杨少柏 李伟 王林华 张扬清 张家文
摘 要：汽车空调控制系统在整个汽车空调系统中类似于大脑，影响汽车空调控制逻辑和车内环境温度控制的准确性，直接关系用户在车内舒适程度体验。本文主要介绍以飞思卡尔MC9S12G128单片机为主控芯片，集成CAN，LIN通信，多种传感器采集和多执行器的控制系统，该系统已成功使用于商用车领域。
关键词：汽车空调;飞思卡尔MC9S12G128单片机;控制系统
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2020）05-0096-05
Abstract： The automobile air conditioning control system is similar to the brain in the whole automobile air conditioning system， which affects the control logic of automobile air conditioning and the accuracy of the temperature control in the car， and directly relates to the user's comfort experience in the car. This paper mainly introduces the control system with freescale MC9S12G128 MCU as main control chip， integrated CAN， LIN communication， a variety of sensor acquisition and multi-actuator， which has been successfully used in the field of commercial vehicles.
Key Words： Automotive Air Conditioning; Freescale MC9S12G128 Single-chip; Control System
隨着汽车半导体技术的日益发展，芯片在汽车中运用的越来越多，汽车中电子化智能化的零件会越来越多，汽车空调的智能化程度也越来越被客户重视，以往机械化的空调在目前的市场中很难达到客户的要求。同时汽车市场竞争越来越激烈，只有更加智能的温度调节系统才能在前市场中脱颖而出，才能为客户提空更加舒适的车内气候环境。
该汽车空调控制系统使用飞思卡尔MC9S12G128 单片机为主控芯片，对蒸发器温度传感器，室内室外温度，PM2.5，阳光传感器周期性采集。通过驱动芯片L9826驱动步进电机控制混合风门，模式风门，内外循环风门。同时协调鼓风机，冷凝风扇，压缩机最终达到客户对环境舒适度的要求。
1 汽车空调温控原理
整个温控系统是基于空调壳体进行控制的，空调通过步进电机改变门风的位置从而改变出风模式，此汽车空调系统中模式风门通过步进电机改变出风位置达到改变吹风模式的功能，如吹脸，吹脚等模式。内外循环风门通过步进电机改变出风位置选择外循环和内循环。混合风门也是同样的道理。最终配合驾驶舱内外温度调节鼓风机，压缩机转速使整个驾驶舱环境温度达到客户舒适的程度。汽车空调系统框图如图1所示：
2 硬件电路设计
2.1 主控芯片
当前市场上出售的单片机种类非常多，但是在能够满足汽车要求的单片机中，飞思卡尔单片机具有精简指令集、运行速度快，芯片实时性好、IO带负载能力强、可靠性强的优势，而飞思卡尔单片机中MC9S12G128是经过一系列优化后的16bits MCU，其优点是成本低，功耗低，功能集成度高，PIN脚少但复用度高。Flash memory 128Kbytes，三路SCI，SPI，八路PWM，十二路10bit ADC，同时具备看门狗定时器，能有效防止电压波动、emc、软硬件意外故障造成的死机现象，片内也有二极管保护电路，远远达到产品的需要。
2.2 步进电机驱动电路
控制风门的步进电机为四相步进电机。驱动芯片选用ST公司的L9826芯片，该芯片是一个八路低侧驱动芯片专用于汽车领域，有片选引脚NCS和复位引脚NRES，通过SPI控制八个out的输出，其中CLK为时钟引脚，SDO为数据输出，SDI为数据输入。另外该芯片输出电流能力可以达到450Ma，且具有过压、欠压，负载短路、过热等保护，完全可以满足步进电机对驱动能力的要求。因为模式风门，混合风门，内外循环风门使用了三个步进电机，所以此控制器使用了两片L9826芯片。
2.3 CAN总线驱动
该控制器的CAN通信使用恩智浦半导体公司的TJA1042芯片，这款芯片是专门为汽车行业高速CAN通信设计，传输速率能够达到1MBITS/S，比TJ1040有更强的抗静电能力，并且完全符合ISO11898标准。
2.4 Lin总线驱动
为了满足控制器对不同车型的兼容性和平台化研发需要，该控制器同时集成了LIN功能，选用了NXP的TJA1021芯片，NXP 公司的TJA1021是LIN 2.0/SAE J2602收发器。它在本地互联网络（LIN）主/从协议控制器和LIN中物理总线间进行接口。TJA1021和LIN 2.0/SAE J2602标准兼容，在车内的子网络的波特速率从1 kBd 到 20 kBd。TJA1021与TJA1020是兼容的，在TJA1020基础上加强的静电保护能力。
2.5 鼓风机驱动电路
因为空调系统中有简单调速模块，所以单片机只需要输出PWM信号经过积分电路和运放就可以实现鼓风机调速，通过改变PWM信号的占空比来改变鼓风机的端电压，从而实现鼓风机的调速功能。
