基于C167CS微控制器及智能功率器件的汽车灯光控制设计

摘要：本文基于英飞凌C167CS微控制器及智能功率器件设计了高端车用灯光控制模块，详细介绍其软、硬件的实现过程。该模块不仅可实现对每个车灯的控制，而且可实现对每个车灯的故障诊断。

关键词：智能功率器件；C167CS；智能控制；微处理器；软件设计；硬件设计

引言

汽车上的车灯大致分为两类：
（1）照明灯：如前照灯、雾灯、顶灯和牌照灯等。其要求是照明要好、同时不应使对面来车和后车司机眩目。
（2）标识灯：如示廓灯、尾灯、制动灯、转向信号灯、倒车灯等。其要求是必须对其他车辆的驾驶员和行人、交通警察给出明确的信号，且在夜间能提供不眩目又具有一定亮度的照明。

汽车灯光系统不但是现代汽车上的装饰之一，而且它对于保证行车安全具有重要意义。传统的汽车以及现代普通的汽车一般还是直接采用继电器直接驱动方式。这种驱动方式潜在的缺点是：（1）继电器体积较大，因此在汽车这一空间有限的应用场合会造成潜在的安装不便；（2）继电器本身是一种梁式结构，因此在吸合及断开时存在振颤现象，这不但会造成触点的烧蚀，而且会有很强的电磁辐射，对其他电气设备造成干扰；（3）不具有故障诊断功能，一旦出现故障，不知道是什么原因造成的故障，不便于维修；针对以上问题，本文应用英飞凌C167CS-LM微控制器（外扩Flash），以及英飞凌智能功率器件设计了汽车灯光控制模块。

该模块具有以下一些特点：（1）不用继电器即可实现对汽车灯光的控制；（2）由于采用的功率器件本身具有完善的保护功能（过压保护、过流保护、过载保护、短路保护、过温关断、开路检测等），因此省去了保险丝和一些分立元件，减小了体积；（3）可实现故障诊断功能，不但可以知道是哪一器件出现了故障，而且可以知道是什么原因导致了这样的错误，因而利于维修。（4）采用微控制器输出PWM信号来控制车灯的亮、暗，不但可以节约能量的消耗，且可以延长灯泡的使用寿命。

本文接下来的结构安排如下：第二部分介绍了基于C167CS微控制器及智能功率器件灯光控制模块的总体功能设计；第三部分介绍了该模块的硬件设计；第四部分介绍了该模块的软件设计；最后在第五部分给出了本文的结论。

总体功能设计

本文基于英飞凌C167CS微控制器及智能功率器件设计了汽车灯光控制模块，其框图如图1所示：其中微控制器采用英飞凌的C167CS-LM（外扩Flash），用于控制所有功率器件的开关动作，同时对系统状态进行定时监控，并提供合适的反馈信号以及周期地显示诊断信息，并通过车载网络（如CAN、LIN）实现信息交换。由于采用的功率器件提供了完善的保护功能，因此避免了采用太多的分立元件，减小了模块体积，并提高了模块的EMC特性。本模块是按照高性能要求设计的实时嵌入式应用系统，优化的结构用于高速的指令处理以及快速的外部事件（中断）响应。集成的智能外围子系统可减少CPU扩展的消耗。这样也降低了通过外部总线进行数据传输的要求，所以适用于不同的应用场合，如汽车、工业控制、数据传输等。

图1 汽车灯光控制模块总体设计框图

硬件设计

供电电源设计
本模块由外部12V直流稳压电源（可提供60A的输出电流）供电，但内部电路还需要+5V供电电源，该部分采用英飞凌TLE4268电压调节器实现，它具有低功耗、过温保护、反相保护、短路保护等特性，其电路如图2所示：

图2 +12V到+5V电压转换

功率器件与C167CS的连接
该灯光控制模块采用的功率器件（负责对车灯进行接通与关断）是英飞凌公司的BTS系列功率开关（BTS724、BTS716、BTS443以及BTS134），其中BTS724和BTS716是电源MOSFET高位开关（漏极与电源相连），带电荷泵、输入的参考地与CMOS兼容以及诊断反馈，而BTS443和BTS134是单通道FET功率管，也称为低位开关（源极与电源相连），高位开关和低位开关都可由嵌入的保护功能充分保护。以下是对高位开关和低位开关的具体描述：

