一种基于功能安全设计的32位整车控制器系统的制作方法

本发明属于电动汽车技术领域，更具体的说是涉及一种基于功能安全设计的32位整车控制器系统。

背景技术：

电动汽车整车控制器vcu(vehiclecontrolunit)是电动汽车整车控制系统的核心部件，是用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件。vcu作为纯电动汽车控制系统最核心的部件，其承担了数据交换、安全管理、驾驶员意图解释、能量流管理的任务。

国内整车控制企业大都是基于16位单片机开发的整车控制器，随着无人驾驶和功能安全的应用，对整车控制器的功能能和性能都提出了较高要求，开发基于功能安全设计的32位单片机的整车控制器成为行业迫切需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于功能安全设计的32位整车控制器系统，解决了16位主芯片主频低，资源少，无法满足功能安全要求的问题，零部件少，性能强，具有价格低，可靠性高的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于功能安全设计的32位整车控制器系统，包括：控制系统电路、电源电路、can通信电路、pwm输出电路、高边驱动电路、模拟电压采集电路、低边驱动电路、脉冲采集电路及数字信号输入电路；其中，

所述电源电路，用于为控制系统电路、can通信电路、模拟电压采集电路提供所需的电能；

所述can通信电路，实现电机、电池、dcdc及dcac信号的采集和控制；

所述pwm输出电路，将控制系统电路的3.3vpwm信号转换为24v脉冲信号输出；

所述高边驱动电路，通过在负载前，实现驱动控制；

所述模拟电压采集电路，实现模拟电压信号的采集；

所述低边驱动电路，通过在负载后，实现驱动控制；

所述数字信号输入电路，实现高低电平信号的采集；

所述脉冲采集电路，实现脉冲信号的采集。

优选的，所述控制系统电路包括单片机u44、复位电路、晶振电路及程序烧写电路，所述复位电路、所述晶振电路及程序烧写电路均与所述单片机u44相连。

优选的，所述电源电路主要分为两路，其中一路将外部供电电压24v经过保险f1和防反接二极管d22，再经过二极管d23和电容c153，电容c154滤波后作为高边驱动电路和低边驱动电路的输入电压，称为功率电；

另一路将外部供电电压从24v转换为12v、5v、3.3v供给整车控制器系统使用，称为控制电。

优选的，所述can通信电路包括芯片u1，芯片u1的5号管脚接3.3v供电，5号管脚还连接电容c39作为耦合电容进行滤波，3号管脚接5v供电，5号管脚还连接电容c34进行滤波，单片机u44的113号管脚与芯片u1的4号管脚相连，单片机u44的115号管脚与芯片u1的1号管脚相连，芯片u1的5号管脚与6号管脚分别连接在终端电阻r50的两端，同时can-h1和can-l1之间连接有共模电感l2和静电保护芯片d6，共模电感l2与终端电阻r50相连。

优选的，pwm输出电路包括光耦u18a和光耦u18b，单片机u44的128号管脚与光耦u18a的2号管脚相连，光耦u18a的1号管脚通过电阻r19与电压3.3v相连；光耦u18a的16号管脚输出pwm_0；单片机u44的129号管脚与光耦u18b的4号管脚相连，光耦u18b的3号管脚通过电阻r30与电压3.3v相连；光耦u18b的14号管脚输出pwm_1。

优选的，高边驱动电路包括高边驱动电路一和高边驱动电路二，高边驱动电路一采用高边驱动芯片u2，共两路高边输出，单片机u44的15号管脚与芯片u47的4号管脚相连，d02经电平转换为d0_2由芯片u47的16号管脚输出；单片机u44的121号管脚与缓冲器u48的2号管脚相连，d04经电平转换为d0_4由缓冲器u48的18号管脚输出；do_2通过限流电阻r26接入高边驱动芯片u2的6号管脚，do_4通过限流电阻r3接入高边驱动芯片u2的2号管脚；高边驱动芯片u2的输出端out4设置防反接二极管d3和续流二极管d2，高边驱动芯片u2的输出端out2设置防反接二极管d4和续流二极管d5；

高边驱动电路二包括缓冲器芯片u45、达林顿反相器u36和板载的11个12v微型继电器，缓冲器芯片u45输出控制电5v，达林顿反相器u36输出12v，缓冲器芯片u45连接至微型继电器的线圈控制端，微型继电器的另一端接12v。

优选的，模拟电压采集电路包括集成运放芯片u10a和集成运放芯片u10b，外部模拟电压信号ad8通过rc滤波电路与集成运放芯片u10a的3号管脚相连，集成运放芯片u10a的1号管脚与单片机u44的54号管脚相连；外部模拟电压信号ad9通过rc滤波电路与集成运放芯片u10b的5号管脚相连，集成运放芯片u10b的7号管脚与单片机u44的60号管脚相连。