2.4 ADC采集电路
该电路为典型的ADC采集电路，加入RC提高抗干扰能力，通过该电路采集蒸发器温度传感器，室内室外温度传感器和吹脚温度传感器等各类传感器电压。单片机AD引脚为10bits所以精度准确。配合传感器RT表可以准确的显示需要的数据。
3 软件设计
3.1 软件设计平台
该控制器软件编程部分是在codewarrior IDE平台实现，并使用平台自动生成软件功能PE，完成底层驱动代码自动生成，免除了繁琐的寄存器配置。只需要对生成的函数进行调用。例如ADC驱动，PWM驱动，CAN总线和LIN总线，SPI，SCI都可以直接通过PE生成已经配置好寄存器的封装函数，大大减少了研发时间，提高了研发效率。
3.2 系统软件设计
因为使用大家最常用的c语言编程，软件可读性非常强，方便了后期的维护升级。程序主要包括初始化，传感器检测采集，自动控制计算，风量控制，各种风门的控制，压缩机控制等，主程序任务调度如图8所示：
系统开机后首先进行系统初始化，对单片机IO端口，AD模块，spi，定时器，can lin等进行初始化设置，接着使用时间片调度的方法，对任务进行调度，优先级高的任务执行先于优先级低的任务，每10ms采集一次电池电压和发动机状态，并且接受LIN总线或者CAN总线发过来的信息。每50ms完成控制逻辑判断，执行相应的执行器，鼓风机，冷凝风扇，压缩机等，每100ms该控制器通過can总线或者Lin总线将状态信息发送给整车或者其他控制器。
在此过程中主程序会加上看门狗清零程序，每隔一段时间就会使用看门狗清零，一旦没有清零，看门狗溢出，就会发出复位信息，单片机就会产生复位。
4 硬件PCB及软件通信验证
使用ORCAD中的ALLEGRO完成PCB的布局布线，该控制器使用4层板设计，数字信号线与模拟信号线严格划分，避免信号间的干扰。驱动电路的布线在可以走宽线时尽可能的加宽。对于晶振的部分，信号线差分对称。整个布线效果见图9：
通过MUXTRACE软件可以时时监控控制器信号的收发情况，能够直观的反应控制的软件的工作情况，如图10可以看见该系统收发正常，
具体协议需要见图11，不同车企对协议的制定不同，这里不做具体讨论。
5 总结
该控制器使用飞思卡尔16位单片机作为MCU，硬件方面严格通过了第三方EMC实验室测试。软件方面使用时间片调度的方式使代码整洁易读，方便维护，且不同任务之间不冲突，实时性高，负载率低。目前该控制机已经使用在多家整车厂，能够在各种工况下正常工作，可靠性强，得到客户的广泛好评。
参考文献：
[1]王若平. 汽车空调[M]. 北京：机械工业出版社，2011.
[2]辜宇. 车载空调控制系统开发[D]. 成都：电子科技大学，2016.
[3]赵淑英. 模块化生产网络对技术创新的影响[D]. 沈阳：辽宁大学，2014.
[4]郑震璇. 基于PIC单片机的汽车空调控器设计[J]. 机电技术，2009（2）：37-40.
[5]苏庆列，王麟珠. 模糊免疫PID在电动汽车空调控制系统中的应用[J]. 湖北理工学院学报，2014（5）：15-18.
[6]朱元成，熊伟国，吴群. 电动空调在汽车领域的应用解析[J]. 科技创新与应用，2017（3）：166.
[7]姚鸿强. 基于MCU的巴士空调控制器[J]. 汽车电器，2009（6）：17-21.
[8]李志刚. 负温度系数热敏电阻匹配电路设计. 数字通信，2013（41）：69-70.
[9]廖 应 生. 基 于 汽 车CAN总 线 的 空 调 控 制 器Bootloader的设计[J]. 机电技术，2015（2）：104-106.
[10]徐进，李金寿. 汽车空调控制系统的现状和发展趋势[J]. 装备制造技术，2014（11）：242-243，249.
[11]王苏. 直流电机PWM调速研究及单片机控制实现[J]. 机电工程技术，2008，37（11）：82-85.
[12]回春，田韶鹏，徐达伟. 汽车空调控制面板综合检测系统研究[J]. 武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2015，37（6）：693-697.
[13]丁浩，谷小红，来雨霏. 汽车空调用热力膨胀阀性能测试系统的研制[EB/OL]. 机电工程，2015，32（6）：817-820.[J]. 北京理工大学学报，2016，36（1）：13-18.
[20]ELMOS Semiconductor AGE910. 01 Datasheet [EB/OL]. www.elmos.de.2013
[21]ASAM-XCP-Part2-Protocol-Layer- Specification- V1-1[OL]. www.asam.net
[22]HU Jian，YANG Zheng-lin，ZHANG Tong. Hybridelectric vehicle controller based on XCP protocol calibration ystem[J]. Journal of Automotive Technol-ogy，2010，5（4）：2-4.
[23]RENESAS Corporation RH850/F1L Datasheet [EB/OL]. www.renesas.com.2016.
[24]Masatoshi Mitsuiu. Improvement of refrigerant flow control method in automotive air-conditioners. SAETrans，1987（96）section l：167～178. IEEE，Decem-ber 1990：1590-1591.
