電動(dòng)自行車應(yīng)用中的MCU

　　簡介

　　本文將主要探討采用微控制器或可編程片上系統(tǒng)(PSoC)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的設(shè)計(jì)技術(shù)和相關(guān)挑戰(zhàn)。當(dāng)前業(yè)界的電動(dòng)自行車系統(tǒng)采用微控制器以及外部信號(hào)調(diào)節(jié)和比較器電路來驅(qū)動(dòng)三相電機(jī);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(qū)動(dòng)電路支持剎車燈、車頭燈和轉(zhuǎn)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(jī)控制、模擬測量以及直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏的統(tǒng)一電路板系統(tǒng)用于電動(dòng)自行車應(yīng)用，而且還能支持電容式感應(yīng)技術(shù)以取代鍵盤上的機(jī)械按鍵。此外，SOC器件還能利用內(nèi)部PWM、MUX和比較器來驅(qū)動(dòng)和控制三相電機(jī)，利用內(nèi)部ADC和PGA來支持傳感器輸入電池監(jiān)控，以及利用熱敏電阻或RTD等溫度感應(yīng)器件來實(shí)現(xiàn)溫度感應(yīng)。該器件不但能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，以支持剎車燈、車頭燈和轉(zhuǎn)向燈，而且能直接驅(qū)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(cuò)誤/警告消息等。

　　采用基于IDE的工具，可為SoC設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)更為復(fù)雜的邏輯，如監(jiān)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(qū)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)自行車系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)成本能夠大幅降低。

　　圖1所示為基本電動(dòng)自行車系統(tǒng)的方框圖：

　　圖1：電動(dòng)自行車方框圖

　　微控制器：微控制器通常用于不同傳感器輸入檢測(如節(jié)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(shù)轉(zhuǎn)換、輸出比較組件等，并可驅(qū)動(dòng)和控制三相無刷車用電機(jī)。采用電池供電的電動(dòng)自行車系統(tǒng)需要超低功耗的微控制器。此外，微控制器也是中控鎖系統(tǒng)的一部分，可用來與車輛中使用的各種不同外部器件進(jìn)行通信。無論何時(shí)剎車，均可使用微控制器來自動(dòng)停止電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而避免電機(jī)磨損剎車片的速度超過標(biāo)準(zhǔn)的人力自行車。

　　輪轂電機(jī)：通常情況下，無論有無傳感器(基于霍爾效應(yīng))，均可采用無刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)高效可靠的運(yùn)行工作。

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

　　顯示屏與鍵盤：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(cuò)誤/警告消息等，而且還能顯示腳踏板輔助系統(tǒng)和能量生成的等級(jí)。電動(dòng)車應(yīng)用中也采用基于機(jī)械按鍵的鍵盤，而且鍵盤還可支持保護(hù)電動(dòng)車的防盜功能。

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

　　原理

　　目前的電動(dòng)自行車系統(tǒng)采用16位和32位微控制器。微控制器控制和管理車輛的所有功能和特性。一旦用戶打開點(diǎn)火開關(guān)發(fā)動(dòng)電動(dòng)自行車，微控制器就能獲得輸入，從而啟動(dòng)三相無刷車用電機(jī)。微控制器可接收來自用戶的各種車輛輸入信號(hào)，并對車輛進(jìn)行相應(yīng)的操控。微控制器按照用戶所選擇的速度驅(qū)動(dòng)三相無刷車用電機(jī)，電機(jī)的速度可根據(jù)用戶的加速和制動(dòng)傳感器輸入進(jìn)行變化和控制。

　　微控制器采用內(nèi)部或外部串行EEPROM(I2C/SPI型)來存儲(chǔ)距離讀數(shù)等數(shù)據(jù)。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(zhǔn)確的時(shí)間。

　　溫度測量由板上RTD或熱敏電阻型溫度感應(yīng)器件來實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)自行車系統(tǒng)還能利用障礙傳感器在泊車時(shí)獲取附近車輛的信息。燃料傳感器獲取引擎中的燃料信息，微控制器也可監(jiān)控電池輸入并將其在LCD顯示屏上顯示。繼電器驅(qū)動(dòng)電路則用于切換剎車燈、車頭燈和轉(zhuǎn)向燈的開/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，且必須滿足電池充電器的規(guī)定。電池輸入向下轉(zhuǎn)換為DC電壓，以便為微控制器和其它電路提供動(dòng)力。點(diǎn)火開關(guān)則可啟用或禁用板上穩(wěn)壓器。此外，供電部分還可提供電池、過流、過熱及啟動(dòng)故障狀態(tài)保護(hù)電路等多種保護(hù)功能。OEM廠商也會(huì)對手機(jī)等外部設(shè)備的充電做出相應(yīng)規(guī)定。

