基於 TLE9832 的車窗防夾方案

作者：陳雅瑩，陸科

• 摘要

本文介紹了一種基於英飛凌 TLE9832 的車窗防夾方案。該方案是基於電機電流檢測的無霍爾感測器方案。通過檢測電流紋波數量來計算車窗位置，並比較同一位置的標準電流值和實時電流值，從而判斷是否有障礙物存在，是否需要進行防夾保護動作。基於電流檢測的無霍爾感測器方案防夾檢測效果準確，而且降低了成本，安裝也更加方便。本文介紹了一基於英飛凌 TLE9832 的車窗防夾方案。該方案是基於電機電流檢測的無霍爾感測器方案。通過檢測電流紋波數量來計算車窗位置，並比較同一位置的標準電流值和實時電流值，從而判斷是否有障礙物存在，是否需要進行防夾保護動作。基於電流檢測的無霍爾感測器方案防夾檢測效果準確，而且降低了成本，安裝也更加方便。

• TLE9832 介紹

TLE9832 是英飛凌半導體公司新推出的一款針對車身電子領域設計的專用晶元。TLE9832採用最新的技術，將 8051 核和 SBC（system basic chip）集成在一塊晶圓上。SBC 以外設形式集成在 8051 匯流排上，通過訪問寄存器即可直接訪問，集成度高，可以大大減少外部器件的數量並簡化外部電路的設計。下圖為 TLE9832 的框圖。

TLE9832 主要可應用於汽車天窗、車窗等的控制。針對這些應用，TLE9832 集成了一些特殊的外設及功能模塊。本文以在車窗上的應用為例，介紹 TLE9832 一些外設模塊的特點和應用。在本文介紹的車窗應用中，主要用到了 LIN、電壓檢測、高電平監控輸入引腳、低邊開關驅動、高邊開關驅動。下面就針對這些模塊及作用做簡單介紹。

1）低邊開關驅動引腳（LS1、LS2）

TLE9832 提供兩路低邊開關驅動引腳，可直接驅動繼電器。對每路低邊開關驅動都可進行過流檢測和過溫檢測。當檢測到過流或者過溫時，低邊開關自動關閉，起到保護的作用。低邊開關驅動引腳提供了兩種驅動模式:普通驅動模式和 PWM 驅動模式。在 PWM 驅動模式下，可輸出 PWM 波形驅動 MOSFET 控制電機的輸入電壓及轉速。PWM 的最高頻率可達 20kHz。此外，在普通驅動模式下，也可以配合使用 CCU6 模塊產生 PWM 波形，這將在下面介紹到。

值得注意的是，如果使用低邊開關驅動的 PWM 驅動模式，需要在負載上並聯一個二極體，實現續流的功能，以吸收開關斷開時感性負載產生的反電動勢。如圖 2 所示。

2）高邊開關驅動引腳（HS）

TLE9832 提供了 1~2 路高邊開關驅動引腳。高邊開關可以用來驅動由儀錶盤上的單個或者多個 LED、照明開關或者其它阻性負載。每路高邊開關驅動都具有過流檢測功能，並按照需求設置電流的閾值。此外，還有開路檢測的功能，同樣，電流的閾值也可以設置。

高邊開關驅動提供兩種驅動模式，一種是普通驅動模式，另一種是 PWM 驅動模式。PWM的最高頻率可達 20kHz。

3）高電平監控輸入引腳 MON1~MON5

高電平監控引腳既可以輸入數字信號,也可以輸入模擬信號，可用於檢測外部按鍵。連接到這 5 個引腳的 5 個按鍵不僅可以作為數字量從 MON 單元讀入狀態，還可以連接到模數轉換模塊進行採樣。此外，還可通過設置相關寄存器的值使能內部電阻上拉或下拉功能。高電平監控輸入引腳除了用於按鍵檢測外，還可以用於在睡眠或者掉電模式下喚醒單片

機。可通過寄存器設置喚醒模式：上升沿觸發、下降沿觸發或者兩種皆可。MON1~MON5 的內部結構中的濾波模塊可用於對喚醒信號進行濾波，避免誤動作。

4）捕獲/比較模塊（CCU6 模塊）

捕獲/比較單元 6（CCU6）中有兩個獨立的定時器（T12，T13），可用來產生脈寬調製（PWM）信號。

其中，T12 提供 3 路比較／捕獲通道。每個通道可以設置為比較模式或者捕獲模式。在比較模式下，通過周期寄存器，可以設置 PWM 波形的周期。通過設置比較值寄存器，可使任何一路通道在定時器的數值與比較值寄存器數值一樣時，翻轉輸出電平，從而得到需要的PWM 波形。捕獲模式可以用於記錄輸入波形的跳變沿產生時的定時器時間。T13 提供 1 路比較通道。

5）測量模塊

TLE9832 提供了一個測量模塊，該測量模塊由兩個 ADC 核組成，可以提供 10 路 8 位精度的模擬輸入通道。除通道 5 保留之外，其餘 9 個通道的功能分別是：通道 0 測量供電電壓；通道 1 測量工作電壓；通道 2 和通道 3 分別測量 VDDP 和 VDDC，這也是內核能穩定工作的關鍵參數；通道 4 測量 ADC 轉換參考電壓；通道 5 測量電流感測器輸出；通道 6 和通道 7測量兩個低邊開關的電流；通道 8 測量低邊開關的溫度值；通道 9 測量整個晶元的溫度值。此外，每個通道還可以根據客戶設置的上、下限值產生中斷，這樣便可以輕鬆地做到過流或者過壓保護，見圖 3。