（1）应用环境：对于能兼容带诊断反馈的高位功率开关的微控制器，可用于控制12V或24V的接地负载，而负载可以是阻性负载、感性负载或是容性负载，最适用于带高涌入电流的负载，如灯等，从而取代了传统的继电器、熔断器和离散电路的控制方法。（2）基本功能：待机电流低，输入与CMOS电平兼容，电磁兼容性好，感性负载下快速退磁，性能保持稳定，操作电压范围大，逻辑地与负载地独立。（3）保护功能：短路保护，过载保护，过电流保护，过温关断，过压保护，电源反接保护，失地与失压保护，静电保护。

BTS724和BTS716带四通道输入输出，且每一对输入输出相互独立，数字量输出的诊断反馈，在OFF状态（指车灯在未接通的状态下）可检测开路故障，在ON状态（指车灯在接通的状态下）反馈过热关断。BTS443和BTS134D带单通道输入输出，诊断反馈是与负载成比例的电流，所以是模拟量诊断反馈。因此在本控制模块中，根据功率器件的诊断类型的不同，分为两组：数字量诊断输出组和模拟电流传感器诊断输出组。同时又把同一个功率器件控制的车灯分为一组，于是可把数字量诊断输出组再细分成若干个小组，又把模拟电流传感器诊断输出组分成若干个小组，诊断和设置输出时对这些组顺序扫描。以BTS724为例，它与C167CS微控制器的连接如图3所示：

图3 BTS724与C167CS微控制器的连接图

该模块中所用到的功率器件划分为两种类型的诊断组，一类是数字量诊断输出组，另一类是模拟电流传感器诊断输出组。

（1） 数字量诊断输出组
对于数字量输出类型的诊断，通过加一个外部上拉电阻到输出，能在负载关闭的情况下检测到开路故障。对于多通道的功率开关，所有这些外部上拉电阻能连接在一起，并通过使用一个简单的双极型晶体管实现单独控制。这样做可减小电流消耗。

（2） 模拟电流传感器诊断输出组
这个模拟电流与负载电流是成比例的，且这个输出与微控制器的ADC输入连接，可实现检测开路故障、欠载故障和过载故障。这是因为传感器信号能在非常低的负载电流到过载电流之间进行智能分析。另外模拟电流传感器输出可用于测定故障负载是否已被更换，而且还能实现对电流的限制。

两种类型的诊断输出组在负载接通的情况下进行开路故障检测和过载故障检测。所有接通的负载被周期检测。在负载关闭的情况下只能进行开路故障检测，所有未被接通的负载周期地进行开路故障检测。

灯光控制模块软件设计

灯光控制模块的软件流程图
汽车灯光控制模块的控制实际上是根据车灯的状态信息及驾驶员对车灯状态要求来实现的。车灯的状态信息主要是故障信息的反馈，而驾驶员对车灯状态的要求通过键盘的车灯按钮来传递。具体控制思想如下：在系统启动并进行初始化以后，定时器被启动并周期地对数字量诊断输出的车灯和模拟电流传感器诊断输出的车灯进行检测，同时亦周期地对键盘的车灯按钮进行扫描，结合诊断结果及键盘的扫描结果，决定是否打开车灯或关闭车灯。具体流程图如图4所示：

图4 灯光控制模块的软件流程图

灯光控制模块诊断输出软件设计
灯光控制模块诊断输出分为数字量诊断输出和模拟电流传感器诊断输出，诊断的信息显示在LCD上，其各自的流程图分别如图5及图6所示：


图5 灯光控制模块数字量诊断输出流程图

图6 灯光控制模块模拟电流传感器诊断输出流程图

灯光控制模块的控制逻辑
所有的车灯都是通过键盘上的开关来控制的，在本控制模块中一共有12个开关，这些开关是：点火开关、驻车灯开关、近光灯开关、远光灯开关、转向灯开关、雾灯开关、雾警报灯开关、危险警告信号灯、倒车灯、内部灯、门灯、制动灯。

驻车灯和近光灯由二极开关控制。当近光灯接通，驻车灯也被接通。转向灯左和转向灯右由单极双掷开关（on-off-on）控制。接通一个或几个按键会点亮一些灯。在表1中列出了他们之间的逻辑关系。灯的显示分为两类：点火开关接通和点火开关关断。这是因为一些灯的打开并不需要首先接通点火开关。当近光灯被点亮，远光灯、雾灯和雾警报灯也必须点亮。

表1 车灯控制逻辑表


结论

本文基于英飞凌C167CS微控制器及智能功率器件设计了高端车用灯光控制模块，该模块不仅可实现对每个车灯的控制，而且可实现对每个车灯的故障诊断。汽车灯光控制模块的工作过程，实际上就是不断的检测过程，通过循环的检测可以及时地发现故障并采取措施，使驾驶员能清楚的知道系统状态，从而大大提高了行车的安全性。