汽车车身控制器输入电路的设计与分析

薛勇

锡林郭勒职业学院汽车系 内蒙古锡林郭勒盟 026000

随着近年来汽车行业的不断发展，对汽车在使用中的安全性和智能性要求也在不断提高，随着大部分技术例如嵌入式系统、局域网技术等各种电子信息技术的成熟，大部分技术例如嵌入式系统、局域网技术等的飞速发展，对BCM的需求与应用也更加广泛，本文通过进行对汽车车身控制器的输入电路方面进行设计和分析，希望能优化现如今汽车车身控制器使用方法。

1 汽车车身控制器概述

汽车车身控制器又称为BCM（Body Control Module），即车身控制模块，BCM集成了如下功能，车载电源控制、网关、车灯控制系统、雨刮器控制系统、车锁控制系统，通过对汽车中的收发器进行控制，实现了汽车的能源管控，例如对汽车的用电调度与管控、舒适性管控例如座椅调节、车内温度调节、胎压自动检测等，安全性管控例如门锁、车顶天窗和汽车后备箱锁控制和灯光管控例如车灯的使用与控制、车内照明和操作台仪表背光调节等。BCM模块主要有四大部分构成，分别为电源回路、输入回路、输入回路、MCU回路。根据输入车身信号的不同可分为模拟信号和数字信号，根据输入信号的不同，BCM处理的方式和方法也不尽相同，当BCM输入端通过传感器和开关等接收到信号时，信号要进入BCM系统进行信息的传递时，首先要先经过接口电路即输入电路将接收到的各种信号转化为BCM可识别的信号。BCM再通过内置的逻辑处理系统进行分析和整理，然后将信息传递给输出回路，由输出回路将BCM处理后的信号转化成各驱动元件的执行电信号，BCM驱动的元件包括控制各类电子设备工作的继电器、各类车内或车载系统的开关、机械设备的电机和电磁阀门等。从而实现车身控制的目的。车身电子控制系统主要是用于增强汽车的安全、舒适和方便性。还有用于和车外连接，以及协调整车各部分的电子控制功能[1]。BCM在应用上具有很强的扩展性，通过主从控制方式，BCM作为主控单元可与多个从空单元进行连接，减少了从空单元之间联系的复杂性，从而减少了故障风发生概率和布线成本等。在未来，各电子设备的功能越来越多，各种功能都需要通过BCM来实现，使得BCM功能更加强大；各电子设备之间的信息共享越来越多，一个信息可同时供许多部件使用，要求BCM的数据通信功能越来越强；单一集中式BCM很难完成越来越庞大的功能，因需要BCM系统综合控制的功能，因此在BCM在接收信号的时候，会接收到各种各样和数量繁杂的信号，所以保证信号能通过输入电路转化是BCM实现对车身控制的基础。当输入电路或者信号采集部分出现问题不能保证输入信号的有效性，就会出现车身控制故障。

2 输入电路设计

2.1 模拟信号采集电路设计

模拟信号采集就是将连续且变化的物理量如电压、电流、压强等作为输入信号，对于汽车车身控制器BCM系统来说，一般收集的模拟信号来源为门窗的开关信号、中央控制开关信号、后备箱开关信号、仪表盘数据显示信号等[3]。以车门开关信号采集电路为例，电容C1为了消除静电，防止静电通过电磁干扰影响静电阻抗器C1取值为30nF，C2是滤波电容取值为5nF，R1和R2为分压电阻，取 值 分 别 为R1=15KΩ、R2=30KΩ，Vbat为上拉电源，取值为5V，模拟信号采集电路运行规则为，当车门开关处在闭锁档位时候电阻此时为OΩ，产生强电流信号。当进行车门开锁时，电阻起到作用，限制通过的电流信号此时处于低电平状态，通过对电流信号的判别，来控制模拟信号是否要通过采集电路输入到BCM的微处理进行判断。

图1 模拟信号采集电路图

2.2 数字信号采集电路设计

本次设计的采用的数字信号为PWM信号。常见的车身控制中的PWM信号为仪表盘背光调节信号，车辆碰撞事故信号等，这类信号是由BCM中微处理器产生，由于是数字信号，所以对PWM信号的失真度要求较高，当信号处于失真状态时，会导致BCM中处理器的误判，导致控制系统的失灵。数字信号采集电路在设计方向上与低边开关电路设计大体相同，而数字信号采集电路与之不同之处在于，数字信号采集电路在上拉电源Vbat的控制方式上，不采用开关控制电路的控制方式，在此基础上，在线路的连接方式中数字信号采集电路要与BCM中微处理器PWM捕获口直接连接，保证脉冲信号的稳定性和可靠性[4]。

2.3 高边开关输入电路设计

相对于外部负载，将半导体的开关设置在上侧电路即电源侧的开关设置方式叫做高边开关也叫做高边驱动。电容C1和C2作用是为了消除静电，防止静电通过电磁干扰影响静电阻抗器，电容C3为滤波电容。R1和R2为下拉电阻，起到吸收浪涌电流的作用，R3和R4为分压电阻，对输入电压进行调节分配。半导体D1可保证内部回路不受外部电压的影响。

