汪春華 張玉穩(wěn) 裴靜 白穩(wěn)峰

中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 天津市 300300

1 引言

汽車電子技術(shù)[1]在電子信息、電子加工工藝和軟件技術(shù)迅猛發(fā)展下不斷進(jìn)步，目前整車上汽車電子產(chǎn)品價(jià)值所占比重越來(lái)越高，舒適性和安全性新功能以及部分性能提升和汽車電子技術(shù)進(jìn)步或應(yīng)用拓展相關(guān)度越來(lái)越高。在目前汽車電子產(chǎn)品產(chǎn)品中，用分立芯片和電子元器件組成系統(tǒng)由于產(chǎn)品繼承和延續(xù)性還占有很大一部分，在汽車電子技術(shù)功能要求更加復(fù)雜，安全性更高、所占面積更小，功耗更低、性價(jià)比更合適的趨勢(shì)下，下一代汽車電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中，集成多種功能的芯片組或基礎(chǔ)芯片逐漸得到用戶的重視，逐步設(shè)計(jì)到汽車電子產(chǎn)品中，集成芯片未來(lái)有廣泛的應(yīng)用前景。

TLE9263[2]是一款面對(duì)車身控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)型芯片，利用它開發(fā)出車身控制系統(tǒng)可以替代至少6個(gè)分立芯片，如電源LDO、硬件看門狗、CAN驅(qū)動(dòng)、LIN驅(qū)動(dòng)、高邊驅(qū)動(dòng)、普通GPIO控制。用TLE9263[3]替代這些分立芯片，不但能減少PCB分立元件數(shù)量，分立器件占有PCB有效面積的三分一，同時(shí)也能縮小整個(gè)產(chǎn)品所占空間。TLE9263具有多種控制模式和多種保護(hù)功能，并具有故障信息輸出功能，很好滿足要求越來(lái)越嚴(yán)格的汽車電子安全性需求，為控制器智能診斷提供硬件和軟件基礎(chǔ)。功能和性能的提升同時(shí)，帶來(lái)的是高性價(jià)比，至少比分立芯片減少一半的成本，應(yīng)用前景非常廣闊。

2 TLE9263介紹

TLE9263是一個(gè)非常緊湊的基礎(chǔ)芯片解決方案，非常適合車身控制系統(tǒng)汽車應(yīng)用，幾乎每一個(gè)車身應(yīng)用系統(tǒng)都會(huì)有電源LDO、硬件看門狗、CAN驅(qū)動(dòng)、LIN驅(qū)動(dòng)、高邊驅(qū)動(dòng)、普通GPIO控制芯片。該器件帶有三路獨(dú)立LDO、兩路LIN收發(fā)器、一路CAN收發(fā)器、四路高邊輸出、兩路普通GPIO輸出、硬件看門狗和多種保護(hù)并具有及低功耗，其基本特征如下，功能方框圖如圖1所示。

（1）多種低功耗模式，SleepMode下靜態(tài)電流15微安

（2）LUO1通道電壓調(diào)節(jié)5V，250毫安

（3）LUO2通道電壓調(diào)節(jié)5V，100毫安

（4）LUO3通道電壓調(diào)節(jié)帶續(xù)流5V，350毫安

（5）高速CAN收發(fā)器ISO11898-2/5

（6）兩路LIN收發(fā)器LIN 2.2，J2602

（7）四路高邊輸出7Ω typ

（8）兩路普通可配置GPIO輸出

（9）失效模式輸出Fail Outputs

（10）三路帶電壓監(jiān)控的喚醒源

（11）可配置周期喚醒源

（12）RESET輸出和硬件window watchdog

（13）過(guò)溫度和短路保護(hù)

（14）寬電壓輸入和溫度范圍

3 硬件設(shè)計(jì)

車身控制器硬件[3]設(shè)計(jì)采用大功率電源和車身控制器主電源分開設(shè)計(jì)方案，主要有兩個(gè)目的，一是提高車身控制器[4]電源域安全性，二是防止大功率電源回路干擾耦合主電源，影響主電源EMC特性，降低產(chǎn)品的電磁兼容性能。車身控制器主電源采用兩路輸入VB1、VB2備份設(shè)計(jì)，安全級(jí)別提高，電源備份設(shè)計(jì)在一路電源斷開或失效時(shí)，另一路電源還能保持控制器正常工作，主電源通過(guò)反向保護(hù)二極管，在瞬態(tài)二極管保護(hù)下，經(jīng)過(guò)系列電容濾波后輸入給芯片TLE9263供電。TLE9263硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 TLE9263功能方框圖

