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前言 隨著(zhù)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們對汽車(chē)的需求正日益加強，與之相應，汽車(chē)的消費群體也變得越來(lái)越成熟，主要表現在消費者除了關(guān)注汽車(chē)的外型外還越來(lái)越重視汽車(chē)的內在品質(zhì)，其中，汽車(chē)的安全特性逐漸成為用戶(hù)考慮的首要選購條件。由此，作為主要的安全系統之一的汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(ABS)正引起越來(lái)越多的關(guān)注。下表(表1)是世界著(zhù)名咨詢(xún)公司Strategy Analytics對中國ABS市場(chǎng)的預測，從中我們可以明顯地看出這種不斷增長(cháng)的趨勢，預計在2006-2015年期間中國的ABS市場(chǎng)的年復合增長(cháng)率將達到9.0%。 這種不斷增長(cháng)的需求也促使眾多的企業(yè)和科研單位加大了對ABS的研發(fā)和生產(chǎn)的投入，從而催生了許多新的ABS系統生產(chǎn)企業(yè)。這種現象在中國、韓國和印度表現得尤為明顯。但這些企業(yè)生產(chǎn)ABS產(chǎn)品的歷史都不長(cháng)，所以一個(gè)成熟而可靠的方案對他們來(lái)說(shuō)尤為重要。下面將簡(jiǎn)單介紹一下ABS系統的一般結構和特性。 ABS簡(jiǎn)介 ABS主要通過(guò)監測汽車(chē)制動(dòng)時(shí)各車(chē)輪的速度變化來(lái)判斷汽車(chē)的所處的路面狀況和即將發(fā)生的運動(dòng)狀態(tài)并根據預先設定的算法令車(chē)輪做出調整動(dòng)作以避免被抱死。 如圖1所示，通常一個(gè)帶ABS功能的制動(dòng)系統由以下部件組成：制動(dòng)主缸、比例分配閥、制動(dòng)壓力調節裝置、制動(dòng)輪缸、輪速傳感器、ABS主控單元、ABS警報燈和剎車(chē)指示燈。 在這個(gè)系統中，與ABS相關(guān)的部件主要是：輪速傳感器、ABS主控單元、制動(dòng)壓力調節裝置和ABS警報燈。其中輪速傳感器主要用于測量車(chē)輪的轉速，并將其信號經(jīng)過(guò)初步處理后輸入到ABS主控單元中去。在主控單元中一般含有一到兩個(gè)微控制器，在A(yíng)BS作用時(shí)，它們接收來(lái)自傳感器的信息，解析出輪速，在此基礎上計算出輪加速度、參考車(chē)速和滑移率等參數，并根據設定的算法推算出汽車(chē)所應采取的相應動(dòng)作，然后向同樣位于主控單元上的執行器件發(fā)出相應的指令。制動(dòng)壓力調節裝置則接收此執行器件的發(fā)出的指令調節各車(chē)輪上的制動(dòng)壓力，以使車(chē)輪處于附著(zhù)系數最大狀態(tài)并防止車(chē)輪被抱死而出現純滑動(dòng)摩擦。在此過(guò)程中，輪速傳感器是信號輸入裝置，而主要的控制部分是由ABS主控單元完成的。因此ABS主控單元必須符合下列要求： (1)具有高速處理傳感器信號的能力 由于一些比較低端的傳感器只有信號傳輸能力而本身沒(méi)有計算能力，所以傳感器的信號處理工作往往由主控單元來(lái)完成。在車(chē)輛速度較高的情況下，從傳感器端輸入信號的速度也會(huì )提高，而且一般的系統需要同時(shí)處理至少四個(gè)輪速信號。為了及時(shí)處理這些信號信息，主控單元必須有較強的信號處理能力。 (2)高速計算的能力 ABS的主控單元肩負著(zhù)執行預定算法的能力。它需要根據車(chē)輪的速度信息計算出汽車(chē)的各種狀態(tài)信息，如車(chē)速、車(chē)加速度、滑移率等等，并根據此信息搜尋算法中的與之相符的狀態(tài)，然后根據此狀態(tài)預設的算法計算出應采取的各種動(dòng)作和參數。