优选的，低边驱动电路包括缓冲芯片u46和低边驱动芯片u20，单片机u44的输出端d018接入到缓冲芯片u46的11号管脚，转换为do_18，经限流电阻r154与低边驱动芯片u20的2号管脚相连，低边驱动芯片u20的输出端out18连接续流二极管d18；单片机u44的输出端d019接入到缓冲芯片u46的8号管脚，转换为do_19，经限流电阻r158与低边驱动芯片u20的4号管脚相连，低边驱动芯片u20的输出端out19连接续流二极管d19。

优选的，脉冲采集电路包括三极管q2，外部脉冲信号spdin1通过一个，电阻r85和c56滤波降流后进入三极管q2的基级，当外部脉冲信号spdin1为高电平时，三极管q2导通，spd1_in信号为低电平，单片机u44读取到的spd1_in信号即为低电平；当外部脉冲信号spdin1为低电平时，三极管q2不导通，spd1_in信号为高电平，单片机u44读取到的spd1_in信号即为高电平。

优选的，数字信号输入电路包括光耦芯片u21a，当需要读取高电平时，外部高电平通过接近开关sp5流经继电器jp9，光耦芯片u21a的二极管的1号管脚，再流经继电器jp10，经过限流电阻r204导入到功率地，同时光耦芯片u21a的三极管端导通，单片机u44的输入端di19从高电平转换为低电平。

当需要读取低电平时，vin24经过限流电阻r197，再通过继电器jp9，进入光耦芯片u21a的二极管的2号管脚，再流经继电器jp10，再接到外部低电平的接近开关sp5，同时光耦芯片u21a的三极管端导通，单片机u44的输入端di19从高电平转换为低电平。

本发明的有益效果在于：

本发明解决了16位主芯片主频低，资源少，无法满足功能安全要求的问题，零部件少，性能强，具有价格低，可靠性高的特点。

本发明解决了3.3v低功耗供电系统和传统5v供电系统的兼容问题，解决了can通信电路和高边驱动电路、低边驱动电路的电压匹配问题，最大程度继承了16位整车控制器的控制电路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的结构示意图。

图2附图为本发明控制系统电路的原理图。

图3附图为本发明电源电路的原理图。

图4附图为本发明can通信电路的原理图。

图5附图为本发明脉冲采集电路的原理图。

图6附图为本发明pwm输出电路的原理图。

图7附图为本发明高边驱动电路一的原理图。

图8附图为本发明高边驱动电路二的原理图。

图9附图为本发明模拟电压采集电路的原理图。

图10附图为本发明低边驱动电路的原理图。

图11附图为本发明数字信号输入电路的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1，本发明提供了一种基于功能安全设计的32位整车控制器系统，包括：控制系统电路、电源电路、can通信电路、pwm输出电路、高边驱动电路、模拟电压采集电路、低边驱动电路、脉冲采集电路及数字信号输入电路；其中，

电源电路，用于为控制系统电路、can通信电路、模拟电压采集电路提供所需的电能；

can通信电路，实现电机、电池、dcdc及dcac等信号的采集和控制；

pwm输出电路，将控制系统电路的3.3vpwm信号转换为24v脉冲信号输出；

高边驱动电路，通过在负载前，实现驱动控制；

模拟电压采集电路，实现油门信号，制动压力等模拟电压信号的采集；

低边驱动电路，通过在负载后，实现驱动控制；

数字信号输入电路，实现档位，手刹，钥匙位等高低电平信号的采集；

脉冲采集电路，实现车速等脉冲信号的采集。

参阅附图2，控制系统电路包括单片机u44、复位电路、晶振电路及程序烧写电路，复位电路、晶振电路及程序烧写电路均与单片机u44相连。

单片机u44具体型号为spc5744pfk1amlq9，该单片机是满足功能安全标准asil-d级别的微控制器，旨在简化功能安全设计，在主核基础上增加了锁步核，相比传统16位单片机，主频更高，资源更丰富，同时增加了fccu故障输出功能，系统安全性大大提高，复位电路复位芯片u23采用stm6315，每次重新上电后，自动判断3.3v供电稳定后，它的2号管脚才会从低电平转换为高电平，输出给单片机u44的复位管脚，将单片机唤醒。晶振电路采用贴片40m晶振y1和两个12pf的电容c166，电容c167组成振荡电路，程序烧写接口采用14pin的jtag接口，tdi和tdo采用10k电阻r156，电阻r157进行上拉，jcomp采用10k电阻r161下拉。

参阅附图3，电源电路主要分为两路，其中一路将外部供电电压24v经过保险f1和防反接二极管d22，再经过二极管d23和电容c153，电容c154滤波后作为高边驱动电路和低边驱动电路的输入电压，称为功率电；

