|
2011年，隨著比亞迪汽車光環(huán)的幻滅，本土純電動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)曾一度陷入低迷狀態(tài)，飽受爭(zhēng)議。但正像富士通半導(dǎo)體市場(chǎng)部產(chǎn)品經(jīng)理丁潔早最近在深圳一場(chǎng)題為“2012產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望”媒體研討會(huì)上指出的，“盡管最近幾年新能源汽車受到很多挑戰(zhàn)，包括電池技術(shù)瓶頸、汽車成本尚高、基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善等，但實(shí)際上無論從國家政府層面還是汽車廠商，發(fā)展新能源汽車的愿望是沒有變的，而且依然很迫切，因?yàn)槟茉窗踩铜h(huán)境污染問題刻不容緩。” 新能源汽車所面臨的這些挑戰(zhàn)必將推動(dòng)半導(dǎo)體廠商、汽車廠商甚至是商業(yè)運(yùn)營相關(guān)方面（如國家電網(wǎng)、中石油、中石化）通過各種技術(shù)和商業(yè)手段設(shè)法解決，而國家還有地方政府對(duì)于新能源的補(bǔ)貼依舊會(huì)不斷加大。“油價(jià)日益上調(diào)，特別是中東的局勢(shì)，包括敘利亞，伊朗，中東局勢(shì)不穩(wěn)定。可以肯定2012年突破150美元，甚至是200美元也是非常高概率的事件，從而倒逼市場(chǎng)推出純電動(dòng)新能源汽車的替代計(jì)劃。”丁潔早認(rèn)為。 
圖1：富士通半導(dǎo)體市場(chǎng)部產(chǎn)品經(jīng)理丁潔早認(rèn)為能源危機(jī)正倒逼市場(chǎng)推出純電動(dòng)新能源汽車的替代方案。 據(jù)悉，2012年各大汽車廠商都在規(guī)劃更加適合市場(chǎng)需求的入門級(jí)新能源汽車產(chǎn)品，政府將會(huì)和具體運(yùn)營公司一起給充/換電站的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)安排更多的資金配套和給予政策支持。“作為汽車半導(dǎo)體的重要供應(yīng)商，富士通半導(dǎo)體2012年將在新能源汽車市場(chǎng)發(fā)力，包括跟合作伙伴一起合作，使新能源汽車真正從1萬臺(tái)發(fā)展到10萬臺(tái)甚至到50萬臺(tái)，到2016年達(dá)到百萬臺(tái)的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。” 丁潔早表示。丁潔早在本次媒體研討會(huì)上從半導(dǎo)體廠商的角度，重點(diǎn)分享了2012年促進(jìn)新能源汽車快速發(fā)展的市場(chǎng)動(dòng)因和MCU在新能源汽車中的創(chuàng)新應(yīng)用。 “插電混動(dòng)”重返市場(chǎng)熱點(diǎn) 丁潔早首先分析了全球新能源汽車發(fā)展的大致格局。2012年，中國預(yù)計(jì)將會(huì)在新能源汽車的車型數(shù)量和充換電站的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，但是在新一代動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方面還需要更多創(chuàng)新。美國政府的政策則集中在動(dòng)力電池的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，他們的想法是“誰掌握了動(dòng)力電池技術(shù)，誰就占領(lǐng)了電動(dòng)汽車未來”。歐洲方面將會(huì)繼續(xù)把全球優(yōu)秀合作伙伴的技術(shù)整合在一起，推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合開發(fā)，同時(shí)利用發(fā)展中國家的巨大市場(chǎng)潛力和低廉生產(chǎn)成本，來迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。日本將會(huì)繼續(xù)推動(dòng)他們?cè)诨旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)展規(guī)劃，同時(shí)推動(dòng)新能源汽車的全球出口。 