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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

2022-02-08 14:12:46·  来源：电动学堂  作者：李漠尘等  
　
文章来源：北汽福田汽车股份有限公司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
文章来源：北汽福田汽车股份有限公司
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）电源芯片最好适用于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，最好将时钟寄存器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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