6）其它

TLE9832 還特別為霍爾感測器提供了電源引腳 VDDEXT，用於對霍爾感測器供電，可以節省分立器件方案中單片機和霍爾感測器之間的隔離器件。

TLE9832 還集成了 LIN 收發器，外部電路不再需要獨立的 LIN 收發器晶元，支持了 LIN匯流排通訊，同時也使得集成度更高。

此外，TLE9832 還集成了電源轉換模塊 LDO。可以將外部輸入的 12V 電壓轉換成 5V 輸出，與分立器件的方案相比，集成度更高，電路空間可以做到更小。

• 防夾方案演算法簡介

本論文將介紹基於電機電流紋波的車窗防夾方案。

電機轉矩可以表示為

車窗防夾功能的實現，本質上是對車窗電機扭矩變化的辨識：當車窗碰到障礙物時，為了克服阻力，電機輸出轉矩會隨之增大；而因為 和 是常數，所以流過電機的電流 會隨之增大。因此可以將電機電流作為防夾的判定的依據對其進行採樣。此外，在防夾應用中，位置檢測也非常重要；一方面需要通過檢測車窗位置判斷車窗玻璃是否處於防夾區域之內，防夾功能是否需要被激活；另一方面，車窗在上升過程中不同位置的電機電流可以作為防夾判斷的參考值，對於提高防夾判斷精度有著重要意義。

而目前在車窗防夾的應用中，常見的位置檢測方法有霍爾感測器檢測法和電流紋波檢測法。前者通過電機軸上安裝磁環,產生隨電機轉動而變化的磁場，再使用霍爾感測器,感知磁場的變化,間接地檢測電機轉動和車窗的位置。而後者則是根據有刷電機在換相過程中產生的電流紋波來檢測電機位置。兩者各有優缺點：霍爾感測器檢測法檢測結果較為準確，但是，為了提高磁場檢測的靈敏度，要求將霍爾感測器貼近磁環固定，這實際上增加了安裝和器件的成本，也影響了系統的可靠性；而電流紋波檢測法成本低廉，可靠性高，但是對電流採樣速度和精度要求較高，軟體開銷也要大於霍爾感測器檢測法。為此，本文提出了一種更為高效的電流紋波檢測演算法，在下文中將做詳細介紹。

• 基於 TLE9832 的車窗無霍爾感測器的防夾方案

電流檢測採用了基於電流紋波檢測法的防夾方案。系統框圖如圖 4 所示。

系統電源 12V 通過 VS 引腳給 TLE9832 供電，並通過 VBAT_SENSE 引腳將電源採集到測量模塊進行監控。

控制按鍵接入高電平監控輸入引腳 MON1~MON5，外部按鍵採用了電阻分壓的形式，使用 MON1~MON5 的模擬輸入模式，按鍵的輸入通過 AD 轉換模塊採樣，可以判斷按鍵被置於哪一檔。

TLE9832 的低邊開關驅動輸出引腳控制繼電器開關，從而控制電機的橋臂開關，從而控制電機轉動；TLE9832 的高邊開關驅動輸出引腳控制 LED 開關，用於按鍵背光；TLE9832 的 CCU6 模塊的 COUT61 引腳連接了一個三極體用於控制電機電路的通斷。該引腳設置為比較模式，輸出一定占空比的 PWM 波，可以用於電機軟啟動，起到保護電機的作用；TLE9832 集成了 LIN 收發器，因此，TLE9832 的 LIN 引腳直接接到 LIN 匯流排上。

• 基於電流紋波的位置檢測演算法

圖 6 顯示的就是電機轉動過程中的電流採樣的結果：電機每旋轉一周，就會產生固定數量 N 的電流紋波（見圖 6 中空心線）。車窗運動的行程與電機的電流紋波數量成線性關係。只要能夠識別出電流紋波的數量，就可以計算出車窗運動的行程，也就能確定車窗的高度位置。本文提出了一種對於電流採樣結果的軟體處理方法，可以將不規則的紋波信號轉換成規則方波信號，從而使計算更加準確方便。具體實現過程如下：

首先，先設置一個由若干個元素組成的數組，譬如 11 個元素的數組 i[11]。每次採樣電流值，都先把數組裡的所有元素往前移動一個元素（i[0]=i[1], i[1]=i[2], i[2]=i[3]…i[10]=i[9]），再將最新採樣的電流值存儲在最後一個元素里（i[10]）。然後將最新的採樣值和該數組下標較小的元素比較（i』[10]=i[0]和 i[10]進行比較）這樣做實際上是通過軟體起到延遲的作用。如果 i』[10]=i[0]< i[10]，將變數 RIP 的值先存儲到另一個變數 OLD_RIP 里，然後 RIP=1。相反，如果 i』[10]=i[0]> i[10]，將變數 RIP 的值先存儲到另一個變數 OLD_RIP 里，然後 RIP=0。為了理解上更加直觀，可以用圖 6 中的示意圖來表示。如果 OLD_RIP 與 RIP 數值不一樣，那麼說明如圖 6 中的方波發生了跳變沿的變化，發生兩次跳變沿的變化，即表示產生一個完整的紋波周期。因此，這樣就可以方便地計算出紋波數量，從而得到車窗的位置信息。

更多信息請訪問英飛凌官方網站。

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