基于海爾HR6P62單片機實現全數字HID燈控制系統的應用方案

單片機控制技術已經在汽車電子中得到廣泛應用，它顯著提高了汽車的智能控制水平和安全性能。本文將系統地介紹一款高性價比的海爾HR6P62單片機以及該單片機在HID燈控制器上的應用。

一、汽車前照燈的發展歷程

據說第一個汽車前大燈是家用手提燈。汽車剛發明時是沒有前照燈的，一個駕駛員在黑暗的曠野上迷路時，一位農民用手提燈把他引回家。1898年，哥倫比亞號電動汽車把電用于前燈和尾燈，這樣車燈就產生了。最初的前大燈不能調光，所以在會車時有些晃眼。

第一代汽車前照燈是乙炔氣前照燈

乙炔氣火焰的亮度比當時的電光源所能達到的亮度高出一倍，因而，在1925年以前使用的汽車前照燈幾乎全是乙炔前照燈。

第二代汽車前照燈是電光源前照燈

1913年帶螺旋燈絲的充氣白熾燈泡問世，因其具有較高亮度，給電光源前照燈開辟了廣闊的前景。

第三代汽車前照燈是雙光燈芯前照燈

為解決在交會車時因前照燈的強光造成駕駛員炫目而導致交通事故發生，雙光燈芯前照燈應運而生。雖然雙光燈芯改善了會車時燈光炫目現象，但并沒有完全解決汽車車燈的配光問題。

第四代汽車前照燈是不對稱近光前照燈

雙光燈芯前照燈系統屬于對稱近光系統。為解決在會車過程中，前照燈既不產生炫目的強光，又能保證對道路具有良好的照明，1932年美國發明了不對稱前照燈。它是以基準軸為中心，將光束一分為二，靠近來車一側的落地距離短（即光束被壓低，從而防炫），而另一側光束的落地距離長（即光束被抬高，從而增強照明效果）。

第五代汽車前照燈是鹵鎢前照燈

1964年法國斯貝公司生產出第一批裝有鹵鎢燈泡的汽車前照燈。該燈燈絲允許工作溫度較普通白熾燈泡高，光效增加約50％，壽命也增加一倍。此后汽車的前大燈照明也多采用了鹵鎢燈泡的原理。

第六代汽車前照燈是充氙氣燈泡

BEST 氙氣燈就是其中—種。該燈泡內部填充優質的惰性氣體氙氣，并選擇高品質的鎢絲和優質的石英玻璃管。使燈泡的使用壽命和亮度發揮到極致，亮度達到3200流明以上。此類燈泡因沒有改變原車燈泡的外形尺寸，所以不會產生聚焦不準的問題。這樣的燈泡聚光效課非常好，而且K值在4300K以上，色澤柔和、燈光白亮。

第七代汽車前照燈是氙燈泡（推薦使用）

HID氙燈又稱高強度放電式氣體燈，英文是HID Higt-Intensity Discharge Lamp（簡稱HID）。該燈采用高電壓放電技術將氙氣（×enoN）灌入石英內管，再透過精密安定器通過三次變壓將12伏特電力瞬間提高至23000伏特以上，激發管內的氙電子游離，在兩電極間形成一束超強電弧光，使光色更亮，發出的光接近太陽光。

從早期乙炔氣前照燈發展到當今的自由面反射鏡氣體放電前照燈，差不多經歷了120年的歷史。

HID 氙燈提升原車鹵素燈亮度三倍，色澤更好，色溫穿透力更強，照明范圍可擴大到400米，視野十分寬廣，性能更加穩定，大大提高了夜間駕駛的安全性，因此受到了全球越來越多的汽車用戶的青睞。目前，在歐美、日本等國的中、高檔車中，有60％以上的新車配備了氙燈。國產車中目前也有奧迪A6和帕薩特領馭、索納塔等中高檔車安裝了H1D氙燈。預計未來兩三年，國產車裝備HID氙燈的車型會大大增加。HID氙燈取代鹵素燈已經是大勢所趨。

二、HID氙燈的發光原理

汽車HID氙氣燈與傳統鹵素燈不同，它是一種高壓放電燈。它的發光原理是利用正負電刺激氙氣與稀有金屬化學反應發光，因此燈管內有一顆小小的玻璃球，這其中就灌滿了氙氣并放置了少許稀有金屬。只要用電流去刺激它們進行化學反應，兩者就會發出高達4000K～12000K色溫度的光芒。它采用一個特制的觸發器，利用汽車電池12V電壓產生23000V以上的觸發電壓使燈啟動。啟動0.8秒時的亮度是額定亮度的20％，達到鹵素燈的亮度，同時，大燈將在4秒以內達到額定亮度的80％以上。在燈穩定后鎮流器向燈提供約80V供電電壓保持燈以恒定功率運轉。

