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英飞凌智能车辆灯光控制解决方案

宫江海 吴志红

同济大学中德学院英飞凌实验室 上海 200092
 

摘要：汽车的灯光系统是保证行车安全的重要因素之一。本文介绍了应用英飞凌系列产品的智能车辆灯光控制系统解决方案。该方案应用英飞凌XC164CS单片机和智能功率器件实现了对汽车车灯的开关控制和故障诊断。

关键词：智能功率器件；故障诊断；灯光控制；XC164CS；英飞凌

An Intelligent Automobile Light Control Solution from Infineon

GONG JiangHai, WU ZhiHong 

 (TongJi University Infineon Lab, Shanghai 200092, China)

Abstract: Intelligent control of automobile light is one of important facts to assure driving security.  This paper presents an intelligent light control module based on Infineon’s microcontroller XC164CS and smart power devices. This control system is not only able to complete the switch-control of every light, but also able to realize failure diagnosis and protection of all bulbs.

Keywords: Smart power devices; Failure diagnosis; Light control; XC164CS; Infineon
 

引言

　　轿车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。其要求是照明性能良好，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。其要求是必须对其它车辆的驾驶员和行人、交通警察给出及时、明确的信号，且在夜间能提供既不眩目又具有一定亮度的照明，对于制动灯，开启的响应时间应尽量短，一般需控制在10ms之内。

　　汽车灯光系统对于保证行车安全具有重要意义。传统汽车以及现代普通汽车的灯光系统一般都采用继电器直接驱动方式，这样的控制方式存在一些固有的不足，主要表现在以下方面：

．功率继电器励磁线圈驱动电流较大，需要消耗较大的功率且接口电路复杂；

．太多的继电器使控制器体积过大、重量增加；

．继电器开关频率相对较低，触点容易抖动，因此很难满足车辆在带电情况下的机械振动，此外触点抖动会影响继电器的寿命，且EMI严重；

．难以有效实现对车灯的过热、过压、短路等保护和系统诊断；

．需配保险丝防止过流，但保险丝一旦动作（熔断），电路将被彻底切断，需手工更换保险丝。

　　汽车电子技术的发展，使得车辆的灯光控制也不再局限于简单的开关控制。智能功率IC的应用以及基于CAN/LIN的分布式设计，不仅大大提高了系统的可靠性，同时使得电子控制更加模块化，系统功能的拓展更加灵活。

英飞凌智能车辆灯光控制模块解决方案

　　英飞凌公司是世界知名的汽车电子半导体元器件供应商，提供功能强大的微控制器，智能的高端功率开关PROFET，以及CAN/LIN的收发器等。我们设计了基于英飞凌16位单片机XC164CS的车辆灯光控制解决方案。在该方案中，利用智能功率IC替代继电器和保险丝实现对所有车灯的控制，并可通过CAN/LIN总线传递控制和故障信息。相比较传统的继电器控制方案，该模块的主要优势和功能体现在以下方面：

　　（1）用智能功率IC替代传统的继电器和保险丝，实现对轿车所有车灯的控制； （2）可通过CAN/LIN总线传递开关控制信息及故障诊断信息；（3）具有蓄电池反接保护，及负载过压、欠压、短路、过温保护，可报告短路、开路故障信息；（4）微控制器采用PWM调制来实施软启动，及对车灯两端的电压进行控制，从而有效限制车灯电流，延长车灯的使用寿命；（5）可实现车灯故障时的自动替换，例如尾灯失灵时可自动用刹车灯来替代；（6）双通道CAN接口，单通道LIN接口，可作为高速CAN网络和低速CAN网络之间的网关，或CAN网络与LIN网络之间的网关；（7）系统具有休眠功能，减少了系统功耗。

　　该模块具有广泛的代表性，用户可以根据实际应用需求进行简化、裁减。灯光控制模块的系统框图如图1所示：

图1 灯光控制模块的系统框图

　　模块中应用的主要汽车级元器件来自英飞凌公司，各器件的主要功能描述如下：

　　车辆灯光控制主要是I/O控制，因此需要使用较多的I/O引脚。为了充分利用软、硬件的资源，使的控制过程更加灵活，功能更加丰富，模块实施的主要控制如下：

（1）PWM 控制软启动

　　对大功率前照灯在开启阶段实施PWM控制，这样可降低车灯开启阶段的电压，从而降低开启阶段的冲击电流，PWM调制可保证灯泡电流始终工作在最佳状态，从而延长灯泡的车灯的使用寿命。

　　PWM 信号的调制利用XC164CS内部自带的定时/计数器GPT2来实现，通过软件配合，可对多个由I/O口控制的车灯在开启阶段实现灵活的PWM控制。其设计思路如图2所示。

　　在图2所示流程图中，我们设定定时器中断周期为0.5ms，PWM周期为10ms，则当占空比为100％时，对应的计数值为20。设定占空比每PWM周期增加10％，这样从0增加到100％需要10个PWM周期，时间为100ms。

图2 PWM软启动流程图

（2）故障诊断功能

　　利用软件开关实现对各个车灯状态反馈的分时诊断，多个车灯共用一个微控制器输入引脚，节约了I/O口。对于采用BTS6143D控制的大功率前照灯，每3个灯共用一个故障诊断输入引脚，对于由BTS724控制的标识灯，每4个灯共用一个故障诊断输入引脚。

　　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BTS724驱动的数字量诊断输出组，另一类是BTS6143D驱动的模拟电流检测诊断输出组。

　　对于数字量输出类型的诊断，可在OFF状态下检测到开路故障。这通过给状态输出加一个外部上拉电阻来实现。单个器件的所有输出都分别通过上拉电阻由一个公共的二极管连接到+5V的电源，可以把待机电流降到最低。

　　对于模拟电流检测诊断输出组，其信号检测引脚的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，可检测开路故障、欠载故障和过载故障。检测信号能反映极低的负载电流到电流的限制值。另外模拟电流检测输出可用于测定所加负载是否正确，而且还能根据用户要求实现对负载电流最大值的控制。

　　在ON状态下诊断：

　　在负载接通的情况下进行开路故障检测和过载故障检测。所有接通的负载周期性地进行检测。

　　在OFF状态下诊断：

　　在负载关断的情况下能进行开路故障检测，所有未被接通的负载周期性地进行开路故障检测。

（3）故障灯的替换

　　在检测到尾灯故障时，报告故障信息并利用刹车灯暂时替代尾灯，同时利用PWM调制降低刹车灯的亮度，从而降低灯丝的发热量保护灯罩。目前我们所设计的灯的替换规律如下：

　　除此之外，微控制器和功率半导体的应用使得故障处理方式更加灵活，用户可根据自己需求实现灵活的故障处理模式，并实现在系统上电时，对所有车灯进行检测，报告状态信息。

总结

　　研究和开发了基于英飞凌XC164CS微控制器及智能功率IC的车辆灯光控制模块，并经过实际测试，实现了对一辆实际轿车中每个车灯的控制，以及对每个车灯的开路、短路故障诊断。在此基础上，该模块可以根据车厂的配置需求进行优化、扩展或裁减，从而可方便的设计出满足用户特定需求的车辆灯光控制模块，满足市场对产品的高性能需求。

参考文献

[1]  何玉军. 国内外汽车电子技术应用现状. 湖南大学学报(自然科学版). 2002.

[2]  User’s manuals of XC164CS, TLE7469GV52, BTS6143D, BTS724, SPD50N03S2L-06, Infineon Technology