|
單片機控制技術(shù)已經(jīng)在汽車電子中得到廣泛應(yīng)用，它顯著提高了汽車的智能控制水平和安全性能。本文將系統(tǒng)地介紹一款高性價比的海爾HR6P62單片機以及該單片機在HID燈控制器上的應(yīng)用。 一、汽車前照燈的發(fā)展歷程 據(jù)說第一個汽車前大燈是家用手提燈。汽車剛發(fā)明時是沒有前照燈的，一個駕駛員在黑暗的曠野上迷路時，一位農(nóng)民用手提燈把他引回家。1898年，哥倫比亞號電動汽車把電用于前燈和尾燈，這樣車燈就產(chǎn)生了。最初的前大燈不能調(diào)光，所以在會車時有些晃眼。 第一代汽車前照燈是乙炔氣前照燈 乙炔氣火焰的亮度比當時的電光源所能達到的亮度高出一倍，因而，在1925年以前使用的汽車前照燈幾乎全是乙炔前照燈。 第二代汽車前照燈是電光源前照燈 1913年帶螺旋燈絲的充氣白熾燈泡問世，因其具有較高亮度，給電光源前照燈開辟了廣闊的前景。 第三代汽車前照燈是雙光燈芯前照燈 為解決在交會車時因前照燈的強光造成駕駛員炫目而導(dǎo)致交通事故發(fā)生，雙光燈芯前照燈應(yīng)運而生。雖然雙光燈芯改善了會車時燈光炫目現(xiàn)象，但并沒有完全解決汽車車燈的配光問題。 第四代汽車前照燈是不對稱近光前照燈 雙光燈芯前照燈系統(tǒng)屬于對稱近光系統(tǒng)。為解決在會車過程中，前照燈既不產(chǎn)生炫目的強光，又能保證對道路具有良好的照明，1932年美國發(fā)明了不對稱前照燈。它是以基準軸為中心，將光束一分為二，靠近來車一側(cè)的落地距離短(即光束被壓低，從而防炫)，而另一側(cè)光束的落地距離長(即光束被抬高，從而增強照明效果)。 第五代汽車前照燈是鹵鎢前照燈 1964年法國斯貝公司生產(chǎn)出第一批裝有鹵鎢燈泡的汽車前照燈。該燈燈絲允許工作溫度較普通白熾燈泡高，光效增加約50％，壽命也增加一倍。此后汽車的前大燈照明也多采用了鹵鎢燈泡的原理。 第六代汽車前照燈是充氙氣燈泡 BEST 氙氣燈就是其中—種。該燈泡內(nèi)部填充優(yōu)質(zhì)的惰性氣體氙氣，并選擇高品質(zhì)的鎢絲和優(yōu)質(zhì)的石英玻璃管。使燈泡的使用壽命和亮度發(fā)揮到極致，亮度達到3200流明以上。此類燈泡因沒有改變原車燈泡的外形尺寸，所以不會產(chǎn)生聚焦不準的問題。這樣的燈泡聚光效課非常好，而且K值在4300K以上，色澤柔和、燈光白亮。 第七代汽車前照燈是氙燈泡(推薦使用) HID氙燈又稱高強度放電式氣體燈，英文是HID Higt-Intensity Discharge Lamp(簡稱HID)。該燈采用高電壓放電技術(shù)將氙氣(×enoN)灌入石英內(nèi)管，再透過精密安定器通過三次變壓將12伏特電力瞬間提高至23000伏特以上，激發(fā)管內(nèi)的氙電子游離，在兩電極間形成一束超強電弧光，使光色更亮，發(fā)出的光接近太陽光。 從早期乙炔氣前照燈發(fā)展到當今的自由面反射鏡氣體放電前照燈，差不多經(jīng)歷了120年的歷史。 HID 氙燈提升原車鹵素?zé)袅炼热叮珴筛�，色溫穿透力更強，照明范圍可擴大到400米，視野十分寬廣，性能更加穩(wěn)定，大大提高了夜間駕駛的安全性，因此受到了全球越來越多的汽車用戶的青睞。目前，在歐美、日本等國的中、高檔車中，有60％以上的新車配備了氙燈。國產(chǎn)車中目前也有奧迪A6和帕薩特領(lǐng)馭、索納塔等中高檔車安裝了H1D氙燈。預(yù)計未來兩三年，國產(chǎn)車裝備HID氙燈的車型會大大增加。HID氙燈取代鹵素?zé)粢呀?jīng)是大勢所趨。 二、HID氙燈的發(fā)光原理 汽車HID氙氣燈與傳統(tǒng)鹵素?zé)舨煌�，它是一種高壓放電燈。它的發(fā)光原理是利用正負電刺激氙氣與稀有金屬化學(xué)反應(yīng)發(fā)光，因此燈管內(nèi)有一顆小小的玻璃球，這其中就灌滿了氙氣并放置了少許稀有金屬。