這一切都需要在極短的時(shí)間內完成，所以要求主控單元有較強的計算能力。通常會(huì )在此單元上采用至少一顆16位微控制器。 (3)快速有效執行的能力 ABS必須在車(chē)輛高速的狀態(tài)下也能起到相應的作用，也就是要不斷完成加壓、保壓、減壓這個(gè)過(guò)程以控制車(chē)輛的行駛狀態(tài)，所以執行器件也必須快速有效。 (4)處理大電流的能力 由于A(yíng)BS要控制多達八個(gè)閥門(mén)的運動(dòng)，整個(gè)系統的峰值電流會(huì )達到一個(gè)較高的值，所以主控單元必須要有處理大電流的能力，比如器件要能通過(guò)較大的容量，器件和系統要有較強的散熱能力。 (5)與其它系統通訊的能力 ABS的輪速信息經(jīng)常要被其他系統所利用，所以ABS和其他系統之間經(jīng)常需要交換信息。另外，當ABS被擴展成牽引力控制系統(TCS)或者電子穩定系統(有ESC/ESP/VSC/DSC等不同名稱(chēng)，下文中將采用ESC這一名稱(chēng))時(shí)，需要對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行控制，所以需要與發(fā)動(dòng)機管理系統(EMS)間的通訊。因此，ABS主控單元應該包括CAN或LIN接口。 (6)系統診斷監控和失效保護性能 ABS是汽車(chē)最重要的安全系統之一，它的性能往往關(guān)系著(zhù)車(chē)內乘員的生命安全。所以它必須能對自身進(jìn)行診斷和監控，即使在失效時(shí)也能提供緊急的替代和保護措施，以保證車(chē)輛不會(huì )失控。 上面已經(jīng)提及，ABS是車(chē)輛制動(dòng)系統智能化的基本形式，如在此基礎上增加一些額外的設備和功能，它可以擴展成其他的系統，在此將簡(jiǎn)單介紹一下汽車(chē)電子穩定系統(ESC)。與ABS只在制動(dòng)時(shí)起作用不同，ESC可以實(shí)時(shí)地監控車(chē)輛的行駛狀態(tài)并在車(chē)輛出現失控可能之前通過(guò)調節相應車(chē)輪上的制動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機的牽引力來(lái)及時(shí)糾正行車(chē)狀態(tài)，做到防范于未然。所以ESC系統需要更多的傳感器，除了輪速傳感器外通常還包括橫擺角傳感器、橫向加速度傳感器和方向盤(pán)轉角傳感器。另外，ESC還需要增加4個(gè)閥門(mén)以控制相同回路中液壓液的流向。由于ESC系統要實(shí)時(shí)處理復雜的行車(chē)狀況，它的軟件系統也更加龐大和復雜，這就要求它要有更快信號處理和計算能力，以及更快的響應速度。 針對ABS/ESC的這些要求，作為一個(gè)能提供完整產(chǎn)品鏈的芯片供應商，英飛凌公司結合了與世界各主要ABS/ESC供應商幾十年合作開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗推出了自己的參考解決方案。在下面的章節中，我們將對此進(jìn)行詳細的介紹。 英飛凌ABS/ESC解決方案 英飛凌在與世界主要ABS/ESC供應商的合作過(guò)程中不斷總結經(jīng)驗，并結合自己全面的產(chǎn)品線(xiàn)，開(kāi)發(fā)出了獨具特色的ABS/ESC參考方案供客戶(hù)在此基礎上開(kāi)發(fā)自己的方案。經(jīng)過(guò)日積月累地改進(jìn)這個(gè)方案目前的版本如下圖所示(圖2)。這個(gè)方案圖中包括了ABS和ESC兩種方案。整個(gè)圖描述的是一個(gè)ESC系統，如果去掉方向盤(pán)轉角傳感器、橫擺角傳感器和加速度傳感器組以及右下角用來(lái)控制四個(gè)額外電磁閥線(xiàn)圈的芯片，剩下的器件組成的就是一個(gè)ABS系統。 