CN112286271B - 一种基于单片机的bss通信低驱电压调节器 - Google Patents

一种基于单片机的bss通信低驱电压调节器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器。包括MCU主控模块；提供5V电压的电源转换模块；控制发电机励磁电流的励磁电流驱动模块；采集发电机转子中工作电流的励磁电流采样模块；频率及电压处理的相信号采集模块；对B+端电源电压进行采集处理的电压采集模块；发送和接受BSS通信信号的通信收发模块；用于温度采集的温度监测模块。本发明的MCU主控模块使用PIC单片机，PIC单片机使用精简指令集，寄存器配置简单，软件易于实现，可移植性强；电源转换模块使用LDO线性稳压器，噪音低，静态电流小，整个供电稳定可靠，提高整个系统抗干扰能力；整个线路结构简洁，成本低，能适用所有低边MOSFET驱动电压调节器。

Description

一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器
技术领域
本发明涉及一种电压调节器，具体是一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器。
背景技术
BSS通信汽车电压调节器的一种智能调节器，它可以实时监测汽车发电机的相关参数，如发电机励磁电流、发电机工作温度、发电机工作转速、发电机工作电压等，并将这些数据实时传输给ECU，方便ECU根据整车工作状态有效合理的调整发电机工作状态。这样不仅可以提高整车的舒适性，而且可以提高整车的能效，并且能与本地BSS网络集成，为汽车交流发电机提高增强型控制功能。
BSS通信的目的是通过数字协议实时控制主要电气参数，如电压调节和负载响应时间等，在特定的操作条件下，ECU通过一个特定的指令直接控制，再通过相同的BSS向ECU提供连续反馈数据。在丢失BSS链路的情况下，将保持默认模式操作。
目前这类调节器技术为一些国际大厂所拥有，他们将此类调节器做成集成功能单芯片，不能修改线路或调整相应功能，技术封闭不对实车开发，芯片定价非常高。为了打破市场垄断，降低产品成本，提高市场竞争力，我们使用汽车级单片机开发了设计了BSS通信电压调节器。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器，供电稳定可靠，噪音低，静态电流小，整个系统抗干扰能力强；整个线路结构简洁，成本低，能适用所有的低边MOSFET驱动电压调节器。
为了实现上述目的，本基于单片机的BSS通信低驱电压调节器，包括采用PIC16F1509单片机的MCU主控模块；为MCU主控模块及其他电路模块提供5V电压的，采用LDO线性稳压器的电源转换模块；用于控制发电机励磁电流的励磁电流驱动模块；用于实时采集发电机转子中工作电流的励磁电流采样模块；用于频率及电压处理的相信号采集模块；对B+端电源电压进行采集处理的电压采集模块；用于发送和接受BSS通信信号的通信收发模块；用于温度采集的温度监测模块。
进一步，所述MCU主控模块的PIN18脚为VDD，接5V电源；PIN17脚接公共地；PIN1脚为复位脚，接上拉电阻R2和滤波电容C3；PIN2脚作为输出端口，输出200HZ定频PWM信号；PIN4脚作为检测MOSFET是否过流的输入端口；PIN5脚作为检测MOSFET流过的电流值的输入端口；PIN9脚作为检测电源B+端电压的输入端口；PIN10脚检测Phase信号P端的频率和电压；PIN13脚为BSS通信数据的输出控制端；PIN14脚作为检测调节器工作环境温度数据的输入端口；PIN20脚为BSS通信数据的接收端。
进一步，所述电源转换模块中，IC3芯片为LDO线性稳压器芯片；电源B+端通过限流电阻R1后接IC3芯片的PIN1脚和PIN3脚；稳压管ZD1和电容C1接PIN1脚、PIN3脚和地之间；稳压管ZD1作为18V过压保护；PIN5脚输出5V电压；电容C1和C2做滤波稳压。
进一步，所述励磁电流驱动模块中，电阻R4和电阻R5接MCU主控模块的PIN2脚；电阻R4另一端接MOSFET Q1管；二极管D1为续流二极管；电阻R11为采样电阻。
进一步，所述励磁电流采样模块中，采样电阻R11两端的信号经电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19做差分输入，送入IC2芯片中的运放1的正负极IN1+和IN1-，经运放放大后由OUT1脚输出；经电阻R12和电容C5后送入MCU主控模块的PIN4脚和PIN5脚，PIN5脚作为AD采样实时电流，PIN4脚中断作为电流过流保护。