他強(qiáng)調(diào)，新能源汽車發(fā)展的成敗關(guān)系到未來中國國家石油安全，中國重點(diǎn)發(fā)展和補(bǔ)貼純電動(dòng)（EV）和插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV），純電動(dòng)汽車將是最終的發(fā)展目標(biāo)，中短期內(nèi)將以插電式混合動(dòng)力車作為重點(diǎn)發(fā)展的過渡車型，插電式混合動(dòng)力汽車，直接由電網(wǎng)充電，電動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿敵觯l(fā)動(dòng)機(jī)為輔，采用大容量電池，可以靠電力行駛較遠(yuǎn)的距離，如果電池耗盡，可以采用發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)行駛，解決現(xiàn)實(shí)問題。插電式混合動(dòng)力汽車已經(jīng)成為趨勢(shì)，比亞迪、中國一汽、吉利汽車、長(zhǎng)城汽車、長(zhǎng)安汽車、江淮汽車等都在大力發(fā)展。 富士通半導(dǎo)體的一站式汽車系統(tǒng)控制方案 無論是傳統(tǒng)汽車和新能源汽車，安全、綠色、舒適的汽車電子系統(tǒng)是共同的訴求，汽車安全性包括零失效、功能安全和自診斷模塊；環(huán)境友好性指通過車載網(wǎng)絡(luò)的使用來減輕車重，從而降低能耗，還包括采用環(huán)保材料和工藝；強(qiáng)大的圖形圖像處理技術(shù)，直觀友好的人機(jī)界面都為駕駛者帶來舒適的駕駛體驗(yàn)。 “以上這些需求將主要具體涉及到汽車電子的四個(gè)方面：車身電子、車身儀表盤、圖像多媒體、底盤電機(jī)控制。而富士通半導(dǎo)體將提供一站式系統(tǒng)控制方案。”丁潔早表示。
圖2：富士通半導(dǎo)體提供一站式系統(tǒng)控制方案。 富士通半導(dǎo)體同樣可為新能源汽車提供一攬子解決方案，基本上涵蓋一輛EV/HEV全部整車的電子系統(tǒng)。從集成內(nèi)部RDC的MB91580系列專用電機(jī)控制32位MCU方案，到采用富士通GDC解決方案的圖形化虛擬顯示儀表；從采用CAN總線的低成本MB96F613設(shè)計(jì)的BMS方案和DC-DC轉(zhuǎn)換器，到多路CAN總線MCU FR81S開發(fā)的整車控制器。而且這些不同檔次的16位和32位MCU，均采用相同的低成本仿真器和一樣的編譯環(huán)境，這對(duì)客戶來說開發(fā)非常方便而且便宜。電機(jī)控制MCU創(chuàng)新提升能源效率 丁潔早特別分享了富士通半導(dǎo)體針對(duì)EV/PHEV的電機(jī)控制MCU方案創(chuàng)新，包括：1.改善電機(jī)運(yùn)行；2.降低能源消耗；3.降低系統(tǒng)成本。MB91580 MCU是全球首款專門面向新能源汽車電機(jī)控制的高性能MCU，集成了關(guān)鍵外設(shè)功能如RDC，可縮短電機(jī)控制時(shí)間，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
圖3：富士通MCU在電機(jī)控制方面的創(chuàng)新。
圖4：MB91580內(nèi)置RDC：系統(tǒng)設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化！ 針對(duì)電動(dòng)汽車和插電混合動(dòng)力汽車，如圖3所示，現(xiàn)有的系統(tǒng)采用雙芯片：MCU+外部RDC（旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器）的方案，CPU要從外部RDC讀取角度值，然后查表，搜索sin和cos值。而富士通半導(dǎo)體的MB91580方案采用單芯片：MCU集成了RDC，CPU可以任何時(shí)候直接從寄存器中讀出絕對(duì)角度值、sin和cos值。這樣就可極大簡(jiǎn)化硬件電路，軟件設(shè)計(jì)工作也得到簡(jiǎn)化。“如果將RDC單獨(dú)放在外面，整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的成本可能占到6、7美元。2013年富士通半導(dǎo)體還將第二代新能源汽車電機(jī)控制MCU產(chǎn)品會(huì)集成兩個(gè)RDC在芯片內(nèi)部，從而達(dá)到進(jìn)一步降低成本的目的。”丁潔早表示。 MB91580 縮短馬達(dá)控制時(shí)間達(dá)40%！ 如下圖5所示，通過高性能CPU縮短電機(jī)的控制時(shí)間之前有三個(gè)做法，需要1-9步的處理流程，比如PIC的計(jì)算等變換的處理。把這些處理全部集成到芯片里，通過硬件電路就可以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在通過MB91580可將流程縮減為一半，5步就可以實(shí)現(xiàn)。這樣有什么好處？之前的處理時(shí)間25微秒，現(xiàn)在處理的時(shí)間可以控制在12微秒，可以縮短馬達(dá)控制時(shí)間達(dá)40%，從而提高電機(jī)運(yùn)行的效率。