　　圖2所示為基于可編程SOC的電動(dòng)自行車系統(tǒng)：

　　圖2：基于PSoC的電動(dòng)自行車解決方案方框圖

　　電動(dòng)自行車系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　為給出電動(dòng)自行車系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方案，本文介紹了一款基于賽普拉斯PSoC 4的設(shè)計(jì)。PSoC 4器件完美集成了帶數(shù)字可編程邏輯的微控制器、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換、帶比較器模式的運(yùn)算放大器以及標(biāo)準(zhǔn)的通信和時(shí)序外設(shè)等。微控制器為32位的ARM Cortex M0，工作頻率高達(dá)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(nèi)部EEPROM.

　　該實(shí)現(xiàn)方案采用板上6個(gè)P型通道(P-Channel)MOSFET和門驅(qū)動(dòng)器電路來驅(qū)動(dòng)三相無刷電機(jī)。PSoC 4器件帶有內(nèi)置PWM、時(shí)鐘、多路轉(zhuǎn)換器和比較器，可用來驅(qū)動(dòng)和控制三相無刷電機(jī)。此外，內(nèi)置的16位PWM將用于驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)的FET門驅(qū)動(dòng)器電路。而PWM的占空比根據(jù)用戶設(shè)置所需的速度而各不相同。

　　PSoC4帶有內(nèi)部運(yùn)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可通過改變PWM占空比來控制電機(jī)速度，并測量不同的傳感器輸入以滿足電池監(jiān)控、低成本溫度感應(yīng)、障礙感應(yīng)和燃料感應(yīng)等需求。這樣系統(tǒng)就無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(tǒng)可具備通用感應(yīng)功能，且能夠利用任何引腳上的電容式感應(yīng)技術(shù)。PSoC 4架構(gòu)支持電容式感應(yīng)組件，該組件同時(shí)支持手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)校。采用電容式界面可幫助整個(gè)電動(dòng)自行車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防水性，同時(shí)也能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，從而充分滿足喇叭、剎車燈、車頭燈、轉(zhuǎn)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(shè)輕松連接，從而實(shí)現(xiàn)更多功能。此外，PSoC 4還支持兩個(gè)獨(dú)立的在運(yùn)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(nèi)外部外設(shè)通信。

　　該實(shí)現(xiàn)方案采用可再充電的鉛酸或鋰離子電池作為電源。輸入電壓通過板上降壓穩(wěn)壓器進(jìn)行下變頻轉(zhuǎn)換。1.71 V的較低工作電壓和超低功耗運(yùn)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(xiàn)更長的電池使用壽命。

　　采用PSoC Creator IDE工具，我們能通過隨時(shí)可用的組件模塊設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的PWM、CLK、MUX和比較器等組件;面向直接驅(qū)動(dòng)字符和段式LCD的組件;面向電動(dòng)自行車應(yīng)用中CAN協(xié)議接口的CAN組件;以及通過內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)測量、從而讓系統(tǒng)不再需要外部時(shí)鐘/振蕩器電路的RTC組件等。

　　此外，PSoC Creator還支持工程師訪問包括集成編譯器工具鏈、RTOSes和量產(chǎn)編程器在內(nèi)的完整的工具生態(tài)系統(tǒng)。有了PSoC Creator，開發(fā)人員就可利用分層原理圖設(shè)計(jì)創(chuàng)建并共享用戶自定義的定制外設(shè)。然后，他們能對所選定的組件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布局布線，并集成簡單的粘接邏輯(通常位于分立多路轉(zhuǎn)換器中)。

　　過流保護(hù)用于關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM，因而可停止電機(jī)運(yùn)行。PSoC 4器件采用基于比較器的PWM Kill信號(hào)觸發(fā)，可在檢測到過流情況時(shí)終止電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該模塊的輸入來自總線電流，其截止參考可設(shè)為電機(jī)消耗的最大電流?？偩€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(shè)置。如果總線電流低于參考閾值，那么比較器輸出設(shè)為高。比較器輸出連接到PWM的“KILL”信號(hào)輸入。當(dāng)“KILL”輸入為高時(shí)，PWM輸出關(guān)閉，從而可避免電機(jī)受損。該完整模塊的實(shí)現(xiàn)方案將采用PSoC creator組件，且無需設(shè)計(jì)人員編寫的任何固件。