向 楠,朱 杰,葛勝升

(1.安徽國防科技職業(yè)學(xué)院汽車技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237011；2.合肥威博爾汽車技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230000；3.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241006)

電動(dòng)汽車(純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車等)在純電動(dòng)模式下啟動(dòng)或者以低速行駛時(shí)，平均車外噪聲與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛相比有明顯的降低，道路的其他使用者(包括行人、自行車等，特別是盲人或有視覺障礙的人)不容易察覺到車輛的靠近，從而容易導(dǎo)致交通事故[1].美國國家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA)的一項(xiàng)研究顯示，混合動(dòng)力車(電動(dòng)行駛模式下)或者電動(dòng)汽車引發(fā)行人事故和騎車者事故的可能性分別增加了37%和57%[2].針對(duì)電動(dòng)汽車低速行駛時(shí)安全性較低的問題，NHTSA、日本國土交通省(Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism, MLIT)、聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(United Nations Economic Commission for Europe, UNECE)和世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇(UN/WP29)等近年來做了大量的研究，一致確定在純電動(dòng)行駛模式的電動(dòng)汽車上，須配備能夠在低速行駛時(shí)發(fā)出警示提示音的裝置，以減小交通事故發(fā)生的概率[2].國內(nèi)各汽車制造商在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的投入和產(chǎn)出越來越大，為了避免電動(dòng)汽車在啟動(dòng)或者以低速行駛時(shí)過于安靜而造成事故，有必要制定電動(dòng)汽車低速行駛提示音技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]，設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車低速行駛提醒系統(tǒng)，以提高電動(dòng)汽車在低速行駛狀態(tài)下的可察覺性，增強(qiáng)電動(dòng)汽車的安全性能，有效保護(hù)包括行人在內(nèi)的其他道路使用者的人身安全[3].

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，系統(tǒng)主要包括主控模塊、電源模塊、穩(wěn)壓模塊、CAN總線模塊(TJA1042CAN 模塊)、LPF模塊、功放模塊和存儲(chǔ)模塊(備用)等.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的主要工作流程是：主控模塊接收并分析電動(dòng)車CAN總線的指令，從而獲取檔位、車速、使能信號(hào)和音源選擇等車況信息；主控芯片根據(jù)這些信息找到對(duì)應(yīng)的音源，再根據(jù)檔位、車速、使能信號(hào)和音源選擇信號(hào)選擇對(duì)應(yīng)的輸出音源輸出PWM信號(hào)；LPF模塊處理主控模塊產(chǎn)生的PWM信號(hào)，將調(diào)制后的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并消除信號(hào)中的高頻成分后進(jìn)入功放模塊，發(fā)出警示提示音[4-5].

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊主要選用飛思卡爾汽車級(jí)別的芯片MKE06Z64，芯片及其外圍電路如圖2所示.MKE06Z64是ARM Cortex-M級(jí)的32位的控制芯片，高達(dá)48 MHz ARM Cortex M0+內(nèi)核，1.77CoreMark，來自單周期訪問存儲(chǔ)器，內(nèi)置高達(dá)128 kB閃存，256BE2PROM.它包含系統(tǒng)集成模塊，模塊內(nèi)含外部振蕩器(OSC)、內(nèi)部時(shí)鐘源(ICS)和位操作引擎，外設(shè)聯(lián)結(jié)器、帶獨(dú)立時(shí)鐘源的看門狗(WDOG).芯片電源管理模塊(PMC)有3種模式，即運(yùn)行、等待和停止.帶復(fù)位或中斷功能的低電壓檢測(LVD)，可選擇跳變點(diǎn)，用于誤差檢測循環(huán)冗余(CRC)模塊等安全性措施、串行電路調(diào)試接口(SWD)、SRAM位帶別名區(qū)(BITBAND)和位操作引擎(BME).MKE06Z64具備良好的通信和人機(jī)界面，內(nèi)含2個(gè)SPI模塊、3個(gè)UART模塊、2個(gè)I2C模塊和1個(gè)CAN總線模塊[6].在功耗方面，M0+內(nèi)核和多種低功耗模式可以顯著降低系統(tǒng)的功耗[6].因在設(shè)計(jì)芯片時(shí)考慮了EMC/EMD，故它具有很強(qiáng)的抗干擾性.