圖5：MB91580集成的高性能CPU和內(nèi)設(shè)Rx I/F可縮短馬達(dá)控制時(shí)間40%。 丁潔早介紹說，針對(duì)新能源汽車電機(jī)控制的MB91580系列共包含9個(gè)產(chǎn)品信號(hào)，提供從64管腳到100管腳還有144管腳的多種選擇。開發(fā)這么多款型是為了滿足不同區(qū)域客戶的要求，歐美的客戶可能選擇144個(gè)管腳，中國的客戶就選擇100管腳，有一些印度的客戶也可能選擇100個(gè)管腳，可滿足不同設(shè)計(jì)成本的市場(chǎng)需求。
圖6：MB91580 產(chǎn)品系列（9個(gè)產(chǎn)品，64管腳-144管腳）。 通用處理器在BMS和整車控制中大顯身手新能源汽車整個(gè)控制方案，除了電機(jī)控制，還包括電池管理系統(tǒng)（BMS）、整車控制單元。這些都不需要專門的控制系統(tǒng)，“低成本、高性能”的通用處理器可迎合這樣的市場(chǎng)需求。富士通半導(dǎo)體推出了通用MCU系列新產(chǎn)品。像16位16FXS系列，它是精簡(jiǎn)的版本，可將有些功能精簡(jiǎn)下來，降低成本，符合汽車平臺(tái)化趨勢(shì)。 “客戶不管是選擇簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，還是復(fù)雜的設(shè)計(jì)，我們都有不同的型號(hào)來滿足。16位MCU 如16FXS系列比較適合一些低成本的控制應(yīng)用，像BMS；而32位MCU如FR81S系列就比較適合更復(fù)雜的整車控制應(yīng)用。”丁潔早表示。他闡述道，BMS現(xiàn)在成本很高，因?yàn)殡姵貑卧浅６啵恳粋�(gè)電池單元都要有一個(gè)MCU控制，大概需要幾十個(gè)MCU，如果把MCU成本降低，同時(shí)又不犧牲性能和質(zhì)量，這樣相當(dāng)于把整個(gè)新能源汽車設(shè)計(jì)向前推進(jìn)了一步。 不過。富士通的這些32位和16位通用MCU系列采用的是同一套仿真器和開發(fā)套件，都是采用USB調(diào)試連接。“這就有一個(gè)好處，當(dāng)設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)向高性能的時(shí)候，工具采購的投入，一套就可以完成。富士通的開發(fā)工具成本低于150美元，不到1000元人民幣。一千塊錢就可以搞定16位、32位所有整套工具，這是比較合算的。”丁潔早笑稱。 富士通半導(dǎo)體還開發(fā)了如圖7所示的一系列電動(dòng)車電池管理系統(tǒng)參考方案，客戶針對(duì)量產(chǎn)還需要進(jìn)一步定制化和修改。
圖7.富士通新能源汽車電池管理系統(tǒng)參考方案。
圖8. 新能源汽車各個(gè)控制系統(tǒng)之間的集成創(chuàng)新概念。 如上圖8，對(duì)于新能源汽車應(yīng)用開發(fā)，包括各個(gè)控制系統(tǒng)，富士通還提出一個(gè)概念，叫做系統(tǒng)集成的創(chuàng)新，如通過MB91580 MCU可以通過電機(jī)控制抑制CPU負(fù)載率，因此它可以同時(shí)進(jìn)行BMS電池管理控制和DC-DC控制，這有利于通過系統(tǒng)集成削減整體成本。來源：電子創(chuàng)新網(wǎng) |
|
基于單片機(jī)的智能泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 隨著我國汽車數(shù)量逐年急劇增多，泊車位、停車場(chǎng)的數(shù)量卻跟不上其增長(zhǎng)的步伐，越來越多的人為如何泊車而發(fā)愁。日益擁擠的泊車環(huán)境要求人們對(duì)汽車的泊車技術(shù)更加地嫻熟，這就更加重了人們工作之外的緊張情緒，降低了人們的生活質(zhì)量。因此，如何解決泊車過程中的不便利，消除安全隱患，迅速、準(zhǔn)確、安全地將汽車停靠到合適的位置，逐漸引起了人們的關(guān)注。 1 系統(tǒng)的工作原理及功能 智能泊車系統(tǒng)可分為控制部分和信號(hào)檢測(cè)部分。 其中信號(hào)檢測(cè)部分包括障礙物檢測(cè)模塊，光源檢測(cè)模塊和速度檢測(cè)模塊；控制部分包括控制器模塊，電機(jī)控制模塊。智能泊車系統(tǒng)基本模塊方框圖如圖1所示。
