電動(dòng)自行車(chē)應用中的MCU

簡(jiǎn)介

本文將主要探討采用微控制器或可編程片上系統（PSoC）實(shí)現電動(dòng)自行車(chē)的設計技術(shù)和相關(guān)挑戰。當前業(yè)界的電動(dòng)自行車(chē)系統采用微控制器以及外部信號調節和比較器電路來(lái)驅動(dòng)三相電機；采用外部ADC和外部放大器支持不同的傳感器輸入；采用繼電器驅動(dòng)電路支持剎車(chē)燈、車(chē)頭燈和轉向燈；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控制、模擬測量以及直接驅動(dòng)LCD顯示屏的統一電路板系統用于電動(dòng)自行車(chē)應用，而且還能支持電容式感應技術(shù)以取代鍵盤(pán)上的機械按鍵。此外，SOC器件還能利用內部PWM、MUX和比較器來(lái)驅動(dòng)和控制三相電機，利用內部ADC和PGA來(lái)支持傳感器輸入電池監控，以及利用熱敏電阻或RTD等溫度感應器件來(lái)實(shí)現溫度感應。該器件不但能直接驅動(dòng)繼電器，以支持剎車(chē)燈、車(chē)頭燈和轉向燈，而且能直接驅動(dòng)LCD顯示屏，以顯示溫度、電池狀態(tài)、速度、騎行距離及各種錯誤/警告消息等。

采用基于IDE的工具，可為SoC設計出各種界面和邏輯。這些工具還能提供直接可用的組件模塊，可用于設計更為復雜的邏輯，如監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(chē)系統的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本能夠大幅降低。

微控制器：微控制器通常用于不同傳感器輸入檢測（如節流閥輸入、溫度傳感器、電池輸入、燃料傳感器、障礙傳感器等）、模數轉換、輸出比較組件等，并可驅動(dòng)和控制三相無(wú)刷車(chē)用電機。采用電池供電的電動(dòng)自行車(chē)系統需要超低功耗的微控制器。此外，微控制器也是中控鎖系統的一部分，可用來(lái)與車(chē)輛中使用的各種不同外部器件進(jìn)行通信。無(wú)論何時(shí)剎車(chē)，均可使用微控制器來(lái)自動(dòng)停止電機旋轉，從而避免電機磨損剎車(chē)片的速度超過(guò)標準的人力自行車(chē)。

輪轂電機：通常情況下，無(wú)論有無(wú)傳感器（基于霍爾效應），均可采用無(wú)刷電機實(shí)現高效可靠的運行工作。

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

顯示屏與鍵盤(pán)：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、騎行距離及錯誤/警告消息等，而且還能顯示腳踏板輔助系統和能量生成的等級。電動(dòng)車(chē)應用中也采用基于機械按鍵的鍵盤(pán)，而且鍵盤(pán)還可支持保護電動(dòng)車(chē)的防盜功能。

電源管理：這個(gè)子系統可為各功能模塊的運行提供電源，并監控電池工作。帶比較器和分立邏輯的主機微控制器可用來(lái)管理鉛酸電池。此外，這種方法也能為微控制器和用戶(hù)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(chē)系統采用16位和32位微控制器。微控制器控制和管理車(chē)輛的所有功能和特性。一旦用戶(hù)打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)發(fā)動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)，微控制器就能獲得輸入，從而啟動(dòng)三相無(wú)刷車(chē)用電機。微控制器可接收來(lái)自用戶(hù)的各種車(chē)輛輸入信號，并對車(chē)輛進(jìn)行相應的操控。微控制器按照用戶(hù)所選擇的速度驅動(dòng)三相無(wú)刷車(chē)用電機，電機的速度可根據用戶(hù)的加速和制動(dòng)傳感器輸入進(jìn)行變化和控制。

微控制器采用內部或外部串行EEPROM（I2C/SPI型）來(lái)存儲距離讀數等數據。此外，微控制器還采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）在顯示屏上顯示準確的時(shí)間。

溫度測量由板上RTD或熱敏電阻型溫度感應器件來(lái)實(shí)現。電動(dòng)自行車(chē)系統還能利用障礙傳感器在泊車(chē)時(shí)獲取附近車(chē)輛的信息。燃料傳感器獲取引擎中的燃料信息，微控制器也可監控電池輸入并將其在LCD顯示屏上顯示。繼電器驅動(dòng)電路則用于切換剎車(chē)燈、車(chē)頭燈和轉向燈的開(kāi)/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(mǎn)足電池充電器的規定。電池輸入向下轉換為DC電壓，以便為微控制器和其它電路提供動(dòng)力。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)則可啟用或禁用板上穩壓器。此外，供電部分還可提供電池、過(guò)流、過(guò)熱及啟動(dòng)故障狀態(tài)保護電路等多種保護功能。OEM廠(chǎng)商也會(huì )對手機等外部設備的充電做出相應規定。

