北汽福田 | 符合功能安全的电源管理方案在新能源商用车VCU中的应用

2022-10-04 ICVS动力总成

1引言


整车控制器VCU(VehicleControllerUnit)作为新能源汽车“三电”的核心模块之一,担负着控制汽车行驶的重要任务,其可靠性的高低直接决定着车辆的安全性,VCU的主要功能是依据采集到的的档位及加速踏板等信号,将控制信息发送给各类子系统,驱动车辆正常行驶。


随着电控系统越来越多的参与到整车控制中,对电控系统的安全性提出了更高的要求。针对这一情况,国际标准化组织在2011年颁布了ISO26262标准,并在2018年对其进行了更新对应的国家标准为GB/T34590.1-2017,道路车辆功能安全)。新标准对于大于3.5t的商用车也开始适用,且引入了半导体层面功能安全。


电源系统是VCU中不可缺少的重要组成部分。本文简要介绍了以FS8510为核心芯片的电源架构及其软硬件实现方法,突出该方案在满足电压生成、电压监测、休眠唤醒、看门狗刷新、异常上报等常规功能的基础上,在提升车载VCU功能安全方面采取的诸多措施。


2电源总体方案


下面对应用在新能源商用车VCU上的电源管理总体方案进行说明,包括核心芯片选型依据、电源架构、FS8510功能介绍等。


2.1商用车电源芯片选型

VCU电源芯片在选型过程中,应遵循以下原则。

(1)电源芯片**适用于24V商用车系统,这样就无需前级DC/DC降压电路,可提高电源转换效率。

(2)依据ISO26262的定义,按照严重程度、暴露概率和可控制性的三维风险矩阵,确定应用在VCU上的电源管理芯片应符合ASILC以上安全等级。

表1为在VCU电源系统设计选型阶段参照的四款常见车载电源管理芯片的对照表。



对照电源芯片选型原则,NXP公司的FS8510在满足VCU电源系统各项需求的基础上,可同时满足12V和24V车载系统的应用,且符合ASILD安全等级,是新能源商用车VCU电源管理芯片的理想选择。


2.2电源架构

图1为VCU板上供电架构示意图,从图中可以看出,该方案用一个芯片满足了硬件所有供电需求,降低了电路复杂度及物料成本。



2.3FS8510功能介绍

2.3.1电压生成

FS8510的电压入口是蓄电池电源,出口是通过升压或降压电路生成的各个电压,如

表2所列。



2.3.2模拟多路复用器

FS8510提供多路复用器的电源监测功能,将AMUX脚接到单片机的ADC输入口,通过SPI/I2C配置AMUX[4:0]实现不同通道电压的采集。



2.3.3通信接口

单片机可通过SPI/I2C方式对FS8510的寄存器进行配置或读取。新能源商用车VCU项目中,MCU与FS8510通过四线制SPI通信,通信数据格式如表4所列。



写命令:MISO[23:8]为写之前寄存器的内容,MISO[7:0]为FS8510所发内容的CRC校验码。

读命令:MOSI[23:8]应全为0,MOSI[7:0]

为MCU发送内容的CRC校验码。


2.3.4休眠唤醒功能

配置“M_MODE”寄存器的“GOTOSTBY”位为1,芯片将进入休眠模式;给WAKE1或WAKE2管脚一个上升沿的脉冲,芯片即被唤醒。


2.3.5看门狗

电源芯片采用窗口看门狗,前半个窗口被称作关闭(CLOSED),后半个窗口被称作打开(OPEN)。有效喂狗操作是指在OPEN窗口中进行了正确的看门狗应答,无效喂狗操作是指在OPEN窗口中进行了错误的看门狗应答,或没有在OPEN窗口中刷新看门狗,或在CLOSE窗口中进行了正确的看门狗应答。在一次有效喂狗操作或无效喂狗操作之后,新的窗口周期立即启动,这就确保了MCU与窗口看门狗保持同步,如图2所示,其中的窗口周期和窗口占空比可通过寄存器配置。



(1)喂狗方式

喂狗方式涉及到MCU与FS8510的交互,分为如下几个步骤。

①FS8510生成一个16位伪随机码,作为线性回馈移位寄存器LFSR(LinearFeedbackShiftRegister)的值。

②MCU通过读取FS_WD_SEED寄存器得到看门狗LFSR值,即WD_SEED。

③MCU通过图3所示的公式计算WD_ANSWER。



④MCU在OPEN看门狗窗口期间将WD_ANSWER发送给FS8510。

⑤FS8510对WD_ANSWER进行验证,如果校验通过,看门狗窗口重启并生成一个新的LFSR;如果校验失败,WD错误计数器值增加,看门狗窗口重启且LFSR的值不变。

(2)看门狗效果

FS8510内含看门狗错误计数器,用于为无效喂狗操作滤波。每次看门狗刷新失败,错误计数器的值加2;每次看门狗刷新成功且其值不为0,错误计数器的值减1。当其值增为6(可配置)时,可配置RSTB拉低,从而使单片机复位。