圖1 智能泊車系統(tǒng)基本框圖 系統(tǒng)工作原理如下：在小車啟動(dòng)之后，通過霍爾傳感器A44E進(jìn)行小車的速度檢測(cè)，對(duì)小車進(jìn)行智能限速，小車行進(jìn)過程中通過紅外光電傳感器避障，車庫系統(tǒng)發(fā)送光源指示信號(hào)，光敏三極管接收車庫指示信息，使小車到達(dá)指定車庫后，停車。1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) AT89C52是51系列單片機(jī)的一種，是一個(gè)低功耗，高性能，CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)擦寫的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器和256B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），由ATMEL公司采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元，片內(nèi)有ROM/EPROM，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可。 1.2 避障電路設(shè)計(jì) 紅外光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠、體積小、安裝輕便等諸多特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和智能小車中獲得廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中采用的光電避障傳感器是HS0038B.紅外光電接收電路工作原理為：當(dāng)接收到載波頻率為38kHz的脈沖調(diào)制信號(hào)時(shí)，首先，HS0038B內(nèi)的紅外敏感元件將脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由前置放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理，然后通過帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，最后由輸出電路進(jìn)行反向放大并輸出低電平；未接收到載波信號(hào)時(shí)，電路則輸出高電平。紅外發(fā)射電路由555定時(shí)電路產(chǎn)生方波，對(duì)紅外發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制。 1.3 A44E測(cè)速電路設(shè)計(jì) 霍爾傳感器A44E在測(cè)速系統(tǒng)中的主要作用是車輪轉(zhuǎn)速采集。車輪每轉(zhuǎn)一周，磁鐵經(jīng)過A44E一次，A44E的第3腳就輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有下列關(guān)系：
式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P 為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T 為輸出方波信號(hào)的周期。 脈沖信號(hào)作為單片機(jī)AT89C52的外中斷信號(hào)，從P3.2口輸入。 1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 動(dòng)作執(zhí)行單元為驅(qū)動(dòng)小車左右輪的兩個(gè)減速直流電機(jī)，控制它們的轉(zhuǎn)速，就控制了小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但是由動(dòng)作控制單元發(fā)出的控制信號(hào)非常微弱，無法直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，須匹配設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路，常用的驅(qū)動(dòng)電路為H 橋。