圖2 TLE9263硬件原理圖

TLE9263的VS腳是供電電壓輸入，其輸入來(lái)自經(jīng)過(guò)濾波處理的主電源，VSHS也連接到經(jīng)過(guò)濾波處理的主電源，其為L(zhǎng)IN和高邊驅(qū)動(dòng)提供電源。三路LDO直接輸出5V，一路VCC1經(jīng)過(guò)系列電容濾波輸出到VDD5V_1，一路VCC2經(jīng)過(guò)系列電容濾波輸出到VDD5V_2，第三路通過(guò)Q16三極管提供功率輸出到VDD5V_3，本設(shè)計(jì)中這三路電源可以獨(dú)立使用，也可以合并使用，在車身控制系統(tǒng)中，考慮到低功耗設(shè)計(jì)，使用VDD5V_1和VDD5V_2合并給MCU和喚醒源供電，VDD5V_3給其他外圍器件供電，這樣既保證休眠喚醒功能，也滿足產(chǎn)品靜態(tài)電流要求，同時(shí)做到獨(dú)立電源分開使用，安全性得到進(jìn)一步提升。

FO1為TLE9263診斷狀態(tài)輸出，當(dāng)TLE9263進(jìn)入保護(hù)模式或失效模式時(shí)，其輸出為低電平，此管腳也作為車身控制器LIMPHOME的觸發(fā)腳，實(shí)現(xiàn)LIMPHOME功能。WK1通過(guò)電阻直接和MCU輸出PIN相連，實(shí)現(xiàn)通過(guò)MCU喚醒TLE9263。FO2和FO3配置成普通GPIO輸出，補(bǔ)充MCU硬件輸出資源。RO為復(fù)位輸出，連接到MCU的RESET，實(shí)現(xiàn)上電和硬件看門狗復(fù)位功能。HS1-4是帶保護(hù)的高邊輸出，主要應(yīng)用LED燈的控制。TLE9263通過(guò)4線SPI接口和MCU進(jìn)行信息數(shù)據(jù)交互，其是SPI接口中的從節(jié)點(diǎn)。

TLE9263帶有兩路LIN和一路CAN總線收發(fā)器，其硬件原理圖如圖3所示。TLE9263兩路LIN硬件原理圖一樣，電源電壓12V通過(guò)D23和電阻R443給總線供電，其中R443是1206封裝，該電阻必須是大功率封裝，主要考慮LIN總線接地時(shí)，小功率封裝有可能燒毀失效。D24是靜電二極管，防止靜電對(duì)總線內(nèi)部器件傷害，C286是濾波電容。一路CAN總線通過(guò)共模電感或R442零歐電阻旁路輸出，共模電感有很好總線干擾抑制作用，考慮到成本，也可用零歐電阻旁路，R440和R441是總線終端電阻，Q17和C264與LIN總線器件作用一樣防護(hù)靜電和濾波處理。

4 軟件設(shè)計(jì)

TLE9263軟件設(shè)計(jì)[5]通過(guò)和MCU的SPI接口完成，MCU作為SPI接口主節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)TLE9263功能配置和調(diào)度。MCU和TLE9263的數(shù)據(jù)以16bit為基本幀，CSN作為片選端，由主節(jié)點(diǎn)控制，低有效選擇從節(jié)點(diǎn)TLE9263，CLK是時(shí)鐘信號(hào)，其上升沿對(duì)應(yīng)位數(shù)據(jù)傳輸開始，下降沿對(duì)應(yīng)位數(shù)據(jù)有效，位數(shù)據(jù)從MCU控制的SDO輸出給TLE9263，TLE9263返回的數(shù)據(jù)從SDI輸入到MCU，是雙工通信，其通信過(guò)程如圖4所示。