氙金屬鹵化物燈的工作過程很復雜，需要高壓。根據汽車應用場合，對氙金屬鹵化物燈在啟動過程和穩定工作期間的光輸出特性都有許多嚴格的要求，需要有安定器進行控制與鎮流。因此近年來在高級車種中，已開始使用安定器驅動高強度氣體放電燈作為汽車頭燈的光源。

氙金屬鹵化物燈在啟動時需要將近23kV以上的高電壓脈沖，啟動后為了使燈管穩定發光，在點火瞬間，必須要有一個適當的電壓供給燈管續流。為了滿足燈在啟動與穩態時的不同要求，目前—般的車燈用安定器的基本電路結構包含四個部分，如圖1所示。

（1）直流升壓電路：由于目前汽車所使用的電源一般均為12V鉛蓄電池。而燈管穩態電壓約為85V，因此必須經過一級升壓電路將電池電壓升高。通常采用反激變換器Fly-bake Converter作為升壓電路，以提供燈穩態工作所需的電壓與啟動電路所需的高壓。

（2）高壓啟動電路：由于點亮燈需要高壓脈沖才能使燈管擊穿并開始放電，因此需要高壓啟動電路。啟動電路可以采取一級或兩級升壓的方式來產生至少23kV以上的高壓脈沖。

（3）直流／交流變換電路：由于直流升壓電路的輸出為直流電，必須使用逆變電路將直流電轉變為燈管點亮后所需的交流方波電流。逆變電路一般都采用全橋逆變器。全橋逆變電路提供低頻交流方波電流給燈管，以避免諧振的發生。

（4）驅動與保護電路：燈管啟動時控制啟動電路，燈管點亮后，檢測是否有過壓、短路現象發生。通過檢測燈電壓與燈電流的的信號，來控制驅動電路和保護電路，使燈管能穩定工作。

三、海爾HR6P62單片機特性

上海海爾集成電路有限公司是目前國內第一家專業從事MCU設計研發的高新技術企業。研發的通用型及專用型8位微控制器芯片，具有高抗干擾、高可靠性的特點，能幫助客戶提高系統性能，降低產品開發風險，減少系統總成本以及縮短產品面市時間。公司HR6P系列MCU采用48條精簡指令集高性能架構設計，具有豐富的外圍接口電路和良好的代碼保護機制，已經廣泛應用于家電、電表、汽車電子、工業控制系統。在HID安定器應用中，海爾推薦客戶選用HR6P62單片機進行設計開發。

HR6P62單片機具有如下特點：

◆高性能的RISC CPU結構，高速OTP CMOS工藝，僅48條精簡指令

◆除部分程序跳躍指令需要兩個指令周期外，其余都只需要一個指令周期

◆工作速度：DC-20MHz指令周期：最小為200ns，一個指令有4個時鐘周期

◆支持8級硬件堆棧結構

◆直接、間接和相對尋址三種方式

◆程序存儲器為2k×16位的OTP；數據存儲器為224字節

◆內嵌上電復位電路、掉電復位電路，支持硬件看門狗

◆支持編程代碼保護

◆運行電壓范圍：2.7V～5.5V；可運行的溫度范圍：-40℃～85℃

◆16組I／O引腳，采用SOP20／SOP18／PDIP18／PDIP14封裝

◆TIMER0：帶有8位預分頻器的8位定時器／計數器

◆TIMER1：帶有預分頻器的16位定時器／計數器

◆TIMER2：帶有周期寄存器、預分頻器和后分頻器的8位定時器

◆一路CCP：捕捉器／比較器模塊／脈寬調制器模塊

◆高速同步／異步發送／接收器HUSARTHR6P62芯片豐富的內部資源，為HID安定器系統設計提供了良好的基礎。

四、基于HR6P62單片機的HID控制系統設計

HID 燈的點燃主要分為四個過程：1．高壓生成，依據燈的老化狀態和冷熱狀態，生成大約在2萬伏左右的高壓；2．高壓擊穿，高壓把處于絕緣態的HID燈內氣體擊穿，燈的阻抗迅速下降；3．高壓停止工作，這時HID燈進入恒功率調整狀態；4．HID達到穩態后進入穩定管理狀態。從上述四個過程可以看出HID燈的控制過程比較復雜，不同廠商的HID燈特性往往不相同。如何使安定器與不同特性曲線的HID燈實現最佳匹配，是各HID安定器生產廠商必須重點研究解決的問題。安定器設計的好壞對于HID燈的壽命、可靠性方面具有非常重要的影響。

