基于英飛凌產(chǎn)品的汽車ABS解決方案

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車的需求正日益加強(qiáng)，與之相應(yīng)，汽車的消費(fèi)群體也變得越來(lái)越成熟，主要表現(xiàn)在消費(fèi)者除了關(guān)注汽車的外型外還越來(lái)越重視汽車的內(nèi)在品質(zhì)，其中，汽車的安全特性逐漸成為用戶考慮的首要選購(gòu)條件。由此，作為主要的安全系統(tǒng)之一的汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)正引起越來(lái)越多的關(guān)注。下表(表1)是世界著名咨詢公司Strategy Analytics對(duì)中國(guó)ABS市場(chǎng)的預(yù)測(cè)，從中我們可以明顯地看出這種不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)在2006-2015年期間中國(guó)的ABS市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到9.0%。

這種不斷增長(zhǎng)的需求也促使眾多的企業(yè)和科研單位加大了對(duì)ABS的研發(fā)和生產(chǎn)的投入，從而催生了許多新的ABS系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)。這種現(xiàn)象在中國(guó)、韓國(guó)和印度表現(xiàn)得尤為明顯。但這些企業(yè)生產(chǎn)ABS產(chǎn)品的歷史都不長(zhǎng)，所以一個(gè)成熟而可靠的方案對(duì)他們來(lái)說(shuō)尤為重要。下面將簡(jiǎn)單介紹一下ABS系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)和特性。

ABS簡(jiǎn)介

ABS主要通過(guò)監(jiān)測(cè)汽車制動(dòng)時(shí)各車輪的速度變化來(lái)判斷汽車的所處的路面狀況和即將發(fā)生的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法令車輪做出調(diào)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(tǒng)由以下部件組成：制動(dòng)主缸、比例分配閥、制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置、制動(dòng)輪缸、輪速傳感器、ABS主控單元、ABS警報(bào)燈和剎車指示燈。

在這個(gè)系統(tǒng)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(diào)節(jié)裝置和ABS警報(bào)燈。其中輪速傳感器主要用于測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速，并將其信號(hào)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ABS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(chǔ)上計(jì)算出輪加速度、參考車速和滑移率等參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定的算法推算出汽車所應(yīng)采取的相應(yīng)動(dòng)作，然后向同樣位于主控單元上的執(zhí)行器件發(fā)出相應(yīng)的指令。制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置則接收此執(zhí)行器件的發(fā)出的指令調(diào)節(jié)各車輪上的制動(dòng)壓力，以使車輪處于附著系數(shù)最大狀態(tài)并防止車輪被抱死而出現(xiàn)純滑動(dòng)摩擦。在此過(guò)程中，輪速傳感器是信號(hào)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(hào)的能力

由于一些比較低端的傳感器只有信號(hào)傳輸能力而本身沒(méi)有計(jì)算能力，所以傳感器的信號(hào)處理工作往往由主控單元來(lái)完成。在車輛速度較高的情況下，從傳感器端輸入信號(hào)的速度也會(huì)提高，而且一般的系統(tǒng)需要同時(shí)處理至少四個(gè)輪速信號(hào)。為了及時(shí)處理這些信號(hào)信息，主控單元必須有較強(qiáng)的信號(hào)處理能力。

(2)高速計(jì)算的能力

ABS的主控單元肩負(fù)著執(zhí)行預(yù)定算法的能力。它需要根據(jù)車輪的速度信息計(jì)算出汽車的各種狀態(tài)信息，如車速、車加速度、滑移率等等，并根據(jù)此信息搜尋算法中的與之相符的狀態(tài)，然后根據(jù)此狀態(tài)預(yù)設(shè)的算法計(jì)算出應(yīng)采取的各種動(dòng)作和參數(shù)。這一切都需要在極短的時(shí)間內(nèi)完成，所以要求主控單元有較強(qiáng)的計(jì)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(zhí)行的能力

ABS必須在車輛高速的狀態(tài)下也能起到相應(yīng)的作用，也就是要不斷完成加壓、保壓、減壓這個(gè)過(guò)程以控制車輛的行駛狀態(tài)，所以執(zhí)行器件也必須快速有效。