2.3.6电压管理

电压管理负责监控VCOREMON、VDDIO和VMONx管脚(x=1、2、3、4)的输入电压是否过压或欠压。当它们的输入电压高于或低于理论值的10%时,相关寄存器的相应标志会置位,同时可通过配置触发RSTB或FS0B管脚生效(下降沿),表5列出各管脚监控电压的理论值。



2.3.7工作流程

FS8510的工作流程分为主状态机(mainstatemachine)和失效安全状态机(fail-safestate)两部分,是彼此电子独立、物理分离又同时运行的两套流程。

(1)主状态机

FS8510主状态机主要实现各电压的上下电。上电顺序为:VPRE、VBOOST、VREGx(BUCK1、BUCK2、BUCK3、

LDO1、LDO2);下电顺序为:VREGx(BUCK1、BUCK2、BUCK3、LDO1、LDO2)、VBOOST、VPRE。

(2)失效安全状态机

失效安全状态机主要涉及到功能安全相关的操作,包括安全输出口(RSTB、FS0B)释放、内部自检等。


3硬件设计


图4为FS8510的应用框图,下面列出新能源VCU硬件电路电源模块设计的要点。


3.1唤醒功能

外部信号的上升沿可通过WAKE1或WAKE2唤醒电源芯片,单片机可监测发生作用的唤醒源。新能源VCU共设计了5路唤醒源,其中钥匙开关KL15信号同时连接WAKE1和WAKE2,目的是当其中一路唤醒源失效时仍可以通过用户“开启钥匙开关”保证VCU正常工作。


3.2单片机复位

FS8510芯片的RSTB脚与单片机的RESET相连,当程序无法正常喂狗导致RSTB拉低时,可同时触发主控芯片复位。


4软件设计


新能源VCU软件采用AUTOSAR平台进行开发,电源部分程序设计分为以下几个部分。


4.1MCAL和ECAL设计

MCAL是“微控制器抽象层”的简称,即单片机外设驱动程序设计。与电源软件相关的MCAL包括DIO、ADC和SPI三个模块,在“EBTresos”中配置参数并生成代码即可,其中SPI通信设定为“异步”方式。

ECAL是“ECU抽象层”的简称,包含ADC结果轮询读取和模拟量含义封装两部分,前者以10ms为周期读取各ADC通道的转换结果;后者将每个模拟量所代表的意义封装起来供需要的程序模块调用,FS8510驱动仅需要获取AMUX电压的采样值。


4.2电源芯片驱动设计

FS8510芯片驱动程序分初始化和主流程两部分,下面分别进行说明。


4.2.1芯片驱动初始化

图6为FS8510芯片驱动的初始化流程,下面分模块进行说明。

(1)初始化FS_I寄存器

FS_I寄存器是指必须在“INIT_FS”阶段进行初始化操作的寄存器,这里主要将看门狗窗口寄存器FS_WD_WINDOW配置为“看门狗窗口周期256ms,看门狗窗口占空比50%”。

(2)退出INIT_FS

退出“INIT_FS”的方法是执行1次正确的看门狗刷新。

在正确退出INIT_FS后,RSTB管脚为高电平,FS0B仍保持低电平状态,需要任意1次SPI操作使失效安全流程启动ABIST2,待其校验成功后,再手动释放FS0B,使其变为高电平。

(3)初始化非FS_I寄存器

根据需要配置非FS_I寄存器,特别指出的是为满足EMC要求,**将时钟寄存器M_CLOCK配置为“主频调制使能”。

(4)时间要求

所有初始化步骤应在100ms内完成,芯片驱动模块将向应用层上报FS8510初始化成功或失败的标志。


4.2.2芯片驱动主流程

FS8510初始化完成后将周期性执行各个任务,如表6所列。

(1)管脚采集

FS8510芯片驱动需要采集FS0B的状态,程序采用“连续2次值一致认定有效”的方式。

(2)AMUX通道切换

FS8510可通过配置AMUX寄存器,采用分时复用的方式监测各路模拟量的值,这个任务实现轮询切换的过程。

(3)看门狗刷新

看门狗窗口周期为256ms,其中CLOSE窗口128ms,程序在每个周期开始后的150ms处启动喂狗,图7为看门狗操作程序流程图。

(4)获取芯片运行和异常状态

根据需要获取芯片运行和异常状态,程序分两个步骤进行:读取和存储寄存器的状态;清除寄存器标志。

(5)获取电源芯片安全参数

判定设备安全自检状态:当LBIST_OK、ABIST1_OK、ABIST2_OK的值均为1时,认为安全自检通过;否则认为安全自检不通过。

获取故障偏差计数器的值:直接读取寄存器值即可。

(6)FS0B释放

当同时满足以下3个条件时,需执行FS0B释放的操作。

①LBIST_OK=ABIST1_OK=ABIST2_OK=1

②故障偏差计数器=0

③FS0B=0


5结语


本文从新能源商用车VCU对电源系统功能安全方面的需求入手,介绍了以FS8510为核心芯片的板上供电架构及软硬件设计方案。从前文描述可知,该方案的核心芯片符合ASILD等级,每一路电压输出都有过欠压监控和保护,两路唤醒源冗余输入,电源芯片与主控芯片进行复杂问答式看门狗交互,这些措施使得其更符合功能安全的要求,为车载ECU的板上供电方案提供了很好的参考。

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