圖2 芯片及其外圍電路原理圖

選擇MKE06Z64芯片的原因：(1)從成本角度出發(fā)，這是一款性價(jià)比較高的汽車級(jí)MCU，存儲(chǔ)空間相對(duì)本系統(tǒng)基本夠用，不需要再單獨(dú)使用存儲(chǔ)模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的存儲(chǔ)模塊可作為備用模塊；(2)從性能角度出發(fā)，芯片抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，在發(fā)出提示音時(shí)無誤差且不失真，滿足系統(tǒng)要求.

2.2 電源模塊與穩(wěn)壓模塊

電源模塊包括主電源單元和喚醒單元，其電路連接如圖3所示.主電源單元作為常電給裝置，在其他電路板中低功耗供電，電動(dòng)汽車的KL30信號(hào)線接通則裝置通電；喚醒單元接通電動(dòng)汽車的KL15信號(hào)引線后，發(fā)送信號(hào)至主控模塊，喚醒電動(dòng)汽車低速行駛提示裝置(剛接通引線即喚醒低速行駛裝置啟動(dòng)).

主電源單元主要由雙向穩(wěn)壓二極管D201、二極管D202、電容C201～C212、電感L201、電阻、穩(wěn)壓二極管D209、場效應(yīng)管Q201和保險(xiǎn)絲F201等元件組成.電路采用2組電容并聯(lián)網(wǎng)C204～C206和C208～C211.常用的電路只需要連接1組電容并聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)電路采用2組電容并聯(lián)網(wǎng)單元的原因是，一方面可以起到良好的濾波作用，另一方面可以減小電路的容抗.電容值大的單元用來濾波，小的單元用來消除大的單元在高頻時(shí)產(chǎn)生的感性特性.三極管Q202、電阻R204、電容C216和三極管Q203、電阻R205、電容C217連接成差分對(duì)稱電路，RC濾波電路也對(duì)稱濾波，這樣的連接方式使得整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，從而喚醒速度也快.

圖3 電源模塊(含主電源和喚醒單元)電路原理圖

目前，現(xiàn)有的穩(wěn)壓電路常采用壓敏電阻實(shí)現(xiàn)，但是其寄生電容較大，響應(yīng)速度較慢，離散性大，不符合系統(tǒng)要求.系統(tǒng)的穩(wěn)壓模塊采用寬電壓輸入、降壓型電源管理單片集成電路的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596，它通過KL30汽車電源供電信號(hào)線連接供電.LM2596是德州儀器(Texas Instruments)生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(150 kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23 V)，具備40 V的寬電壓輸入、80uA的低功耗特性，并有完善的保護(hù)電路、電流限制電路、熱關(guān)斷電路等.LM2596可以提供3，5，12 V及可調(diào)(-ADJ)等多個(gè)電壓檔次產(chǎn)品，具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性.LM2596的電路連接如圖4所示.

圖4 LM2596電路原理圖

選擇此款穩(wěn)壓模塊的主要原因是：(1)它的價(jià)格雖然比常用的LM其他系列的稍高，但是其功能和穩(wěn)定性卻比其他系列的要優(yōu)越得多；(2)開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器既支持定壓輸出，也支持可調(diào)輸出，操作靈活，在系統(tǒng)升級(jí)及改裝上有一定的積極作用.

由圖4可見：電容C223～C226組成濾波網(wǎng)，通過電感L202連接穩(wěn)壓模塊LM2596的第2引腳(輸出端)；電容C222并聯(lián)在電阻R208兩端，R208的一端接模塊LM2596的第4引腳(反饋端)，專門接收反饋信號(hào)；電路輸出量再通過C222和R208組成的RC電路經(jīng)濾波后送入反饋端.這樣的設(shè)計(jì)可以保證信號(hào)的純粹，增強(qiáng)抗干擾能力，從而提高電路的響應(yīng)速度，同時(shí)也提高系統(tǒng)的敏感性.

2.3 CAN總線模塊

CAN總線模塊包括芯片TJA1042T/3、電容C301～C303、電阻R301～R303、雙向穩(wěn)壓二極管D301和雙向穩(wěn)壓二極管D302.芯片U301的第3引腳接電源VCC(5 V)，雙向穩(wěn)壓二極管D301的一端與電動(dòng)汽車CAN總線的CANH引線連接，雙向穩(wěn)壓二極管D302的一端與電動(dòng)汽車CAN總線的CANL引線連接.