进一步，所述相信号采集模块中，电阻R22、电阻R24、电容C9为低通滤波器；电阻R23、电阻R25、电容C8为高通滤波器；P端的发电机相信号通过高低通滤波器处理后，送入IC2芯片中的运放2的正极IN2+，进行信号放大，电阻R20和电阻R21控制信号的放大倍数，放大后的信号由运放2中的OUT2脚输出经电阻R15和电容C7后，送入MCU主控模块的PIN10脚。
进一步，所述电压采集模块中，电源B+端经电阻R13和电阻R14进行分压，经电容C6进行滤波，经稳压管ZD3进行稳压后接MCU主控模块的PIN9脚；稳压管ZD3稳压值为4.7V用于过压保护。
进一步，所述BSS通信收发模块中，MCU主控模块的PIN13脚输出数字控制信号，经电阻R8、电阻R10后控制三极管Q2的开关，三极管Q2的集电极接电阻R6接BSS端，三极管Q2的开关实现对BSS通信数据的输出控制；BSS端经电阻R7和电阻R9分压，经稳压管ZD2后输入MCU主控模块的PIN20脚。
进一步，所述温度监测模块为通过主控模块MCU的PIN14脚接电阻R3和二极管D2公共端，电阻R3另一端接5V供电，二极管D2另一端接地。
与现有技术相比，本发明的MCU主控模块使用PIC单片机，PIC单片机使用精简指令集，寄存器配置简单，软件易于实现，可移植性强；电源转换模块使用LDO线性稳压器，噪音低，静态电流小，整个供电稳定可靠，提高了整个系统的抗干扰能力；整个线路结构简洁，成本低，能适用所有的低边MOSFET驱动电压调节器。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的外围电路连接图；
图中：1、MCU主控模块；2、电源转换模块；3、励磁电流驱动模块；4、励磁电流采样模块；5、相信号采集模块；6、电压采集模块；7、通信收发模块；8、温度监测模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本基于单片机的BSS通信低驱电压调节器，包括采用PIC16F1509单片机的MCU主控模块1；为MCU主控模块1及其他电路模块提供5V电压的，采用LDO线性稳压器的电源转换模块2；用于控制发电机励磁电流的励磁电流驱动模块3；用于实时采集发电机转子中工作电流的励磁电流采样模块4；用于频率及电压处理的相信号采集模块5；对B+端电源电压进行采集处理的电压采集模块6；用于发送和接受BSS通信信号的通信收发模块7；用于温度采集的温度监测模块8。
电源转换模块2使用LDO线性稳压器，噪音低，静态电流小，整个供电稳定可靠，提高了整个系统的抗干扰能力。MCU使用PIC单片机，PIC单片机使用精简指令集，寄存器配置简单，软件易于实现，可移植性强。整个线路结构简洁，成本低，能适用所有的低边MOSFET驱动电压调节器。
进一步，所述MCU主控模块1，使用PIC16F1509单片机，共20只引脚，PIN18脚为VDD，接5V电源；PIN17脚接公共地；PIN1脚为复位脚，接上拉电阻R2和滤波电容C3；PIN3、6、7、8、11、12、15、16、19脚未使用；PIN2脚作为输出端口，输出200HZ定频PWM信号，控制MOSFET打开占空比；PIN4脚作为检测MOSFET是否过流的输入端口；PIN5脚作为检测MOSFET流过的电流值的输入端口；PIN9脚作为检测电源B+端电压的输入端口；PIN10脚检测Phase信号P端的频率和电压；PIN13脚为BSS通信数据的输出控制端；PIN14脚作为检测调节器工作环境温度数据的输入端口；PIN20脚为BSS通信数据的接收端。
进一步，所述电源转换模块2中，IC3芯片为LDO线性稳压器芯片，使用MIC5205，稳压5V，精度为1%，静态电流小，噪声低；电源B+端通过限流电阻R1后接IC3芯片的PIN1脚和PIN3脚；稳压管ZD1和电容C1接PIN1脚、PIN3脚和地之间；稳压管ZD1作为18V过压保护；PIN5脚输出5V电压；电容C1和C2做滤波稳压。
进一步，所述励磁电流驱动模块3中，电阻R4和电阻R5接MCU主控模块1的PIN2脚；电阻R4另一端接MOSFET Q1管，控制MOSFETQ1的开关占空比,实现对发电机转子励磁电流的调控；二极管D1为续流二极管，防止转子产生高压；电阻R11为采样电阻，用于转子电流检测。
进一步，所述励磁电流采样模块4中，采样电阻R11两端的信号经电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19做差分输入，送入IC2芯片中的运放1的正负极IN1+和IN1-，经运放放大后由OUT1脚输出；经电阻R12和电容C5后送入MCU主控模块1的PIN4脚和PIN5脚，PIN5脚作为AD采样实时电流，PIN4脚中断作为电流过流保护。
