曲利峰 史祖春 陈文弟 李云生 刘昆仑
摘 要：为了推动我国AT行业的快速发展，自主研发新时代的汽车控制系统任重道远。而TCU作为现代汽车变速箱控制的核心单元，我国已经投入大量的人力财力自主创新研发，TCU的合理设计，以及自主研发迫在眉睫。TCU作为车辆运行过程中的核心控制系统，对于现代车辆至关重要。TCU通常由控制MCU、输入检测、输出控制、信号采集以及电源管理等功能电路组成。首先TCU控制器需对车辆运行中的车况数据进行分析，根据实际的车辆当前状态进行内部决策，从而使车辆保持高效、环保、节能的最佳工作状态。通过实验测试，设计能满足AT控制要求，同时相比传统的设计在性能、经济方面具有较大优势，也对推动我国AT行业发展具有重大意义。
关键词：变速箱;TCU;车况数据;AT控制
中图分类号：U463.2 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）03-0167-03
Abstract：In order to promote the rapid development of AT industry in China，it is a long way to independently develop the automobile control system in the new era. As the core unit of modern automobile gearbox control，TCU has invested a lot of human and financial resources in independent innovation and R & D in China. The reasonable design and independent R & D of TCU is imminent. As the core control system of vehicle operation，TCU is very important for modern vehicles. TCU is usually composed of control MCU，input detection，output control，signal acquisition，power management and other functional circuits. First of all，TCU controller needs to analyze the data of vehicle condition during vehicle operation，and make internal decision according to the actual vehicle current state，so as to keep the vehicle in the best working state of high efficiency，environmental protection and energy saving. Through the experimental test，the design can meet the requirements of AT control. At the same time，compared with the traditional design，it has greater advantages in performance and economy. It is also of great significance to promote the development of AT industry in China.
Keywords：gearbox;TCU;vehicle condition data;AT control
0 引 言
为了发展我国汽车工业，“九五”期间汽车电子控制技术被列为重点项目，车辆自动变速是汽车电控技术的一个重要组成部分。
TCU控制作为变速箱核心控制单元，是现代汽车的核心控制部分之一，对于行车、驻车等十分重要。TCU主要功能为：目标档位决策、执行结构控制、故障诊断、故障处理机制等。
目标档位决策，为了匹配车辆驾驶环境、驾驶条件、车辆运行情况，以达到最佳决策值;执行结构控制，当控制系统检测到新的决策值后，执行结构需要对相关的比例阀和开关阀等执行结构进行控制，从而匹配新的状态;故障诊断，由于现代汽车因为系统的复杂性以及科技的提升，所以故障诊断可以方便地对车辆变速箱相关的故障进行预置自我诊断，为减少故障以及保修提供重要的依据;故障处理机制，配合故障诊断进行，系统可以对部分故障进行自我检测并维修。
汽车TCU单元主要由降压的MCU供电单元、比例阀控制单元、开关阀控制单元、压力传感器信号输入、温度传感器输入、开关传感器输入、手柄状态检测、以及通信单元构成。
通常MCU采用符合汽车级的单片机或者微处理器来完成，因我国在MCU和微处理器方面均落后于发达国家，故影响汽车电控行业的发展。为了打破行业限制，我们利用国产MCU进行TCU控制设计，同时进行相关的验证试验。设计中所使用的相关器件均是国产。经过验证，完全满足设计要求，并且稳定性达到行业水平，经济适用。
1 背景技术