各部件取值为：C1=50nF，C2=50nF，C3=10nF，R1=1.5KΩ，R2=1.5KΩ，R3=120KΩ，R4=150KΩ。

图2 高边开关输入电路设计图

2.4 低边开关电路设计

与高边开关相反，底边开管设置在外部负载的下侧电路中。Vbat为电源，采用脉宽宽度调制式开关，Vbat在一个脉冲循环内，通电时间占总时间的一半，其工作模式如下：随着BCM系统的工作而工作，当BCM系统被唤醒时，电源投入使用进行供电工作。例如汽车车身的灯光控制开关系统，其次是一直工作也称常工作，在随着BCM工作而工作的基础上，当BCM休眠即停止工作时，以低占空比进行运行，从而达到保持BCM系统中的静态电流小于休眠电流要求，日常用于汽车喇叭开关等。IN为输入信号输入端，OUT输出信号端口，电容C1为了消除静电，防止静电通过电磁干扰影响静电阻抗器，因该电路输入底边开关，所以相对输入的信号频率不高，则电容的选取为C1=20nF，如遇到外部开关上带有负载的情况，为了提高耐压等级需要在电容的选取上要多加装一个并和C1串联连接，C2为滤波电容用来滤除交流成分，使输出的直流电更加平滑，防止开关弹跳[5]。本设计在根据软件调试后，C2的取值为30pF，防反二极管D1的作用为通过二极管D1可保证内部回路不受外部电压的影响，防止产生模块互相之间的干扰，R1为上拉电阻取值为1KΩ、R2为分压电阻、R3为分压电阻取值均为100KΩ，确保电流超过湿热电流10A。

图3 低边开关电路设计

3 接口电路匹配

对于汽车中存在的多个采集电路采集同一个信号的情况，为了避免多个模块之间相互影响，需要对多个模块的内部接口电路进行设计，保证其接口电路能匹配使用。

3.1 近光灯接口电路匹配

由于近光灯在夜间行车的重要性，为避免单一BCM系统出现故障而导致CAN信号没有传达给车内智能灯光模块进而使近光灯开启控制失效，因此在BCM对信号的采集的基础上，车内智能灯光模块对信号进行了采集，当BCM出现问题导致传输的近光灯开启命令的CAD信号丢失后，车内智能灯光系统会自主采集信号来进行对近光灯的控制[6]。下图为某品牌汽车的近光灯电路设计，在汽车控制及电路设计中，除特殊情况外，一般将启动表述为ON，将关闭表述为OFF。当汽车的点火启动档位处于ON档位时，PWM电源处于高电平时，BCM和车内智能灯光在采集电路近光灯信号互不影响，近光灯的控制可以正常进行。当汽车的点火启动档位处于OFF档位时，汽车出去未启动的状态，此时BCM内部的上拉PWM电源的占比空为50%，处于低电平的工作状态，低电平的信号通过线路1会传送至车内灯光控制系统的接口电路的晶体管VT1基级上，导致晶体管收到低电平信号从而导通（此时②处的二极管尚未安装），车内智能灯光系统中的微处理器（MCU2）会接收到有效的开启近光灯的输入信号，从而导致车内智能灯光系统进入运行状态，在整车的CAN模块系统中，当其中的一个节点未进行网络休眠，会导致CAN系统在网络管理中无法建立闭环，从而导致整车无法休眠，进而提高整车的静态电流增大，导致汽车馈电。在本系统的接口电路匹配中，在②处加装在二极管，可避免当BCM上拉PWM电源处于低电平时放出的低电平信号影响车内智能灯光控制系统。

3.2 车速采集电路接口匹配

以下图6中车速采集模块电路为例，车速输出模块对车速采集模块进行信号输出，当启动开关处于ON档位时BCM内部的车速采集电路和其他控制单元接收电路互不影响，能够保证车速信息的采集，保证输入电路的稳定，当汽车启动档位处于0FF时，此时BCM内部的上拉电源的占空比为50%，由于一个接收电路的上拉电源设计为12V高电平的信号会通过两个采集系统并联处，由其他控制单元传送至BCM内部接收单元，但由于BCM内部接收电路在接口处设置防反二极管VD1，就导致BCM中的MCU微处理器接收不到外部的电平变化，进而导致无法获得正确的信号，导致控制供能受损，为保证两个电路接口匹配，应将其他控制单元接收电路单元的上拉电源与BCM内部接收电路的上拉电源保持一致，进而保证接口电路不会互相产生影响，即应将上拉电压5V更改为15V。

图4 近光灯接口电路设计图

图5 车速采集电路接口设计图

4 结语

随着现代汽车功能的愈加复杂，对于BCM的综合控制能力的要求也越来越高，那对于最为BCM控制的第一道关口的输入电路的设计就显得更加重要，保证输入电路的设计和匹配的合理性，才能保证输入信号的准确与稳定，更好地提高BCM在汽车车身控制中的实用性，为BCM技术的优化打下良好的基础。