电动自行车应用中的MCU
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可编程SOC器件不但可作为电机控制、模拟测量以及直接驱动LCD显示屏的统一电路板系统用于电动自行车应用，而且还能支持电容式感应技术以取代键盘上的机械按键。此外，SOC器件还能利用内部PWM、MUX和比较器来驱动和控制三相电机，利用内部ADC和PGA来支持传感器输入电池监控，以及利用热敏电阻或RTD等温度感应器件来实现温度感应。该器件不但能直接驱动继电器，以支持刹车灯、车头灯和转向灯，而且能直接驱动LCD显示屏，以显示温度、电池状态、速度、骑行距离及各种错误/警告消息等。 采用基于IDE的工具，可为SoC设计出各种界面和逻辑。这些工具还能提供直接可用的组件模块，可用于设计更为复杂的逻辑，如监控界面的电容式传感器、支持模拟传感器和其它输入的ADC、驱动蜂鸣器的PWM、DAC以及段式、字符或图形化LCD显示屏等。因此，利用可编程SOC，电动自行车系统的开发和生产成本能够大幅降低。
微控制器：微控制器通常用于不同传感器输入检测(如节流阀输入、温度传感器、电池输入、燃料传感器、障碍传感器等)、模数转换、输出比较组件等，并可驱动和控制三相无刷车用电机。采用电池供电的电动自行车系统需要超低功耗的微控制器。此外，微控制器也是中控锁系统的一部分，可用来与车辆中使用的各种不同外部器件进行通信。无论何时刹车，均可使用微控制器来自动停止电机旋转，从而避免电机磨损刹车片的速度超过标准的人力自行车。 轮毂电机：通常情况下，无论有无传感器(基于霍尔效应)，均可采用无刷电机实现高效可靠的运行工作。 可再充电的铅酸/锂离子电池：电动自行车应用采用了从铅酸电池到锂电池等多种不同的电池类型。其中，可再充电的铅酸电池在电动车中的应用极其广泛。 显示屏与键盘：通常情况下，采用带背光的LCD显示屏不但能显示温度、电池输入、速度、骑行距离及错误/警告消息等，而且还能显示脚踏板辅助系统和能量生成的等级。电动车应用中也采用基于机械按键的键盘，而且键盘还可支持保护电动车的防盗功能。 电源管理：这个子系统可为各功能模块的运行提供电源，并监控电池工作。带比较器和分立逻辑的主机微控制器可用来管理铅酸电池。此外，这种方法也能为微控制器和用户提供关于电池的安全和关键信息。 原理 目前的电动自行车系统采用16位和32位微控制器。微控制器控制和管理车辆的所有功能和特性。一旦用户打开点火开关发动电动自行车，微控制器就能获得输入，从而启动三相无刷车用电机。微控制器可接收来自用户的各种车辆输入信号，并对车辆进行相应的操控。微控制器按照用户所选择的速度驱动三相无刷车用电机，电机的速度可根据用户的加速和制动传感器输入进行变化和控制。 微控制器采用内部或外部串行EEPROM(I2C/SPI型)来存储距离读数等数据。此外，微控制器还采用实时时钟(RTC)在显示屏上显示准确的时间。 温度测量由板上RTD或热敏电阻型温度感应器件来实现。电动自行车系统还能利用障碍传感器在泊车时获取附近车辆的信息。燃料传感器获取引擎中的燃料信息，微控制器也可监控电池输入并将其在LCD显示屏上显示。继电器驱动电路则用于切换刹车灯、车头灯和转向灯的开/关等。 供电部分由作为电源的可再充电铅酸或锂离子电池组成，且必须满足电池充电器的规定。电池输入向下转换为DC电压，以便为微控制器和其它电路提供动力。点火开关则可启用或禁用板上稳压器。此外，供电部分还可提供电池、过流、过热及启动故障状态保护电路等多种保护功能。OEM厂商也会对手机等外部设备的充电做出相应规定。
电动自行车系统的实现 为给出电动自行车系统的实际实现方案，本文介绍了一款基于赛普拉斯PSoC 4的设计。PSoC 4器件完美集成了带数字可编程逻辑的微控制器、高性能模数转换、带比较器模式的运算放大器以及标准的通信和时序外设等。微控制器为32位的ARM Cortex M0，工作频率高达48 MHz，并可提供最大32 KB的闪存和最大4 KB的SRAM以及2 KB的内部EEPROM. 该实现方案采用板上6个P型通道(P-Channel)MOSFET和门驱动器电路来驱动三相无刷电机。PSoC 4器件带有内置PWM、时钟、多路转换器和比较器，可用来驱动和控制三相无刷电机。此外，内置的16位PWM将用于驱动控制电机的FET门驱动器电路。而PWM的占空比根据用户设置所需的速度而各不相同。 PSoC4带有内部运算放大器、PGA、比较器和12位1MSPS SAR ADC，可提供差动和单端模式，包括采样保持(S/H)功能。ADC可通过改变PWM占空比来控制电机速度，并测量不同的传感器输入以满足电池监控、低成本温度感应、障碍感应和燃料感应等需求。这样系统就无需采用任何外部放大器、ADC或比较器。 利用两个电流DAC(IDAC)，该系统可具备通用感应功能，且能够利用任何引脚上的电容式感应技术。PSoC 4架构支持电容式感应组件，该组件同时支持手动和自动调校。采用电容式界面可帮助整个电动自行车系统实现防水性，同时也能直接驱动继电器，从而充分满足喇叭、刹车灯、车头灯、转向灯和LCD显示屏等需求。该器件的工作电压范围介于1.71V到5.5V之间，能与其它外部外设轻松连接，从而实现更多功能。此外，PSoC 4还支持两个独立的在运行中可重配置串行通信模块(SCB)，此模块带可重配置的I2C、SPI或UART功能，可用于内外部外设通信。 该实现方案采用可再充电的铅酸或锂离子电池作为电源。输入电压通过板上降压稳压器进行下变频转换。1.71 V的较低工作电压和超低功耗运行，再加上冬眠和深度休眠模式，可支持唤醒时间和功耗折中方案，从而实现更长的电池使用寿命。 |