进一步，所述相信号采集模块5中，电阻R22、电阻R24、电容C9为低通滤波器；电阻R23、电阻R25、电容C8为高通滤波器；P端的发电机相信号通过高低通滤波器处理后，送入IC2芯片中的运放2的正极IN2+，进行信号放大，电阻R20和电阻R21控制信号的放大倍数，放大后的信号由运放2中的OUT2脚输出经电阻R15和电容C7后，送入MCU主控模块1的PIN10脚。
进一步，所述电压采集模块6中，电源B+端经电阻R13和电阻R14进行分压，经电容C6进行滤波，经稳压管ZD3进行稳压后接MCU主控模块1的PIN9脚，PIN9脚使用AD采样，实时检测B+端输入电压；稳压管ZD3稳压值为4.7V用于过压保护。
进一步，所述BSS通信收发模块7中，MCU主控模块1的PIN13脚输出数字控制信号，经电阻R8、电阻R10后控制三极管Q2的开关，三极管Q2的集电极接电阻R6接BSS端，三极管Q2的开关实现对BSS通信数据的输出控制；BSS端经电阻R7和电阻R9分压，经稳压管ZD2后输入MCU主控模块1的PIN20脚，实现对BSS通信数据的输入接收。
进一步，所述温度监测模块8为通过主控模块1MCU的PIN14脚接电阻R3和二极管D2公共端，电阻R3另一端接5V供电，二极管D2另一端接地，利用二极管的温度特性实现温度的检测。
本发电机电压调节器的外围电路连接如图2所示，产品端子接法：B+端接发电机正极、实车电瓶正极和负载，E端接公共地，F端接发电机转子，P端接发电机三相中的一相，BSS端接实车ECU。
本电压调节器工作原理如下：
当实车KEY-OFF时，调节器处于休眠状态，MOSFET 励磁电流关闭，此时调节器漏电流小于500uA，处于极低功耗状态，有效降低电瓶耗电。
当实车KEY-ON时，ECU通过BSS送出唤醒和控制信息，调节器被唤醒激活，进入工作状态。此时B+电压12.8V，经过电源转换模块2为MCU主控模块1和其他电路提供5V电源。调节器经电压采集模块6实时采样B+端的电压。KEY-ON时整个发电机并没有运行，此时P端无相信号，即电压和频率为0，调节器处于预励磁状态，通过励磁电流驱动模块3控制电机处于200HZ/15%占空比状态，为发电机转子提供一定的预励磁电流的，预励磁电流能够辅助发电机快速的启动建压。
BSS通信收发模块7，BSS的目的是通过数字协议实时控制主要电气参数，如电压调节和负载响应时间等，在特定的操作条件下，ECU通过一个特定的指令直接控制，再通过相同的BSS向ECU提供连续反馈数据。在丢失BSS链路的情况下，将保持默认模式操作。MCU的PIN13脚发送控制数据，通过R8、R10、R6和Q2送出，通过R7、R9接收数据，稳压管ZD2做过压保护。
当实车发动机启动后，发电机被驱动转动，P端产生正弦信号，相信号采集模块5进行频率和电压采样，相信号频率和发电机转速为线性关系，6对极电机转速是相信号频率的10倍，8对极电机转速是相信号频率的8倍，通过采样相信号频率能得到发电机的实时转速。
当发电机转速小于800RPM时，调节器处于预励磁状态，当发电机转速大于800RPM时，调节器进入全励磁状态，Q1完全打开，加速发电机进入正常发电状态，当发电机B+端电压达到14.5V设置电压后，调节器进入稳压状态，开关占空比根据发电机的实时负载而变化，即采样B+电压，经过PID算法，实时计算出Q1的开关占空比。变化规律为当发电机负载增加时，Q1打开占比增大，最大打开为100%；当发电机负载减小时，Q1打开占空比减小，最小为15%。
RS为采样电阻，实时采样Q1中流过的电流，即流过转子中的电流，经励磁电流采样模块4处理后，MCU实时判断转子电流大小，当转子电流超出8A时，比较器产生中断，即转子过流中断，此中断发生时，会立即关闭Q1输出，达到过流保护的目的，防止因转子异常或短路造成调节器损坏。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器，其特征在于，
包括采用PIC16F1509单片机的MCU主控模块（1）；为MCU主控模块（1）及其他电路模块提供5V电压的，采用LDO线性稳压器的电源转换模块（2）；用于控制发电机励磁电流的励磁电流驱动模块（3）；用于实时采集发电机转子中工作电流的励磁电流采样模块（4）；用于频率及电压处理的相信号采集模块（5）；对B+端电源电压进行采集处理的电压采集模块（6）；用于发送和接受BSS通信信号的通信收发模块（7）；用于温度采集的温度监测模块（8）；
所述励磁电流驱动模块（3）中，电阻R4和电阻R5接MCU主控模块（1）的PIN2脚；电阻R4另一端接MOSFET Q1管；二极管D1为续流二极管；电阻R11为采样电阻；
