基本够用，不需要再单独使用存储模块，系统设计中的存储模块可作为备用模块；(2)从性能角度出发，芯片抗干扰能力强，稳定性好，在发出提示音时无误差且不失真，满足系统要求.

2.2 电源模块与稳压模块

电源模块包括主电源单元和唤醒单元，其电路连接如图3所示.主电源单元作为常电给装置，在其他电路板中低功耗供电，电动汽车的KL30信号线接通则装置通电；唤醒单元接通电动汽车的KL15信号引线后，发送信号至主控模块，唤醒电动汽车低速行驶提示装置(刚接通引线即唤醒低速行驶装置启动).

主电源单元主要由双向稳压二极管D201、二极管D202、电容C201～C212、电感L201、电阻、稳压二极管D209、场效应管Q201和保险丝F201等元件组成.电路采用2组电容并联网C204～C206和C208～C211.常用的电路只需要连接1组电容并联网，系统电路采用2组电容并联网单元的原因是，一方面可以起到良好的滤波作用，另一方面可以减小电路的容抗.电容值大的单元用来滤波，小的单元用来消除大的单元在高频时产生的感性特性.三极管Q202、电阻R204、电容C216和三极管Q203、电阻R205、电容C217连接成差分对称电路，RC滤波电路也对称滤波，这样的连接方式使得整个系统的响应速度快，从而唤醒速度也快.

图3 电源模块(含主电源和唤醒单元)电路原理图

目前，现有的稳压电路常采用压敏电阻实现，但是其寄生电容较大，响应速度较慢，离散性大，不符合系统要求.系统的稳压模块采用宽电压输入、降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器LM2596，它通过KL30汽车电源供电信号线连接供电.LM2596是德州仪器(Texas Instruments)生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150 kHz)和基准稳压器(1.23 V)，具备40 V的宽电压输入、80uA的低功耗特性，并有完善的保护电路、电流限制电路、热关断电路等.LM2596可以提供3，5，12 V及可调(-ADJ)等多个电压档次产品，具有很好的线性和负载调节特性.LM2596的电路连接如图4所示.

图4 LM2596电路原理图

选择此款稳压模块的主要原因是：(1)它的价格虽然比常用的LM其他系列的稍高，但是其功能和稳定性却比其他系列的要优越得多；(2)开关电压调节器既支持定压输出，也支持可调输出，操作灵活，在系统升级及改装上有一定的积极作用.

由图4可见：电容C223～C226组成滤波网，通过电感L202连接稳压模块LM2596的第2引脚(输出端)；电容C222并联在电阻R208两端，R208的一端接模块LM2596的第4引脚(反馈端)，专门接收反馈信号；电路输出量再通过C222和R208组成的RC电路经滤波后送入反馈端.这样的设计可以保证信号的纯粹，增强抗干扰能力，从而提高电路的响应速度，同时也提高系统的敏感性.

2.3 CAN总线模块

CAN总线模块包括芯片TJA1042T/3、电容C301～C303、电阻R301～R303、双向稳压二极管D301和双向稳压二极管D302.芯片U301的第3引脚接电源VCC(5 V)，双向稳压二极管D301的一端与电动汽车CAN总线的CANH引线连接，双向稳压二极管D302的一端与电动汽车CAN总线的CANL引线连接.

TJA1042模块是一款高速、低功耗的CAN收发器，传送速率可达1 Mbit/s.相对以前的版本，TJA1042改进了EMC和ESD性能，收发器在断电或处于低功耗模式时，在总线上不可见，待机模式可以通过总线唤醒.TJA1042模块是CAN控制器和物理总线之间的接口，使得CAN控制器具备差动发送和接收功能.它采用SO8封装，完全符合ISO11898-2，适用于12 V系统，也可直接与3～5 V的微控制器接口连接，其电路原理连接如图5所示.虽然传统的稳压管和电阻的组合电路也可以满足系统要求，但是为了减少汽车总线电路中的浪涌，系统选用双向稳压二极管D301和D302与电阻组合连接，这样可以提高电路的响应速度.

图5 TJA1042模块电路原理图

2.4 LPF模块与功放模块

LPF模块是一个低通滤波器，专门处理主控模块产生的PWM信号.LPF将经过调制的PWM信号转换成模拟信号，并消除信号中大部分的高频成分，剩下直流部分，然后送入功放模块，发出理想的警示提示音.LPF模块主要由电阻(R401～R403)和电容(C401～C403)组成的RC滤波网进行滤波.

功放模块主要由电容、电阻、音频功放IC芯片和喇叭等组成.IC芯片8002A是专为大功率、高保真的应用场合所设计的音频功放芯片，供电电压为5 V，失真度不超过10%.芯片8002A的第6引脚接电源VCC(5 V)，第7引脚接地，第8引脚接喇叭的正端，第5引脚接喇叭的负端，提示音通过功放输出.

LPF模块和功放模块的电路连接如图6所示.

图6 LPF模块和功放模块电路原理图

2.5 存储模块

存储模块选用W25Q64FV作为主芯片.W25Q64是华邦公司推出的大容量SPI FLASH产品，其容量为64 MB.该25Q系列的器件在灵活性等方面远远超过普通的串行闪存器件.W25Q64将8 MB的容量分为128个块，每个块大小为64 kB，每个块又分为16个扇区，每个扇区4 kB.W25Q64的擦写周期多达10万次，实用性比较高.它不仅支持标准的SPI，还支持双输出/四输出的SPI，最大SPI时钟可达80 MHz.

存储模块主要包括电阻R410、芯片U402、电阻R411和电阻R412.芯片U402的第2引脚接主控模块的第54引脚，芯片U402的第3引脚接电源VCC_3V3，芯片U402的第4引脚接地.存储模块是备用存储单元，能存储多种提示音，客户可以根据喜好来选取提示音样式.这里需特别说明的是，系统需要的存储空间并不是很大，如果对于声音没有特殊要求，主控模块的内部存储空间是基本足够的，可以不用存储模块.存储模块的电路连接如图7所示.

图7 存储模块电路原理图

3 结语

虽然目前市面上已经出现电动车警示系统，但是现有系统基本没有设置唤醒单元，电路响应比较慢，不能及时提醒或者出现错误提示.为了解决这个问题，笔者设计了一个环境自适应的电动汽车低速行驶警示系统，主要包含主控模块、电源模块、稳压模块、CAN总线模块、LPF模块、功放模块和存储模块(备用)等.系统的主要优点是，加入了电源模块的唤醒单元电路，当连接电动汽车的KL15信号引线时，系统发送信号至主控模块，及时唤醒电动汽车低速行驶提示装置.刚接通引线即唤醒低速行驶装置启动，速度对比传统电路要快得多，从而在启动或者低速行驶的过程中提示行人注意，避免发生交通事故.当然，系统仍有需要改进之处，如LPF模块滤波的滤波性能、提示音的选择等.