TJA1042模塊是一款高速、低功耗的CAN收發(fā)器，傳送速率可達(dá)1 Mbit/s.相對(duì)以前的版本，TJA1042改進(jìn)了EMC和ESD性能，收發(fā)器在斷電或處于低功耗模式時(shí)，在總線上不可見，待機(jī)模式可以通過總線喚醒.TJA1042模塊是CAN控制器和物理總線之間的接口，使得CAN控制器具備差動(dòng)發(fā)送和接收功能.它采用SO8封裝，完全符合ISO11898-2，適用于12 V系統(tǒng)，也可直接與3～5 V的微控制器接口連接，其電路原理連接如圖5所示.雖然傳統(tǒng)的穩(wěn)壓管和電阻的組合電路也可以滿足系統(tǒng)要求，但是為了減少汽車總線電路中的浪涌，系統(tǒng)選用雙向穩(wěn)壓二極管D301和D302與電阻組合連接，這樣可以提高電路的響應(yīng)速度.

圖5 TJA1042模塊電路原理圖

2.4 LPF模塊與功放模塊

LPF模塊是一個(gè)低通濾波器，專門處理主控模塊產(chǎn)生的PWM信號(hào).LPF將經(jīng)過調(diào)制的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并消除信號(hào)中大部分的高頻成分，剩下直流部分，然后送入功放模塊，發(fā)出理想的警示提示音.LPF模塊主要由電阻(R401～R403)和電容(C401～C403)組成的RC濾波網(wǎng)進(jìn)行濾波.

功放模塊主要由電容、電阻、音頻功放IC芯片和喇叭等組成.IC芯片8002A是專為大功率、高保真的應(yīng)用場合所設(shè)計(jì)的音頻功放芯片，供電電壓為5 V，失真度不超過10%.芯片8002A的第6引腳接電源VCC(5 V)，第7引腳接地，第8引腳接喇叭的正端，第5引腳接喇叭的負(fù)端，提示音通過功放輸出.

LPF模塊和功放模塊的電路連接如圖6所示.

圖6 LPF模塊和功放模塊電路原理圖

2.5 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊選用W25Q64FV作為主芯片.W25Q64是華邦公司推出的大容量SPI FLASH產(chǎn)品，其容量為64 MB.該25Q系列的器件在靈活性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的串行閃存器件.W25Q64將8 MB的容量分為128個(gè)塊，每個(gè)塊大小為64 kB，每個(gè)塊又分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)4 kB.W25Q64的擦寫周期多達(dá)10萬次，實(shí)用性比較高.它不僅支持標(biāo)準(zhǔn)的SPI，還支持雙輸出/四輸出的SPI，最大SPI時(shí)鐘可達(dá)80 MHz.

存儲(chǔ)模塊主要包括電阻R410、芯片U402、電阻R411和電阻R412.芯片U402的第2引腳接主控模塊的第54引腳，芯片U402的第3引腳接電源VCC_3V3，芯片U402的第4引腳接地.存儲(chǔ)模塊是備用存儲(chǔ)單元，能存儲(chǔ)多種提示音，客戶可以根據(jù)喜好來選取提示音樣式.這里需特別說明的是，系統(tǒng)需要的存儲(chǔ)空間并不是很大，如果對(duì)于聲音沒有特殊要求，主控模塊的內(nèi)部存儲(chǔ)空間是基本足夠的，可以不用存儲(chǔ)模塊.存儲(chǔ)模塊的電路連接如圖7所示.

圖7 存儲(chǔ)模塊電路原理圖

3 結(jié)語

雖然目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)電動(dòng)車警示系統(tǒng)，但是現(xiàn)有系統(tǒng)基本沒有設(shè)置喚醒單元，電路響應(yīng)比較慢，不能及時(shí)提醒或者出現(xiàn)錯(cuò)誤提示.為了解決這個(gè)問題，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)境自適應(yīng)的電動(dòng)汽車低速行駛警示系統(tǒng)，主要包含主控模塊、電源模塊、穩(wěn)壓模塊、CAN總線模塊、LPF模塊、功放模塊和存儲(chǔ)模塊(備用)等.系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是，加入了電源模塊的喚醒單元電路，當(dāng)連接電動(dòng)汽車的KL15信號(hào)引線時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)至主控模塊，及時(shí)喚醒電動(dòng)汽車低速行駛提示裝置.剛接通引線即喚醒低速行駛裝置啟動(dòng)，速度對(duì)比傳統(tǒng)電路要快得多，從而在啟動(dòng)或者低速行駛的過程中提示行人注意，避免發(fā)生交通事故.當(dāng)然，系統(tǒng)仍有需要改進(jìn)之處，如LPF模塊濾波的濾波性能、提示音的選擇等.