車身控制器涉及到TLE9263工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。TLE9263器件上電或通過(guò)SPI軟件命令復(fù)位進(jìn)入Init Mode模式，在此模式下只有VCC1打開，給車身控制器供電。初始化模式下，任何的SPI指令使得TLE9263進(jìn)入Normal Mode模式，這是TLE9263正常工作模式，在此模式下，三路LDO、CAN、LIN、FOX、HSX、WD都打開正常工作，喚醒源配置關(guān)閉。通過(guò)SPI的休眠指令使得TLE9263進(jìn)入Sleep Mode模式，在此模式下VCC1保持正常工作，VCC1、VCC3、FOX、HSX關(guān)閉，CAN、LIN進(jìn)入休眠等待喚醒狀態(tài)中，其他喚醒源有效。有喚醒事件觸發(fā)后，TLE9263進(jìn)入Restart Mode模式，在此模式下，只有VCC1正常工作，此模式經(jīng)過(guò)一定時(shí)間周期在Reset釋放后自動(dòng)進(jìn)入Normal Mode。TLE9263有診斷保護(hù)措施，檢測(cè)的VCC1過(guò)電壓、欠電壓、短路到地、看門狗失效會(huì)進(jìn)入Fail-Safe Mode或Restart Mode模式，所有模式和狀態(tài)MCU都能通過(guò)SPI從TLE9263獲得。

圖3 LIN和CAN驅(qū)動(dòng)硬件原理圖

圖4 TLE9263數(shù)據(jù)SPI通信

圖5 TLE9263狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

TLE9263和MCU軟件控制流程圖如圖6所示。TLE9263上電或軟件復(fù)位后，VCC1正常工作，輸出5V電源給MCU，MCU上電復(fù)位后執(zhí)行啟動(dòng)代碼，配置中斷向量表、初始化系列RAM堆棧，配置MCU主頻，完成啟動(dòng)代碼后，跳轉(zhuǎn)到MAIN函數(shù)，開始執(zhí)行車身控制器外設(shè)初始化程序，主要有中斷、AD、CAN、LIN、SPI、GPIO輸入輸出控制初始化。初始化完成后，通過(guò)SPI接口讀TLE9263狀態(tài)，然后指令TLE9263進(jìn)入正常模式，通過(guò)SPI指令配置TLE9263功能，實(shí)現(xiàn)TLE9263正常功能，在軟件執(zhí)行車身控制器應(yīng)用程序過(guò)程中，MCU周期性調(diào)用TLE9263狀態(tài)寄存器，監(jiān)控TLE9263工作狀態(tài)。

在車身控制器在滿足進(jìn)入休眠邏輯條件后，通過(guò)總線SPI設(shè)置TLE9263進(jìn)入休眠狀態(tài)。在控制器休眠過(guò)程中，喚醒有兩種模式，當(dāng)有TLE9263喚醒源有效后，通知MCU[6]喚醒控制器，當(dāng)MCU其他喚醒源喚醒后控制器后，MCU通過(guò)WK喚醒TLE9263，TLE9263喚醒后，在MCU配置下進(jìn)入正常工作。

圖6 TLE9263流程圖

圖7 TLE9263調(diào)試SPI波形圖

5 調(diào)試驗(yàn)證

TLE9263硬件調(diào)試主要是硬件輸出測(cè)量和SPI[7]通信調(diào)試，TLE9263器件上電后，首先用萬(wàn)用表測(cè)量輸入電壓，然后測(cè)量TLE9263的VCC1是否輸出5V，Reset是否輸出5V，如果這兩個(gè)端口都輸出5V，說(shuō)明TLE9263進(jìn)入初始化模式，芯片上電調(diào)試完成。

硬件調(diào)試完成后，接下了要調(diào)試MCU和TLE9263通信，只有通信調(diào)試正常后，才能設(shè)置TLE9263的其他功能，調(diào)試正常的SPI波形如圖7所示。SPI通信調(diào)試完成后，通過(guò)SPI數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)置TLE9263其他輸出工作狀態(tài)，配合示波器監(jiān)控輸出，配置完成后，TLE9263正常工作調(diào)試完成，TLE9263休眠喚醒調(diào)試和正常調(diào)試一樣，通過(guò)SPI總線輸出配置指令，配合示波器監(jiān)控結(jié)果，來(lái)保證調(diào)試過(guò)程有效性。

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在車身控制器[8]系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用集成基礎(chǔ)芯片TLE9263，通過(guò)方案設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，綜合調(diào)試，很好實(shí)現(xiàn)該芯片功能，滿足車身控制器系統(tǒng)要求。采用該芯片設(shè)計(jì)車身控制器不僅使得成本方面有優(yōu)勢(shì)，而且功能也比分立芯片更多，性能更好，其封裝、功耗、診斷保護(hù)性都得到提升，很好滿足下一代車身控制器[10] 向集成方向發(fā)展趨勢(shì)。