在這個(gè)方案中，英飛凌公司采用了最先進(jìn)的XC2000系列產(chǎn)品作為主微控制器。XC2000是英飛凌基于130nm技術(shù)制造的16位微控制器系列并具有執行某些32位指令的能力。它采用了英飛凌成熟的C166S-V2架構并進(jìn)行了改善，最高的時(shí)鐘頻率達到80MHz。該架構采用了多路數據總線(xiàn)技術(shù)(multiple data buses)，大部分指令都能在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成，也支持DSP技術(shù)。它具有16級中斷和8個(gè)外設通道并具有極短的響應時(shí)間。XC2000系列采用了多閃存模塊(Multiple FLASH modules)可以并行讀取程序代碼和數據。它還具有3.0V"5.5V這樣較寬的電源供應范圍并實(shí)現了單電壓供電。XC2000系列支持1-6個(gè)CAN總線(xiàn)接口，通過(guò)外置或內置的FlexRay總線(xiàn)接口它可以實(shí)現與FlexRay總線(xiàn)的通訊。它有64/100/144/176數種引腳數并實(shí)現了引腳兼容，采用了綠色(無(wú)鉛)小外形四方扁平(LQFP)封裝，并且由于采用了增強型節能技術(shù)，其待機模式下的電流僅為約30μA，從而在體積和功耗上都達到了業(yè)界的領(lǐng)先水平。為了增強數據的安全性和運算的可靠性，XC2000系列采用了多項數據處理技術(shù)，如硬件ECC(Error Correction Code，包括ECC Flash和SRAM ECC技術(shù))、Built in self test (BIST)和self repair(BISR)技術(shù)等等。此外，XC2000系列還使用了64位加密技術(shù)防止數據的泄漏。XC2000系列產(chǎn)品分成三個(gè)字系列，其中XC2300系列是專(zhuān)門(mén)針對安全應用開(kāi)發(fā)的，具有極強的可靠性和穩定性。在這個(gè)方案中應用的XC2364微控制器具有最高80MHz的時(shí)鐘頻率、576kB閃存和50kB隨機存儲器(RAM)，還具有16個(gè)AD轉換口，2個(gè)CAN接口和2個(gè)串行接口。這些性能保證了它能勝任比較繁重的信號處理和計算任務(wù)從而保證ABS/ESC系統的正常功能。 除了這顆主微控制器外，這個(gè)方案還使用了一顆英飛凌的8位微控制器XC866作為備份微控制器。這是一顆具有8051內核的微控制器，除了在平時(shí)協(xié)助做一些信號處理和狀態(tài)檢測外，它最主要的作用就是在主微控制器失效的情況下作為備份微控制器，提供給車(chē)輛最基本的系統功能，以防止車(chē)輛進(jìn)入失控狀態(tài)而引起危險。 在此方案中作為電源芯片的是一顆低壓差固定電壓輸出穩壓器TLE4271-2G。這是TLE4271的改進(jìn)版，具有過(guò)溫、過(guò)壓、反接、短路等一系列保護，最高可承受持續400ms的65V電壓，并自帶watchdog監控與它相連的微控制器。該芯片性能穩定，可用于12V和24V兩種電壓，在正常工作狀態(tài)下的輸出電壓的精度可達±2%并采用了對環(huán)境友好的綠色封裝。 為了配合ABS中逐漸增長(cháng)的有源傳感器的使用要求，此方案使用了電壓跟隨器TLE4250-2G作為傳感器的電源。它具有較低的成本，能有效防止傳感器短路對微控制器產(chǎn)生沖擊。該芯片采用很小的SMD封裝。具有較寬的輸入電壓范圍，能輸出最大50mA的電流，并對過(guò)溫、反接、短路等作了保護。 在負載端，此方案采用了BTS6143D作為所有負載線(xiàn)圈的總開(kāi)關(guān)，并作為高邊開(kāi)關(guān)對系統進(jìn)行保護。這是一個(gè)全保護集成型的芯片，標稱(chēng)電流值達到10A，且帶有電流監測功能，能運用于所有的阻性、感性和電容性負載，并適用于12V和24V電壓。