在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，由于三極管導(dǎo)通、關(guān)斷的時(shí)間不統(tǒng)一，導(dǎo)致用三極管搭建的H 橋在電機(jī)電流換向的時(shí)候經(jīng)常發(fā)生微短路，使得三極管發(fā)熱現(xiàn)象很嚴(yán)重，整個(gè)電路電源波動(dòng)很大，非常耗電。因此，本設(shè)計(jì)最終采用了集成H 橋L298.除此之外，在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)嚴(yán)重影響傳感器的輸出狀態(tài)，將錯(cuò)誤的路徑信息送給處理器，導(dǎo)致小車經(jīng)常產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作。因此，本設(shè)計(jì)采用了雙電源供電，即傳感器和芯片共用一組電源，電機(jī)專用一組電源，中間信號(hào)的傳輸采用了4N25光耦電路進(jìn)行電氣隔離。 1.5 光源引導(dǎo)電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用光敏三極管作為光源檢測(cè)傳感器，因?yàn)槠涓泄怆妷鹤兓黠@（電壓值變化在60~100mV 左右），價(jià)格便宜。光源引導(dǎo)模塊需要在小車前方安裝3個(gè)光敏三極管，通過車庫發(fā)出的光源信號(hào)來引導(dǎo)小車到指定車庫停車，使用LM324作為光源引導(dǎo)模塊的核心放大器件，將信號(hào)進(jìn)行放大處理。 1.6 停車場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為了更好地完成小車避障、光源引導(dǎo)和入庫過程，停車場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是十分重要的。停車場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。
圖2 停車場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 2 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在Keil C51 集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。軟件主要包括系統(tǒng)主程序、避障子程序、光源引導(dǎo)子程序和測(cè)速限速子程序等。泊車系統(tǒng)整體流程如圖3所示，避障程序流程圖、光源引導(dǎo)程序流程圖分別如圖4，圖5所示。測(cè)速限速電路軟件設(shè)計(jì)思路是將每圈的時(shí)間換算成速度，再與設(shè)定的速度比較，如果所測(cè)速度大于設(shè)定值，則控制電機(jī)減速到設(shè)定值；如果所測(cè)速度小于設(shè)定值，則控制電機(jī)加速到設(shè)定值，完成小車的智能限速。
圖3 智能泊車系統(tǒng)總體流程圖 3 各模塊測(cè)試及連接各模塊連接：小車舵機(jī)左轉(zhuǎn)輸入端接P3.4;小車舵機(jī)右轉(zhuǎn)輸入端接P3.5;小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)輸入端接P3.6;小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)后退輸入端接P3.7;光電避障模塊左傳感器輸出端接P1.0;光電避障模塊右傳感器輸出端接P1.1;光源引導(dǎo)模塊左傳感器輸出端接P1.2;光源引導(dǎo)模塊中間傳感器輸出端接P1.3;光源引導(dǎo)模塊右傳感器輸出端接P1.4。 小車整體測(cè)試：把小車放在停車場(chǎng)入口處，打開小車電源，打開車庫中對(duì)應(yīng)車庫位置的光源電源，小車避開障礙通過停車場(chǎng)下坡區(qū)，到達(dá)指定車庫前面，依靠光源引導(dǎo)入庫，停車。
圖4 避障程序流程圖
圖5 光源引導(dǎo)程序流程圖 4 結(jié) 論本文設(shè)計(jì)的智能泊車系統(tǒng)可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)駛?cè)胫付ㄍ＼囄坏墓δ堋⑿≤囃Ｔ谕＼噲?chǎng)入口處，然后車主可以離開小車，此時(shí)小車就可以根據(jù)停車場(chǎng)內(nèi)的車輛誘導(dǎo)信號(hào)（光源引導(dǎo)信號(hào)）將車引入停車場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車過程。 |