HR6P62H芯片核心采用兩級流水線，哈佛型RISC結構并集成了眾多外圍器件如模擬比較器電路、參考電壓模塊、硬件看門狗、一個16位定標計時／外部計數器、一個8位定標定時／外部計數器、一個帶有周期寄存器的 8位定標定時器、一路CCP（捕獲／比較／脈寬調制）模塊、HUASRT（高速同步／異步接收發送器）模塊和8位4通道ADC模塊。支持低功耗睡眠模式、外部中斷、PB口高4位變化中斷等，具有強大的中斷處理能力，能處理8級中斷。數據存儲器存儲深度為224×8位。程序存儲器存儲深度為2k×16位。尋址方式有直接尋址、間接尋址和相對尋址三種。片內有上電復位和掉電復位電路，16個雙向口。采用HR6P62芯片設計，整個HID安定器控制電路將變得非常簡單。利用內部軟件的設計，又保留了控制的靈活性。通過軟件，微控制器可以檢測和發出信號，實現HID燈的冷熱啟動，功率閉環調節，燈異常保護等功能?；贖R6P62單片機的HID安定器的電路結構圖如圖2所示。

車載直流電源通過DC／DC變換器給高壓點火電路提供能量，點火成功后給HID燈的正常運行提供能量。全橋逆變控制器將直流電壓逆變為高頻方波電壓。 HR6P62單片機則控制開始時電容充電放電，打火后的賦能，正常運行時的逆變控制及各系統工作狀態的檢測。HID燈的運行包括以下四個階段：

1．電容充電點火階段

HR6P62 單片機控制程序通過DC／DC變換器的母線電容進行400V恒壓閉環，倍壓整流輸出電壓通過過放電電容進行充電，逐漸使放電電容充電至600V。在高壓包原邊的放電電容達到600V后，就會對放電管擊穿放電，在高壓包的副邊瞬間產生一個23kV～30kV的高壓脈沖。

2．穩弧賦能階段

一旦高壓脈沖擊穿氙氣燈，燈阻抗會立即降到幾十歐姆。

這時需要3A～12A的電流來維持電弧的穩定。電弧穩定以后，HID燈的特性將完全取決于它的初始溫度。熱啟動的HID燈的電壓會保持在85V左右，而冷啟動的HID燈的電壓會維持在20V左右。因此，冷啟動時需要一定的賦能時間來提供足夠的能量，以保證HID燈能正常工作。

3．降功率階段

HID燈啟動后如果功率下降慢了會影響燈的壽命，下降太快又容易導致燈熄滅，因此對冷啟動來說，燈功率要在10s內降到正常允許的范圍，以使HID燈電壓穩定到85V左右。而熱啟動情況下，—般不會產生熄滅的危險，所以燈功率可以降得快一些。

4．穩定運行階段

經過降功率階段，HID燈即進入穩定運行階段。這個階段HID燈的電壓取決于初始燈的狀態和壽命，一般為80V～100V，使HID燈的功率保持在額定范圍，從而保證HID的使用壽命。

五、HID燈控制系統的發展

HID安定器的發展經歷了模擬、模擬加數字和全數字控制3個主要階段。目前處于向數字控制全面過渡的時期。

模擬控制以其響應速度快、使用方便的特點，在HID燈的發展初期得到廣泛應用。但模擬控制器也存在明顯的缺點，如難以實現標準化、集成化，同時，模擬電路設計復雜，需要對各項參數進行調整，不利于大規模流水化生產。

模擬加數宇混合控制是目前較常用的控制方法。所謂的數?；旌峡刂凭褪窍到y的閉環控制中既有數字控制，也有模擬控制。整個HID燈控制系統是一個雙環系統，外環是功率環、電流環或者電壓環，而內環是電流環。由于內環實現PWM控制，因此要求很快的響應速度。最典型的一種數?；旌峡刂凭褪鞘褂靡粋€快速內部模擬電流環路和一個帶寬較小的廉價外部數字控制環路的混合控制方案。

隨著電子技術的不斷發展，數字芯片的功能不斷強大，成本不斷降低，使得全數字HID燈控制系統成為當前研究的熱點。由于系統采用MCU進行AD采樣控制，使得大批量生產的HID燈安定器的質量穩定性大幅提高。原有模擬方案輸出功率控制精度大約為±2W，而采用數字控制后，輸出功率控制精度可以控制在±0.5W以內。同時，單片機控制整個系統回路，可以實現完善的HID控制曲線。單片機豐富的資源，大大簡化了HID燈安定器的系統結構，可以實現HID安定器的小型化和扁平化。單片機快速檢測和判別系統狀態，可以有效提高HID燈的安全性能。因此，全數字HID燈安定器具有以下幾個優點：

（1）啟動前控制全橋開關給放電電容充電，啟動后控制全橋先工作在直流模式，然后進入交流工作模式。

（2）根據燈的冷熱情況，對燈直流工作時間和電流的大小進行控制。

（3）精確控制燈在啟動過程中的功率，使燈啟動特性符合Vedilis曲線。

（4）使燈在燈電壓正常工作范圍內保持恒功率狀態。

（5）對電池電壓進行過壓和欠壓保護。

（6）對燈進行燈電壓過壓和欠壓保護、燈電流過流保護。

所以，全數字HID燈控制系統將會在今后的安定器市場中得到越來越廣泛的應用。采用全數字控制實現方法無疑是HID燈安定器未來的發展方向。

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