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電動(dòng) 自行車應(yīng)用中的MCU
本文將主要探討采用微控制器或可編程片上系統(tǒng)（PSoC）實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的設(shè)計(jì)技術(shù)和相關(guān)挑戰(zhàn)。當(dāng)前業(yè)界的電動(dòng)自行車系統(tǒng)采用微控制器以及外部信號(hào)調(diào)節(jié)和比較器電路來驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)；采用外部ADC和外部放大器支持不同的傳感器輸入；采用繼電器驅(qū)動(dòng)電路支持剎車燈、車頭燈和轉(zhuǎn)向燈；此外還可支持LED/LCD顯示屏和溫度測(cè)量等。
可編程SOC器件不但可作為電機(jī)控制、模擬測(cè)量以及直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏的統(tǒng)一電路板系統(tǒng)用于電動(dòng)自行車應(yīng)用，而且還能支持電容式感應(yīng)技術(shù)以取代鍵盤上的機(jī)械按鍵。此外，SOC器件還能利用內(nèi)部PWM、MUX和比較器來驅(qū)動(dòng)和控制三相電機(jī)，利用內(nèi)部ADC和PGA來支持傳感器輸入電池監(jiān)控，以及利用熱敏電阻或RTD等溫度感應(yīng)器件來實(shí)現(xiàn)溫度感應(yīng)。該器件不但能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，以支持剎車燈、車頭燈和轉(zhuǎn)向燈，而且能直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏，以顯示溫度、電池狀態(tài)、速度、騎行距離及各種錯(cuò)誤/警告消息等。
采用基于IDE的工具，可為SoC設(shè)計(jì)出各種界面和邏輯。這些工具還能提供直接可用的組件模塊，可用于設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的邏輯，如監(jiān)控界面的電容式傳感器、支持模擬傳感器和其它輸入的ADC、驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的PWM、DAC以及段式、字符或圖形化LCD顯示屏等。因此，利用可編程SOC，電動(dòng)自行車系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)成本能夠大幅降低。
圖1所示為基本電動(dòng)自行車系統(tǒng)的方框圖：
微控制器：微控制器通常用于不同傳感器輸入檢測(cè)（如節(jié)流閥輸入、溫度傳感器、電池輸入、燃料傳感器、障礙傳感器等）、模數(shù)轉(zhuǎn)換、輸出比較組件等，并可驅(qū)動(dòng)和控制三相無刷車用電機(jī)。采用電池供電的電動(dòng)自行車系統(tǒng)需要超低功耗的微控制器。此外，微控制器也是中控鎖系統(tǒng)的一部分，可用來與車輛中使用的各種不同外部器件進(jìn)行通信。無論何時(shí)剎車，均可使用微控制器來自動(dòng)停止電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而避免電機(jī)磨損剎車片的速度超過標(biāo)準(zhǔn)的人力自行車。
輪轂電機(jī)：通常情況下，無論有無傳感器（基于霍爾效應(yīng)），均可采用無刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠的運(yùn)行工作。
可再充電的鉛酸/鋰離子電池：電動(dòng)自行車應(yīng)用采用了從鉛酸電池到鋰電池等多種不同的電池類型。其中，可再充電的鉛酸電池在電動(dòng)車中的應(yīng)用極其廣泛。
顯示屏與鍵盤：通常情況下，采用帶背光的LCD顯示屏不但能顯示溫度、電池輸入、速度、騎行距離及錯(cuò)誤/警告消息等，而且還能顯示腳踏板輔助系統(tǒng)和能量生成的等級(jí)。電動(dòng)車應(yīng)用中也采用基于機(jī)械按鍵的鍵盤，而且鍵盤還可支持保護(hù)電動(dòng)車的防盜功能。
電源管理：這個(gè)子系統(tǒng)可為各功能模塊的運(yùn)行提供電源，并監(jiān)控電池工作。帶比較器和分立邏輯的主機(jī)微控制器可用來管理鉛酸電池。此外，這種方法也能為微控制器和用戶提供關(guān)于電池的安全和關(guān)鍵信息。
原理
目前的電動(dòng)自行車系統(tǒng)采用16位和32位微控制器。微控制器控制和管理車輛的所有功能和特性。一旦用戶打開點(diǎn)火開關(guān)發(fā)動(dòng)電動(dòng)自行車，微控制器就能獲得輸入，從而啟動(dòng)三相無刷車用電機(jī)。微控制器可接收來自用戶的各種車輛輸入信號(hào)，并對(duì)車輛進(jìn)行相應(yīng)的操控。微控制器按照用戶所選擇的速度驅(qū)動(dòng)三相無刷車用電機(jī)，電機(jī)的速度可根據(jù)用戶的加速和制動(dòng)傳感器輸入進(jìn)行變化和控制。
微控制器采用內(nèi)部或外部串行EEPROM（I2C/SPI型）來存儲(chǔ)距離讀數(shù)等數(shù)據(jù)。此外，微控制器還采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）在顯示屏上顯示準(zhǔn)確的時(shí)間。
溫度測(cè)量由板上RTD或熱敏電阻型溫度感應(yīng)器件來實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)自行車系統(tǒng)還能利用障礙傳感器在泊車時(shí)獲取附近車輛的信息。燃料傳感器獲取引擎中的燃料信息，微控制器也可監(jiān)控電池輸入并將其在LCD顯示屏上顯示。繼電器驅(qū)動(dòng)電路則用于切換剎車燈、車頭燈和轉(zhuǎn)向燈的開/關(guān)等。
供電部分由作為電源的可再充電鉛酸或鋰離子電池組成，且必須滿足電池充電器的規(guī)定。電池輸入向下轉(zhuǎn)換為DC電壓，以便為微控制器和其它電路提供動(dòng)力。點(diǎn)火開關(guān)則可啟用或禁用板上穩(wěn)壓器。此外，供電部分還可提供電池、過流、過熱及啟動(dòng)故障狀態(tài)保護(hù)電路等多種保護(hù)功能。OEM廠商也會(huì)對(duì)手機(jī)等外部設(shè)備的充電做出相應(yīng)規(guī)定。