只要用電流去刺激它們進行化學(xué)反應(yīng)，兩者就會發(fā)出高達4000K～12000K色溫度的光芒。它采用一個特制的觸發(fā)器，利用汽車電池12V電壓產(chǎn)生23000V以上的觸發(fā)電壓使燈啟動。啟動0.8秒時的亮度是額定亮度的20％，達到鹵素?zé)舻牧炼�，同時，大燈將在4秒以內(nèi)達到額定亮度的80％以上。在燈穩(wěn)定后鎮(zhèn)流器向燈提供約80V供電電壓保持燈以恒定功率運轉(zhuǎn)。 氙金屬鹵化物燈的工作過程很復(fù)雜，需要高壓。根據(jù)汽車應(yīng)用場合，對氙金屬鹵化物燈在啟動過程和穩(wěn)定工作期間的光輸出特性都有許多嚴格的要求，需要有安定器進行控制與鎮(zhèn)流。因此近年來在高級車種中，已開始使用安定器驅(qū)動高強度氣體放電燈作為汽車頭燈的光源。 氙金屬鹵化物燈在啟動時需要將近23kV以上的高電壓脈沖，啟動后為了使燈管穩(wěn)定發(fā)光，在點火瞬間，必須要有一個適當?shù)碾妷汗┙o燈管續(xù)流。為了滿足燈在啟動與穩(wěn)態(tài)時的不同要求，目前—般的車燈用安定器的基本電路結(jié)構(gòu)包含四個部分，如圖1所示。 (1)直流升壓電路：由于目前汽車所使用的電源一般均為12V鉛蓄電池。而燈管穩(wěn)態(tài)電壓約為85V，因此必須經(jīng)過一級升壓電路將電池電壓升高。通常采用反激變換器Fly-bake Converter作為升壓電路，以提供燈穩(wěn)態(tài)工作所需的電壓與啟動電路所需的高壓。 (2)高壓啟動電路：由于點亮燈需要高壓脈沖才能使燈管擊穿并開始放電，因此需要高壓啟動電路。啟動電路可以采取一級或兩級升壓的方式來產(chǎn)生至少23kV以上的高壓脈沖。 (3)直流／交流變換電路：由于直流升壓電路的輸出為直流電，必須使用逆變電路將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)闊艄茳c亮后所需的交流方波電流。逆變電路一般都采用全橋逆變器。全橋逆變電路提供低頻交流方波電流給燈管，以避免諧振的發(fā)生。 (4)驅(qū)動與保護電路：燈管啟動時控制啟動電路，燈管點亮后，檢測是否有過壓、短路現(xiàn)象發(fā)生。通過檢測燈電壓與燈電流的的信號，來控制驅(qū)動電路和保護電路，使燈管能穩(wěn)定工作。 三、海爾HR6P62單片機特性 上海海爾集成電路有限公司是目前國內(nèi)第一家專業(yè)從事MCU設(shè)計研發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)。研發(fā)的通用型及專用型8位微控制器芯片，具有高抗干擾、高可靠性的特點，能幫助客戶提高系統(tǒng)性能，降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險，減少系統(tǒng)總成本以及縮短產(chǎn)品面市時間。公司HR6P系列MCU采用48條精簡指令集高性能架構(gòu)設(shè)計，具有豐富的外圍接口電路和良好的代碼保護機制，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家電、電表、汽車電子、工業(yè)控制系統(tǒng)。在HID安定器應(yīng)用中，海爾推薦客戶選用HR6P62單片機進行設(shè)計開發(fā)。 HR6P62單片機具有如下特點： ◆高性能的RISC CPU結(jié)構(gòu)，高速OTP CMOS工藝，僅48條精簡指令 ◆除部分程序跳躍指令需要兩個指令周期外，其余都只需要一個指令周期 ◆工作速度：DC-20MHz指令周期：最小為200ns，一個指令有4個時鐘周期 ◆支持8級硬件堆棧結(jié)構(gòu) ◆直接、間接和相對尋址三種方式 ◆程序存儲器為2k×16位的OTP；數(shù)據(jù)存儲器為224字節(jié) ◆內(nèi)嵌上電復(fù)位電路、掉電復(fù)位電路，支持硬件看門狗 ◆支持編程代碼保護 ◆運行電壓范圍：2.7V～5.5V；可運行的溫度范圍：-40℃～85℃ ◆16組I／O引腳，采用SOP20／SOP18／PDIP18／PDIP14封裝 ◆TIMER0：帶有8位預(yù)分頻器的8位定時器／計數(shù)器 ◆TIMER1：帶有預(yù)分頻器的16位定時器／計數(shù)器 ◆TIMER2：帶有周期寄存器、預(yù)分頻器和后分頻器的8位定時器 ◆一路CCP：捕捉器／比較器模塊／脈寬調(diào)制器模塊 ◆高速同步／異步發(fā)送／接收器HUSARTHR6P62芯片豐富的內(nèi)部資源，為HID安定器系統(tǒng)設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)。 四、基于HR6P62單片機的HID控制系統(tǒng)設(shè)計 HID 燈的點燃主要分為四個過程：1．高壓生成，依據(jù)燈的老化狀態(tài)和冷熱狀態(tài)，生成大約在2萬伏左右的高壓；2．高壓擊穿，高壓把處于絕緣態(tài)的HID燈內(nèi)氣體擊穿，燈的阻抗迅速下降；3．高壓停止工作，這時HID燈進入恒功率調(diào)整狀態(tài)；4．HID達到穩(wěn)態(tài)后進入穩(wěn)定管理狀態(tài)。從上述四個過程可以看出HID燈的控制過程比較復(fù)雜，不同廠商的HID燈特性往往不相同。如何使安定器與不同特性曲線的HID燈實現(xiàn)最佳匹配，是各HID安定器生產(chǎn)廠商必須重點研究解決的問題。安定器設(shè)計的好壞對于HID燈的壽命、可靠性方面具有非常重要的影響。 HR6P62H芯片核心采用兩級流水線，哈佛型RISC結(jié)構(gòu)并集成了眾多外圍器件如模擬比較器電路、參考電壓模塊、硬件看門狗、一個16位定標計時／外部計數(shù)器、一個8位定標定時／外部計數(shù)器、一個帶有周期寄存器的 8位定標定時器、一路CCP(捕獲／比較／脈寬調(diào)制)模塊、HUASRT(高速同步／異步接收發(fā)送器)模塊和8位4通道ADC模塊。支持低功耗睡眠模式、外部中斷、PB口高4位變化中斷等，具有強大的中斷處理能力，能處理8級中斷。數(shù)據(jù)存儲器存儲深度為224×8位。程序存儲器存儲深度為2k×16位。尋址方式有直接尋址、間接尋址和相對尋址三種。片內(nèi)有上電復(fù)位和掉電復(fù)位電路，16個雙向口。采用HR6P62芯片設(shè)計，整個HID安定器控制電路將變得非常簡單。利用內(nèi)部軟件的設(shè)計，又保留了控制的靈活性。通過軟件，微控制器可以檢測和發(fā)出信號，實現(xiàn)HID燈的冷熱啟動，功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，燈異常保護等功能�；贖R6P62單片機的HID安定器的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 車載直流電源通過DC／DC變換器給高壓點火電路提供能量，點火成功后給HID燈的正常運行提供能量。全橋逆變控制器將直流電壓逆變?yōu)楦哳l方波電壓。 HR6P62單片機則控制開始時電容充電放電，打火后的賦能，正常運行時的逆變控制及各系統(tǒng)工作狀態(tài)的檢測。HID燈的運行包括以下四個階段： 1．電容充電點火階段 HR6P62 單片機控制程序通過DC／DC變換器的母線電容進行400V恒壓閉環(huán)，倍壓整流輸出電壓通過過放電電容進行充電，逐漸使放電電容充電至600V。在高壓包原邊的放電電容達到600V后，就會對放電管擊穿放電，在高壓包的副邊瞬間產(chǎn)生一個23kV～30kV的高壓脈沖。 2．穩(wěn)弧賦能階段 一旦高壓脈沖擊穿氙氣燈，燈阻抗會立即降到幾十歐姆。 這時需要3A～12A的電流來維持電弧的穩(wěn)定。電弧穩(wěn)定以后，HID燈的特性將完全取決于它的初始溫度。熱啟動的HID燈的電壓會保持在85V左右，而冷啟動的HID燈的電壓會維持在20V左右。