電動(dòng)自行車(chē)系統的實(shí)現

為給出電動(dòng)自行車(chē)系統的實(shí)際實(shí)現方案，本文介紹了一款基于賽普拉斯PSoC 4的設計。PSoC 4器件完美集成了帶數字可編程邏輯的微控制器、高性能模數轉換、帶比較器模式的運算放大器以及標準的通信和時(shí)序外設等。微控制器為32位的ARM Cortex M0，工作頻率高達48 MHz，并可提供最大32 KB的閃存和最大4 KB的SRAM以及2 KB的內部EEPROM.

該實(shí)現方案采用板上6個(gè)P型通道（P-Channel）MOSFET和門(mén)驅動(dòng)器電路來(lái)驅動(dòng)三相無(wú)刷電機。PSoC 4器件帶有內置PWM、時(shí)鐘、多路轉換器和比較器，可用來(lái)驅動(dòng)和控制三相無(wú)刷電機。此外，內置的16位PWM將用于驅動(dòng)控制電機的FET門(mén)驅動(dòng)器電路。而PWM的占空比根據用戶(hù)設置所需的速度而各不相同。

PSoC4帶有內部運算放大器、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(guò)改變PWM占空比來(lái)控制電機速度，并測量不同的傳感器輸入以滿(mǎn)足電池監控、低成本溫度感應、障礙感應和燃料感應等需求。這樣系統就無(wú)需采用任何外部放大器、ADC或比較器。

利用兩個(gè)電流DAC（IDAC），該系統可具備通用感應功能，且能夠利用任何引腳上的電容式感應技術(shù)。PSoC 4架構支持電容式感應組件，該組件同時(shí)支持手動(dòng)和自動(dòng)調校。采用電容式界面可幫助整個(gè)電動(dòng)自行車(chē)系統實(shí)現防水性，同時(shí)也能直接驅動(dòng)繼電器，從而充分滿(mǎn)足喇叭、剎車(chē)燈、車(chē)頭燈、轉向燈和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，能與其它外部外設輕松連接，從而實(shí)現更多功能。此外，PSoC 4還支持兩個(gè)獨立的在運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，可用于內外部外設通信。

該實(shí)現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(guò)板上降壓穩壓器進(jìn)行下變頻轉換。1.71 V的較低工作電壓和超低功耗運行，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)現更長(cháng)的電池使用壽命。

采用PSoC Creator IDE工具，我們能通過(guò)隨時(shí)可用的組件模塊設計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；面向電機驅動(dòng)應用的PWM、CLK、MUX和比較器等組件；面向直接驅動(dòng)字符和段式LCD的組件；面向電動(dòng)自行車(chē)應用中CAN協(xié)議接口的CAN組件；以及通過(guò)內部系統時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)測量、從而讓系統不再需要外部時(shí)鐘/振蕩器電路的RTC組件等。

此外，PSoC Creator還支持工程師訪(fǎng)問(wèn)包括集成編譯器工具鏈、RTOSes和量產(chǎn)編程器在內的完整的工具生態(tài)系統。有了PSoC Creator，開(kāi)發(fā)人員就可利用分層原理圖設計創(chuàng )建并共享用戶(hù)自定義的定制外設。然后，他們能對所選定的組件實(shí)現自動(dòng)布局布線(xiàn)，并集成簡(jiǎn)單的粘接邏輯（通常位于分立多路轉換器中）。

過(guò)流保護用于關(guān)閉電機驅動(dòng)PWM，因而可停止電機運行。PSoC 4器件采用基于比較器的PWM Kill信號觸發(fā)，可在檢測到過(guò)流情況時(shí)終止電機驅動(dòng)。該模塊的輸入來(lái)自總線(xiàn)電流，其截止參考可設為電機消耗的最大電流?？偩€(xiàn)電流輸入饋送到比較器和可配置的截止參考，并由DAC進(jìn)行設置。如果總線(xiàn)電流低于參考閾值，那么比較器輸出設為高。比較器輸出連接到PWM的“KILL”信號輸入。當“KILL”輸入為高時(shí)，PWM輸出關(guān)閉，從而可避免電機受損。該完整模塊的實(shí)現方案將采用PSoC creator組件，且無(wú)需設計人員編寫(xiě)的任何固件。

無(wú)傳感器的電機控制

無(wú)傳感器的電機控制不需要霍爾傳感器，而是采用反電動(dòng)勢（back-EMF）過(guò)零檢測技術(shù)來(lái)控制電機的運動(dòng)。當電機旋轉時(shí)，每個(gè)繞組生成的電壓稱(chēng)為與繞組供電主電壓相反的反電動(dòng)勢電壓。反電動(dòng)勢的極性與繞組激勵所用電壓的方向相反，并與電機的轉速成正比。