(4)處理大電流的能力

由于ABS要控制多達(dá)八個(gè)閥門的運(yùn)動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)的峰值電流會(huì)達(dá)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(tǒng)要有較強(qiáng)的散熱能力。

(5)與其它系統(tǒng)通訊的能力

ABS的輪速信息經(jīng)常要被其他系統(tǒng)所利用，所以ABS和其他系統(tǒng)之間經(jīng)常需要交換信息。另外，當(dāng)ABS被擴(kuò)展成牽引力控制系統(tǒng)(TCS)或者電子穩(wěn)定系統(tǒng)(有ESC/ESP/VSC/DSC等不同名稱，下文中將采用ESC這一名稱)時(shí)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，所以需要與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)間的通訊。因此，ABS主控單元應(yīng)該包括CAN或LIN接口。

(6)系統(tǒng)診斷監(jiān)控和失效保護(hù)性能

ABS是汽車最重要的安全系統(tǒng)之一，它的性能往往關(guān)系著車內(nèi)乘員的生命安全。所以它必須能對(duì)自身進(jìn)行診斷和監(jiān)控，即使在失效時(shí)也能提供緊急的替代和保護(hù)措施，以保證車輛不會(huì)失控。

上面已經(jīng)提及，ABS是車輛制動(dòng)系統(tǒng)智能化的基本形式，如在此基礎(chǔ)上增加一些額外的設(shè)備和功能，它可以擴(kuò)展成其他的系統(tǒng)，在此將簡(jiǎn)單介紹一下汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESC)。與ABS只在制動(dòng)時(shí)起作用不同，ESC可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控車輛的行駛狀態(tài)并在車輛出現(xiàn)失控可能之前通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)車輪上的制動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)的牽引力來(lái)及時(shí)糾正行車狀態(tài)，做到防范于未然。所以ESC系統(tǒng)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轉(zhuǎn)角傳感器。另外，ESC還需要增加4個(gè)閥門以控制相同回路中液壓液的流向。由于ESC系統(tǒng)要實(shí)時(shí)處理復(fù)雜的行車狀況，它的軟件系統(tǒng)也更加龐大和復(fù)雜，這就要求它要有更快信號(hào)處理和計(jì)算能力，以及更快的響應(yīng)速度。

針對(duì)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(yīng)商，英飛凌公司結(jié)合了與世界各主要ABS/ESC供應(yīng)商幾十年合作開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)推出了自己的參考解決方案。在下面的章節(jié)中，我們將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
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英飛凌ABS/ESC解決方案

英飛凌在與世界主要ABS/ESC供應(yīng)商的合作過(guò)程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合自己全面的產(chǎn)品線，開(kāi)發(fā)出了獨(dú)具特色的ABS/ESC參考方案供客戶在此基礎(chǔ)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(tǒng)，如果去掉方向盤轉(zhuǎn)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)額外電磁閥線圈的芯片，剩下的器件組成的就是一個(gè)ABS系統(tǒng)。

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(zhí)行某些32位指令的能力。它采用了英飛凌成熟的C166S-V2架構(gòu)并進(jìn)行了改善，最高的時(shí)鐘頻率達(dá)到80MHz。該架構(gòu)采用了多路數(shù)據(jù)總線技術(shù)(multiple data buses)，大部分指令都能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，也支持DSP技術(shù)。它具有16級(jí)中斷和8個(gè)外設(shè)通道并具有極短的響應(yīng)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(shù)據(jù)。它還具有3.0V~5.5V這樣較寬的電源供應(yīng)范圍并實(shí)現(xiàn)了單電壓供電。XC2000系列支持1-6個(gè)CAN總線接口，通過(guò)外置或內(nèi)置的FlexRay總線接口它可以實(shí)現(xiàn)與FlexRay總線的通訊。它有64/100/144/176數(shù)種引腳數(shù)并實(shí)現(xiàn)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(qiáng)型節(jié)能技術(shù)，其待機(jī)模式下的電流僅為約30μA，從而在體積和功耗上都達(dá)到了業(yè)界的領(lǐng)先水平。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性和運(yùn)算的可靠性，XC2000系列采用了多項(xiàng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的泄漏。XC2000系列產(chǎn)品分成三個(gè)字系列，其中XC2300系列是專門針對(duì)安全應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，具有極強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性。在這個(gè)方案中應(yīng)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(jī)存儲(chǔ)器(RAM)，還具有16個(gè)AD轉(zhuǎn)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(hào)處理和計(jì)算任務(wù)從而保證ABS/ESC系統(tǒng)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(nèi)核的微控制器，除了在平時(shí)協(xié)助做一些信號(hào)處理和狀態(tài)檢測(cè)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，提供給車輛最基本的系統(tǒng)功能，以防止車輛進(jìn)入失控狀態(tài)而引起危險(xiǎn)。