因此，冷啟動時需要一定的賦能時間來提供足夠的能量，以保證HID燈能正常工作。 3．降功率階段 HID燈啟動后如果功率下降慢了會影響燈的壽命，下降太快又容易導(dǎo)致燈熄滅，因此對冷啟動來說，燈功率要在10s內(nèi)降到正常允許的范圍，以使HID燈電壓穩(wěn)定到85V左右。而熱啟動情況下，—般不會產(chǎn)生熄滅的危險，所以燈功率可以降得快一些。 4．穩(wěn)定運行階段 經(jīng)過降功率階段，HID燈即進入穩(wěn)定運行階段。這個階段HID燈的電壓取決于初始燈的狀態(tài)和壽命，一般為80V～100V，使HID燈的功率保持在額定范圍，從而保證HID的使用壽命。 五、HID燈控制系統(tǒng)的發(fā)展 HID安定器的發(fā)展經(jīng)歷了模擬、模擬加數(shù)字和全數(shù)字控制3個主要階段。目前處于向數(shù)字控制全面過渡的時期。 模擬控制以其響應(yīng)速度快、使用方便的特點，在HID燈的發(fā)展初期得到廣泛應(yīng)用。但模擬控制器也存在明顯的缺點，如難以實現(xiàn)標準化、集成化，同時，模擬電路設(shè)計復(fù)雜，需要對各項參數(shù)進行調(diào)整，不利于大規(guī)模流水化生產(chǎn)。 模擬加數(shù)宇混合控制是目前較常用的控制方法。所謂的數(shù)�；旌峡刂凭褪窍到y(tǒng)的閉環(huán)控制中既有數(shù)字控制，也有模擬控制。整個HID燈控制系統(tǒng)是一個雙環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)是功率環(huán)、電流環(huán)或者電壓環(huán)，而內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。由于內(nèi)環(huán)實現(xiàn)PWM控制，因此要求很快的響應(yīng)速度。最典型的一種數(shù)�；旌峡刂凭褪鞘褂靡粋�快速內(nèi)部模擬電流環(huán)路和一個帶寬較小的廉價外部數(shù)字控制環(huán)路的混合控制方案。 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字芯片的功能不斷強大，成本不斷降低，使得全數(shù)字HID燈控制系統(tǒng)成為當前研究的熱點。由于系統(tǒng)采用MCU進行AD采樣控制，使得大批量生產(chǎn)的HID燈安定器的質(zhì)量穩(wěn)定性大幅提高。原有模擬方案輸出功率控制精度大約為±2W，而采用數(shù)字控制后，輸出功率控制精度可以控制在±0.5W以內(nèi)。同時，單片機控制整個系統(tǒng)回路，可以實現(xiàn)完善的HID控制曲線。單片機豐富的資源，大大簡化了HID燈安定器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)HID安定器的小型化和扁平化。單片機快速檢測和判別系統(tǒng)狀態(tài)，可以有效提高HID燈的安全性能。因此，全數(shù)字HID燈安定器具有以下幾個優(yōu)點： (1)啟動前控制全橋開關(guān)給放電電容充電，啟動后控制全橋先工作在直流模式，然后進入交流工作模式。 (2)根據(jù)燈的冷熱情況，對燈直流工作時間和電流的大小進行控制。 (3)精確控制燈在啟動過程中的功率，使燈啟動特性符合Vedilis曲線。 (4)使燈在燈電壓正常工作范圍內(nèi)保持恒功率狀態(tài)。 (5)對電池電壓進行過壓和欠壓保護。 (6)對燈進行燈電壓過壓和欠壓保護、燈電流過流保護。 所以，全數(shù)字HID燈控制系統(tǒng)將會在今后的安定器市場中得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用全數(shù)字控制實現(xiàn)方法無疑是HID燈安定器未來的發(fā)展方向。 |