另一路将外部供电电压从24v转换为12v、5v、3.3v供给整车控制器系统使用，称为控制电。控制电部分连接如下：外部供电电压24v首先经过二极管d66和电阻r277，电阻r233组成的电阻分压电路，通过电阻r232和电容c202组成的rc滤波电路后进入单片机u44的ad采集口，用于监控系统供电电压是否在正常范围。同时外部供电电压24v经过二极管d35和电容c198，二极管d35是防反保护二极管，电容c198起到滤波和防静电功能，而后经过保险f5，再经过二极管d39滤波反向脉冲，再经过电容c193，电容c194，电容c195，电感l11和电感l13等组成的lc电路进行滤波，之后分别进入芯片u43和芯片u50进行降压稳压，用来产生用于内部继电器控制所需的12v电压和5v工作电压，5v电压再经过芯片u51后降压产生3.3v电压。同时这个电路也支持通过继电器jd11引入功率电作为24v电压输入，用过延时断电功能，延时断电功能如下，当系统正常工作后，会控制继电器jd11的控制管脚，将功率电通过二极管d32送入控制电的输入部分，如果控制电突然消失而功率电还正常时，单片机u44通过电阻分压电路识别到控制电消失后延时一段时间，切断继电器jd11的控制部分，则系统掉电。同时系统也兼容12v供电，当外部供电为12v时，只需要将电感l15和电感l16用焊线连上，去掉芯片u43即可。

参阅附图4，由于控制系统电路采用的是3.3v供电的单片机u44，所以本系统选择了支持3.3v电平系统的can收发器芯片u1，支持双电源供电，芯片u1的5号管脚接3.3v供电，同时增加一个0.1uf电容c39作为耦合电容进行滤波，3号管脚接5v供电，也增加一个0.1uf电容c34进行滤波，单片机u44的113号管脚与芯片u1的4号管脚相连，单片机u44的115号管脚与芯片u1的1号管脚相连，单片机u44产生的txd和rxd信号经过芯片u1产生标准的can电平信号和外界进行can通信，芯片u1的5号管脚与6号管脚分别连接在终端电阻r50的两端，同时can-h1和can-l1之间连接有共模电感l2和静电保护芯片d6，共模电感l2与终端电阻r50相连，增加了对can电路的保护功能。同时通过电阻r46，电阻r52，电容c30，电容c23，电容c38构成的阻容滤波网络对can电平的上升时间和下降时间进行限制。另外每一路can通信电路都预留了can屏蔽线的接地网络，通过1个1m电阻r58和0.01uf电容c40接入gnd。

参阅附图6，pwm输出电路包括光耦u18a和光耦u18b，单片机u44的128号管脚与光耦u18a的2号管脚相连，光耦u18a的1号管脚通过电阻r19与电压3.3v相连；光耦u18a的16号管脚输出pwm_0；单片机u44的129号管脚与光耦u18b的4号管脚相连，光耦u18b的3号管脚通过电阻r30与电压3.3v相连；光耦u18b的14号管脚输出pwm_1。

参阅附图7-8，高边驱动电路包括高边驱动电路一和高边驱动电路二，高边驱动电路一采用高边驱动芯片u2，共两路高边输出，每路可以输出4a电流。同时由于单片机u44输出电平和驱动芯片电平平台不一致，增加了缓冲器u48用作电平转换和增大驱动能力，单片机u44的15号管脚与芯片u47的4号管脚相连，d02经电平转换为d0_2由芯片u47的16号管脚输出；单片机u44的121号管脚与缓冲器u48的2号管脚相连，d04经电平转换为d0_4由缓冲器u48的18号管脚输出；do_2通过限流电阻r26接入高边驱动芯片u2的6号管脚，do_4通过限流电阻r3接入高边驱动芯片u2的2号管脚；高边驱动芯片u2的输出端out4设置防反接二极管d3和续流二极管d2，高边驱动芯片u2的输出端out2设置防反接二极管d4和续流二极管d5，方便直接驱动感性负载，滤除反向电压。

高边驱动电路二包括缓冲器芯片u45、达林顿反相器u36和板载的11个12v微型继电器，和高边驱动芯片u2相比，驱动能力更强，温度适应性范围更广，稳定性更强。其中1个继电器jd11用作延时断电功能。缓冲器芯片u45输出控制电5v，达林顿反相器u36输出12v，缓冲器芯片u45连接至微型继电器的线圈控制端，微型继电器的另一端接12v，增加了达林顿反相器u36在于增大驱动电流。例如单片机u44的输出管脚do10接u45后转换成5v电平do_10,再经过达林顿反相器u36变为ou10,ou10接到继电器jd5的线圈控制端，另外一端一边接12v电源，同时在控制端增加续流二极管d46,输出端out10直接控制外部dcdc，打压泵，除霜，低速报警等负载，同时增加了输出端续流二极管d49。