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(wěn)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(hù)，最高可承受持續(xù)400ms的65V電壓，并自帶watchdog監(jiān)控與它相連的微控制器。該芯片性能穩(wěn)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(dá)±2%并采用了對(duì)環(huán)境友好的綠色封裝。

為了配合ABS中逐漸增長(zhǎng)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(duì)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(duì)過(guò)溫、反接、短路等作了保護(hù)。

在負(fù)載端，此方案采用了BTS6143D作為所有負(fù)載線圈的總開(kāi)關(guān)，并作為高邊開(kāi)關(guān)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。這是一個(gè)全保護(hù)集成型的芯片，標(biāo)稱電流值達(dá)到10A，且?guī)в须娏鞅O(jiān)測(cè)功能，能運(yùn)用于所有的阻性、感性和電容性負(fù)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)專為ABS/ESC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的四通道電磁閥線圈驅(qū)動(dòng)芯片，具有全面的診斷功能，每個(gè)通道都能進(jìn)行獨(dú)立的安全診斷。作為電磁閥線圈的控制開(kāi)關(guān)，TLE6212GP具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)，其響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)，提升了系統(tǒng)的性能。

為了滿足系統(tǒng)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(hù)和抗電磁干擾性。TLE6251還有全面的失效分析檢測(cè)功能和極低的休眠功耗。TLE6258-2G兼容1.2，1.3和2.0 LIN規(guī)范，且也具有極低的休眠功耗。

從整個(gè)系統(tǒng)的角度看，此方案所采用的芯片都是專門為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有至少−40℃~125℃的應(yīng)用溫度范圍，并有很強(qiáng)的靜電保護(hù)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(duì)環(huán)境友好的綠色芯片。

目前ABS/ESC系統(tǒng)正經(jīng)歷著快速發(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(zhuǎn)換，使用功能更強(qiáng)大的微控制器，在系統(tǒng)中加入備份微控制器等等。從性能上說(shuō)，上述的方案完全滿足了ABS/ESC對(duì)主控單元的要求。但是，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)汽車的可靠性和輕量化的要求也在不斷地提高。此外，幾乎所有的廠商都面臨著削減成本的壓力。上述方案由于采用全分立式器件設(shè)計(jì)，所以器件的數(shù)目較多，從整個(gè)系統(tǒng)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。
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基于集成型L-Chip的英飛凌ABS/ESC解決方案

增強(qiáng)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(shù)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TLE6212，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(jiān)測(cè)邏輯電路、推動(dòng)油泵用的MOSFET的驅(qū)動(dòng)、作為高邊開(kāi)關(guān)的MOSFET的驅(qū)動(dòng)、主動(dòng)和被動(dòng)式輪速傳感器接口、K線收發(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(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了小巧的外形。由此，整個(gè)ABS/ESC主控單元所用的器件數(shù)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(jié)束語(yǔ)

作為汽車安全系統(tǒng)的重要應(yīng)用，ABS/ESC正被裝置到越來(lái)越多的汽車上，一個(gè)可靠而有競(jìng)爭(zhēng)力的方案不僅關(guān)乎汽車使用者的生命安全，而且能推動(dòng)市場(chǎng)的快速成長(zhǎng)。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)，可以幫助汽車系統(tǒng)供應(yīng)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)。