TCU控制核心主要通过相关的开关检测电路、温度检测电路、压力检测电路、转速检测电路等功能电路对变速箱的实时工作状态进行有效监控，同时根据ECU上传到车辆系统的车辆实时数据和发动机数据，配合车辆控制系统，分析车辆的当前各项工作数据，然后通过功率驱动部分电路来实现相关机械阀或者开关的工作状态变更，完成变速箱状态的更新，同时将当前车辆状态的最佳运行数据反馈与车辆控制系统。TCU核心组成如图1所示。
在TCU的控制决策下，车辆运行在高效、稳定、环保、节能的最佳状态下。
TCU控制的功率驱动部分主要分为开关阀状态驱动、比例阀状态驱动、指示信号状态等。
传统的设计采用国外符合汽车级别的标准器件实现，传统设计中主要的核心关键器件均来自国外，所以当设计或者开发时，因为技术条件限制而存在弊端，同时维修困难，成本受限，受到各种因素的制约。针对以上因素，本设计采用国产相关器件设计，从原理上进行彻底的国产设计，从MCU选取到外围所有元件均采用我国自主研发的相关器件产品，且选择符合汽车级别的高性能器件。
2 设计实现
2.1 控制MCU
作为最核心的TCU控制系统MCU，采用国产兆易创新的ARM微控制器—GD32F450。GD32F450配置：两路CANB2.0、多路串口通信、内部自带12 bitADC、多路高精度定时器、以及多路PWM控制输出、1 M Flash来实现、200 MHz主频。有着丰富的外设接口，所以给系统设计带来了极大的便利，其本身参数性能均满足设计要求，而且该国产IC具有极高性价比，同时还符合工业级温度范围标准。设计的系统结构如图2所示。
2.2 模拟信号采集
因系统充分考虑器件隔离安全级别。故需采用OR-6N137高速隔离光耦，配合外部高精度12 bit国产ADC进行数模拟数据采集，MC2453采样通道多，和单片机的接口符合标准SPI总线接口，占用单片机资源少。ADC采集电路设计如图3所示。
2.3 接口防护隔离
设计采用高速隔离电路，如图4所示。
OR-6N137作为国产高速光耦器件，具有高速数据传输性能，同时误码率极低，在实际试验中上万次数据传输，误码为0，稳定性完全满足需求。
2.4 开关量信号采集
设计中对于开关信号的检测如图5所示。
BAV21WS做保护二极管，HD-IN1通过上拉至+5V0电压，当检测信号HD1为高（即大于HD_Ref）时，运放输出高，光耦隔离端输出为低，反之为低光耦输出端，则输出3.3 V高，可直接被MCU GD32F450接收。
2.5 功率驱动输出控制
对阀输出控制，则采用单独MCU来实现，这样可以有效降低核心控制MCU的压力，同时也能有效提高对于控制系统的保障，阀控制MCU通过闭环反馈算法对阀端电流进行实时检测，从而调节PWM控制信号输出占空比，来达到阀状态的监控和控制，如图6所示。而控制电路驱动器采用国产的EG3002 MOS驱动IC，自带负载电流的检测和短路保护功能。对于阀控制电路则采用MOS驱动器和MOS管接合的方式实现。
阀控制单片机和主控MCU通过隔离串行数据接口通信。这样可以保障核心控制器的稳定性，以及隔离保护。
2.6 CAN总线通信
总线通信采用了符合1939协议的标准CAN实现，具体电路如图7所示。首先在配置模式下将CAN状态寄存器、波特率控制寄存器、I/O控制寄存器、中断寄存器、中断控制寄存器、屏蔽寄存器和过滤寄存器按照系统的要求设定完成后，启动CAN总线，系统进入正常工作模式。TCU控制器和车辆核心控制系统之间通过总线实现数据的实时共享。而TCU控制系统采用双冗余设计，其仅作为核心控制系统总线的一个节点。
2.7 系统软件设计
系统软件设计采用C语言实现，主要包含驱动层和应用层设计，驱动层主要完成MCU片级的驱动功能，而应用层主要实现外设控制和数据交换等功能。
2.8 系统测试标定
系统仿真测试通过台架以及必要的车辆控制模拟软件系统来实现，将控制器接入对应的系统模拟环境中，然后通过模拟ECU以及车辆核心控制单元对发动机的转速、温度、压力等进行调节测试，然后根据车辆当前的运行状态，以及负载能力，逐渐进行改变，使系统工作在每个换档级别的最佳工作状态，完成系统标定测试后，对TCU控制系统进行实际车辆的安装验证测试，性能满足设计要求，稳定性符合行业标准。
3 结 论
基于国产兆易创新的GD32F450 MCU的TCU控制单元，设计过程中均采用国产高性能器件，同时为了确保系统的稳定性和可靠性，采用数据的有效隔离方式，避免了系统对3.3 VMCU系统的影响，同时设计中还充分考虑了电磁兼容性、防雷、静电等，对于大干扰源的外部供电和系统内部供电进行了充分有效的隔离，使得系统整体稳定性、抗干扰能力得到极大提升，避免了系统设计长时间的不稳定因素，而且为了保障汽车功能的正常，考虑了系统设计的冗余性。设计避免了传统TCU设计时需考虑复杂的电磁兼容理论、接口处理电路，以及外部干扰抗扰能力等问题。采用国产器件进行研发，对我国自主TCU、AT事业研发也有促进作用。同时国产科技的快速发展，使得我国器件性价比不低于国外器件。系统经过充分的试验验证，不管是从稳定性，还是性价比方面均满足设计要求，同时经过高强度的国军标试验环境要求测试，系统均能正常运行。
参考文献：
[1] 童诗白.华成英.模拟电子技术基础 [M].北京：高等教育出版社，2001.
[2] 罗峰，孙泽昌.汽车CAN总线系统原理、设计与应用 [M].北京：电子工业出版社，2010.
[3] 刘晓岩.汽车电子控制技术 [M].北京：化学工业出版社，2009.
作者简介：曲利峰（1986.11-），男，汉族，河北怀安人，硕士研究生，军事代表，工程师，研究方向：火炮、弹药产品质量监督。