在圖3中，三相反電動(dòng)勢信號終止而DC總線(xiàn)擴展并路由到PSoC.PSoC將采用多路復用器切換到比較器的終止輸入，并將其與DC總線(xiàn)電壓進(jìn)行比較。級聯(lián)的數字邏輯將過(guò)濾出PWM信號，以獲得真正的過(guò)零信號。微控制器將根據該信息決定換向。

可選的電流控制將被應用于PWM輸出控制，從而對電機電流進(jìn)行調節。此內環(huán)以比較器為基礎：反饋總線(xiàn)電流與12位DAC提供的參考電流值進(jìn)行比較。改變DAC輸出將修改輸出電流值。

基于傳感器的（霍爾效應）電機控制

基于傳感器的無(wú)刷電機控制采用霍爾傳感器輸入來(lái)檢測轉子位置，進(jìn)而控制電機的運動(dòng)。它為微控制器提供霍爾傳感器輸入，并作為閉環(huán)系統工作，這有助于實(shí)現較長(cháng)驅動(dòng)的自動(dòng)速度鎖定。

設計挑戰

高性能智能微控制器需要更高M(jìn)IPS性能的CPU內核、更快速的ADC（>= 500Ksps @ 10位）、內置閃存和SRAM存儲器、內置EEPROM、模擬和數字外設來(lái)執行高性能模擬測量、CAN接口、三相電機控制、LCD驅動(dòng)、低功耗運行、RTC、不同外部協(xié)議接口等關(guān)鍵功能。

該系統可采用低成本前面板設計，實(shí)現按鍵和LED/LCD界面等不同特性。此外，電容式感應技術(shù)可用于在前面板上實(shí)現按鍵、滑條和接近傳感器。在前面板上利用鄰近的LED（PWM型）滿(mǎn)足電容式感應性能要求（如信噪比等），這對于系統設計人員來(lái)說(shuō)可能是一大設計挑戰。

選擇具有低Ron和低柵電容的Power MOSFET正是驅動(dòng)三相電機所必需的。采用高功率MOSFET驅動(dòng)電路設計電路板以及處理電池輸入的較高板上電流是電路板設計人員面臨的另一大挑戰。由于該系統涉及機電構造問(wèn)題，要設計出一款低成本的緊湊型機電系統極具挑戰，而且還要讓最終設計通過(guò)認證。此外，電動(dòng)自行車(chē)系統在設計時(shí)需要考慮一次充電能行駛更長(cháng)里程的問(wèn)題。

支持恢復機制的故障檢測是所有汽車(chē)應用都不可或缺的。而且，具有電池保護、過(guò)流、過(guò)熱和啟動(dòng)故障狀態(tài)保護功能的電源設計也是一大必要條件。

此外，開(kāi)發(fā)人員可能還希望采用一次性可編程（OTP）的器件來(lái)防止競爭對手和黑客對固件實(shí)施逆向工程。

系統局限性

PSoC 4支持電容式感應技術(shù)，可通過(guò)觸摸操控的鍵盤(pán)取代機械按鍵。這不僅可減少由機械按鍵造成的故障幾率，同時(shí)還可提高產(chǎn)品的可靠性。PSoC Creator支持CapSense SmartSense組件，該組件能自動(dòng)調校電容式感應按鍵和滑條的敏感度，從而使開(kāi)發(fā)人員無(wú)需再進(jìn)行手動(dòng)調校。此外，電容式感應還能提高最終系統的防水性。

在前面板上實(shí)現的觸摸屏設計取代了LCD顯示屏和鍵盤(pán)，這可為用戶(hù)提供更好的用戶(hù)界面和更高的靈活性。系統還可添加連接iPod/iPhone等外部設備的接口，通過(guò)UART或USB接口實(shí)現與媒體播放器的通信，從而支持播放音樂(lè )、控制播放列表和設備充電等功能。

故障分析和返回材料：電路板上內外部接口數量的增加必然會(huì )讓入侵者獲得更多途徑來(lái)對系統實(shí)施破壞。這也是嵌入式系統面臨的一個(gè)最大局限性問(wèn)題。

在汽車(chē)應用領(lǐng)域中所使用的電動(dòng)自行車(chē)系統目前是采用微控制器來(lái)實(shí)現。PSoC完美結合了微控制器和ASIC.采用基于PSoC的電動(dòng)自行車(chē)解決方案，可幫助我們降低汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的整體產(chǎn)品成本（通過(guò)減少BOM成本）和項目開(kāi)發(fā)成本（采用PSoC Creator來(lái)實(shí)現）。
審核編輯：彭菁