作為低邊開(kāi)關(guān)的是TLE6216GP。它是一個(gè)專(zhuān)為ABS/ESC系統設計的四通道電磁閥線(xiàn)圈驅動(dòng)芯片，具有全面的診斷功能，每個(gè)通道都能進(jìn)行獨立的安全診斷。作為電磁閥線(xiàn)圈的控制開(kāi)關(guān)，TLE6212GP具有快速響應的特點(diǎn)，其響應時(shí)間為微秒級，提升了系統的性能。 為了滿(mǎn)足系統間通訊的需求，此方案中采用了CAN收發(fā)器TLE6250(或TLE6251)和LIN收發(fā)器TLE6258-2G。其中，TLE6250除了具有作為CAN收發(fā)器一般的功能外，更具有行業(yè)領(lǐng)先的靜電保護和抗電磁干擾性。TLE6251還有全面的失效分析檢測功能和極低的休眠功耗。TLE6258-2G兼容1.2，1.3和2.0 LIN規范，且也具有極低的休眠功耗。 從整個(gè)系統的角度看，此方案所采用的芯片都是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應用而設計的，具有至少?40℃"125℃的應用溫度范圍，并有很強的靜電保護和抗電磁干擾性能。此外，這些芯片大多采用無(wú)鉛材料制造，是對環(huán)境友好的綠色芯片。 目前ABS/ESC系統正經(jīng)歷著(zhù)快速發(fā)展階段，比如輪速傳感器正從被動(dòng)式傳感器向主動(dòng)式傳感器轉換，使用功能更強大的微控制器，在系統中加入備份微控制器等等。從性能上說(shuō)，上述的方案完全滿(mǎn)足了ABS/ESC對主控單元的要求。但是，隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，對汽車(chē)的可靠性和輕量化的要求也在不斷地提高。此外，幾乎所有的廠(chǎng)商都面臨著(zhù)削減成本的壓力。上述方案由于采用全分立式器件設計，所以器件的數目較多，從整個(gè)系統來(lái)看成本較高且主控單元有存在故障的可能性。另外，整個(gè)主控單元的體積可能較大。 基于集成型L-Chip的英飛凌ABS/ESC解決方案 增強主控單元的可靠性、縮小它的體積和降低成本的一個(gè)有效手段就是減少所用芯片的數目，所以采用集成度更高的芯片成了一個(gè)必然選擇。英飛凌的一塊ABS/ESC專(zhuān)用的高集成度芯片已完成開(kāi)發(fā)并將投入市場(chǎng)。這塊芯片被命名為T(mén)LE6212，下圖(圖3)是基于這塊芯片的英飛凌公司新的ABS/ESC參考方案的功能圖。由于該芯片在這樣的功能圖中的形狀，這樣的高集成度芯片叫做L-Chip。 如圖所示，TLE6212集成了電源、Watchdog和安全監測邏輯電路、推動(dòng)油泵用的MOSFET的驅動(dòng)、作為高邊開(kāi)關(guān)的MOSFET的驅動(dòng)、主動(dòng)和被動(dòng)式輪速傳感器接口、K線(xiàn)收發(fā)器和兩個(gè)小電流低邊開(kāi)關(guān)。它采用了64管腳的PGLQFP64-4封裝，在保證散熱的基礎上實(shí)現了小巧的外形。由此，整個(gè)ABS/ESC主控單元所用的器件數將大為減少，PCB板的體積也得以減少。從成本的角度考慮，這一集成芯片的價(jià)格也將低于它所替代的分立器件的總和。 結束語(yǔ) 作為汽車(chē)安全系統的重要應用，ABS/ESC正被裝置到越來(lái)越多的汽車(chē)上，一個(gè)可靠而有競爭力的方案不僅關(guān)乎汽車(chē)使用者的生命安全，而且能推動(dòng)市場(chǎng)的快速成長(cháng)。本文介紹的基于英飛凌產(chǎn)品的ABS/ESC技術(shù)方案具有功能全面、可靠高的優(yōu)點(diǎn)，可以幫助汽車(chē)系統供應商縮短研發(fā)進(jìn)程，減少研發(fā)成本，以較快的速度推出產(chǎn)品切入市場(chǎng)。 |