参阅附图9，模拟电压采集电路包括集成运放芯片u10a和集成运放芯片u10b，构成电压跟随器的形式采集外部模拟电压信号，增加了系统抗干扰性能。外部模拟电压信号ad8通过rc滤波电路与集成运放芯片u10a的3号管脚相连，集成运放芯片u10a的1号管脚与单片机u44的54号管脚相连；外部模拟电压信号ad9通过rc滤波电路与集成运放芯片u10b的5号管脚相连，集成运放芯片u10b的7号管脚与单片机u44的60号管脚相连。外部模拟电压信号ad8，ad9通过一个rc滤波电路进入电压跟随器的同向端，输出端atd8,atd9直接接单片机的ad采集端口。

参阅附图10，低边驱动电路包括缓冲芯片u46和低边驱动芯片u20，单片机u44的输出端d018接入到缓冲芯片u46的11号管脚，转换为do_18，经限流电阻r154与低边驱动芯片u20的2号管脚相连，低边驱动芯片u20的输出端out18连接续流二极管d18；单片机u44的输出端d019接入到缓冲芯片u46的8号管脚，转换为do_19，经限流电阻r158与低边驱动芯片u20的4号管脚相连，低边驱动芯片u20的输出端out19连接续流二极管d19。同时在输入端增加下拉电阻r153和下拉电阻r155，低边驱动芯片u20的输出端out18和out19增加续流二极管d18和续流二极管d19，方便控制感性负载和滤除反向电压。

采用ipg20n06s2l驱动芯片，单片机的输出端d018,do19首先接到缓冲器芯片u46,转换为do_18和do_19后限流电阻r154和r158接到低边驱动芯片u20的输入端，

参阅附图5，脉冲采集电路包括三极管q2，外部脉冲信号spdin1通过一个，电阻r85和c56滤波降流后进入三极管q2的基级，当外部脉冲信号spdin1为高电平时，三极管q2导通，spd1_in信号为低电平，单片机u44读取到的spd1_in信号即为低电平；当外部脉冲信号spdin1为低电平时，三极管q2不导通，spd1_in信号为高电平，单片机u44读取到的spd1_in信号即为高电平。同时为了增加系统稳定性，spdin1信号用一个100k电阻r83进行上拉，保证了spdin1悬空时三极管为导通状态。

参阅附图11，数字信号输入电路包括光耦芯片u21a，对外部信号进行隔离。同时输入端兼容读取低输入和高输入电平，通过继电器jp9和继电器jp10三端跳线电阻的焊接与否可以任意选择读取高电平或者低电平，方便进行扩展。当需要读取高电平时，外部高电平通过接近开关sp5流经继电器jp9，光耦芯片u21a的二极管的1号管脚，再流经继电器jp10，经过限流电阻r204导入到功率地，同时光耦芯片u21a的三极管端导通，单片机u44的输入端di19从高电平转换为低电平。

当需要读取低电平时，vin24经过限流电阻r197，再通过继电器jp9，进入光耦芯片u21a的二极管的2号管脚，再流经继电器jp10，再接到外部低电平的接近开关sp5，同时光耦芯片u21a的三极管端导通，单片机u44的输入端di19从高电平转换为低电平。

本发明解决了16位主芯片主频低，资源少，无法满足功能安全要求的问题，零部件少，性能强，具有价格低，可靠性高的特点。

本发明解决了单片机故障输出管脚如何控制外部驱动的问题，通过电源管理芯片解码故障输出信号，直接控制外部驱动芯片的使能管脚，增加了系统安全性。

本发明解决了3.3v低功耗供电系统和传统5v供电系统的兼容问题，解决了can通信电路和高边驱动电路、低边驱动电路的电压匹配问题，最大程度继承了16位整车控制器的控制电路。

本系统在数字信号输入电路，模拟电压采集电路都采用了隔离方式，增加了系统抗干扰性能。

本发明单片机u44采用主核加锁步核的设计，可以满足asil-d等级，整车控制器供电电压9～32v，电源电路能够产生单片机u44工作需要的12v，5v，3.3v电压，高边驱动电路使用btt6030芯片和g6d-1a-asi继电器，低边驱动电路使用ipg20n06s2l芯片。由于单片机u44输出电压平台为3.3v，高边驱动芯片u2和低边驱动芯片u20为5v控制，增加了缓冲芯片u46用作电平转换。

本发明能够应用于接收油门，刹车，档位信号，控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止。及接收车辆部件信号，控制气泵，水泵，风扇，空调，dcdc，dcac的启停，接收bms信号，控制bms充放电。发送车辆状态到仪表，tbox等。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。