所述励磁电流采样模块（4）中，采样电阻R11两端的信号经电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19做差分输入，送入IC2芯片中的运放1的正负极IN1+和IN1-，经运放放大后由OUT1脚输出；经电阻R12和电容C5后送入MCU主控模块（1）的PIN4脚和PIN5脚，PIN5脚作为AD采样实时电流，PIN4脚中断作为电流过流保护；
当实车KEY-OFF时，调节器处于休眠状态，MOSFET Q1管励磁电流关闭，此时调节器漏电流小于500uA；当实车KEY-ON时，ECU通过BSS送出唤醒和控制信息，调节器被唤醒激活，进入工作状态，调节器经电压采集模块实时采样B+端的电压，KEY-ON时整个发电机并没有运行，此时P端无相信号，调节器处于预励磁状态，通过励磁电流驱动模块控制电机处于200HZ/15%占空比状态；当实车发动机启动后，发电机被驱动转动，P端产生正弦信号，相信号采集模块进行频率和电压采样，通过采样相信号频率能得到发电机的实时转速，当发电机转速小于800RPM时，调节器处于预励磁状态，当发电机转速大于800RPM时，调节器进入全励磁状态，MOSFET Q1管完全打开，加速发电机进入正常发电状态，当发电机B+端电压达到14.5V设置电压后，调节器进入稳压状态，开关占空比根据发电机的实时负载而变化，即采样B+电压，经过PID算法，实时计算出Q1的开关占空比，变化规律为当发电机负载增加时，MOSFETQ1管打开占比增大，最大打开为100%；当发电机负载减小时，MOSFET Q1管Q1打开占空比减小，最小为15%。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器，其特征在于，所述MCU主控模块（1）的PIN18脚为VDD，接5V电源；PIN17脚接公共地；PIN1脚为复位脚，接上拉电阻R2和滤波电容C3；PIN2脚作为输出端口，输出200HZ定频PWM信号；PIN4脚作为检测MOSFET是否过流的输入端口；PIN5脚作为检测MOSFET流过的电流值的输入端口；PIN9脚作为检测电源B+端电压的输入端口；PIN10脚检测Phase信号P端的频率和电压；PIN13脚为BSS通信数据的输出控制端；PIN14脚作为检测调节器工作环境温度数据的输入端口；PIN20脚为BSS通信数据的接收端。
3.根据权利要求1所述的一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器，其特征在于，所述电源转换模块（2）中，IC3芯片为LDO线性稳压器芯片；电源B+端通过限流电阻R1后接IC3芯片的PIN1脚和PIN3脚；稳压管ZD1和电容C1接PIN1脚、PIN3脚和地之间；稳压管ZD1作为18V过压保护；PIN5脚输出5V电压；电容C1和C2做滤波稳压。
4.根据权利要求1所述的一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器，其特征在于，所述相信号采集模块（5）中，电阻R22、电阻R24、电容C9为低通滤波器；电阻R23、电阻R25、电容C8为高通滤波器；P端的发电机相信号通过高低通滤波器处理后，送入IC2芯片中的运放2的正极IN2+，进行信号放大，电阻R20和电阻R21控制信号的放大倍数，放大后的信号由运放2中的OUT2脚输出经电阻R15和电容C7后，送入MCU主控模块（1）的PIN10脚。
5.根据权利要求1所述的一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器，其特征在于，所述电压采集模块（6）中，电源B+端经电阻R13和电阻R14进行分压，经电容C6进行滤波，经稳压管ZD3进行稳压后接MCU主控模块（1）的PIN9脚；稳压管ZD3稳压值为4.7V用于过压保护。
6.根据权利要求1所述的一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器，其特征在于，所述通信收发模块（7）中，MCU主控模块（1）的PIN13脚输出数字控制信号，经电阻R8、电阻R10后控制三极管Q2的开关，三极管Q2的集电极接电阻R6接BSS端，三极管Q2的开关实现对BSS通信数据的输出控制；BSS端经电阻R7和电阻R9分压，经稳压管ZD2后输入MCU主控模块（1）的PIN20脚。
7.根据权利要求1所述的一种基于单片机的BSS通信低驱电压调节器，其特征在于，所述温度监测模块（8）为通过MCU 主控模块（1）的PIN14脚接电阻R3和二极管D2公共端，电阻R3另一端接5V供电，二极管D2另一端接地。
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