基于海爾HR6P62單片機(jī)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字HID燈控制系統(tǒng)的應(yīng)用方案

單片機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)在汽車(chē)電子中得到廣泛應(yīng)用，它顯著提高了汽車(chē)的智能控制水平和安全性能。本文將系統(tǒng)地介紹一款高性?xún)r(jià)比的海爾HR6P62單片機(jī)以及該單片機(jī)在HID燈控制器上的應(yīng)用。

一、汽車(chē)前照燈的發(fā)展歷程

據(jù)說(shuō)第一個(gè)汽車(chē)前大燈是家用手提燈。汽車(chē)剛發(fā)明時(shí)是沒(méi)有前照燈的，一個(gè)駕駛員在黑暗的曠野上迷路時(shí)，一位農(nóng)民用手提燈把他引回家。1898年，哥倫比亞號(hào)電動(dòng)汽車(chē)把電用于前燈和尾燈，這樣車(chē)燈就產(chǎn)生了。最初的前大燈不能調(diào)光，所以在會(huì)車(chē)時(shí)有些晃眼。

第一代汽車(chē)前照燈是乙炔氣前照燈

乙炔氣火焰的亮度比當(dāng)時(shí)的電光源所能達(dá)到的亮度高出一倍，因而，在1925年以前使用的汽車(chē)前照燈幾乎全是乙炔前照燈。

第二代汽車(chē)前照燈是電光源前照燈

1913年帶螺旋燈絲的充氣白熾燈泡問(wèn)世，因其具有較高亮度，給電光源前照燈開(kāi)辟了廣闊的前景。

第三代汽車(chē)前照燈是雙光燈芯前照燈

為解決在交會(huì)車(chē)時(shí)因前照燈的強(qiáng)光造成駕駛員炫目而導(dǎo)致交通事故發(fā)生，雙光燈芯前照燈應(yīng)運(yùn)而生。雖然雙光燈芯改善了會(huì)車(chē)時(shí)燈光炫目現(xiàn)象，但并沒(méi)有完全解決汽車(chē)車(chē)燈的配光問(wèn)題。

第四代汽車(chē)前照燈是不對(duì)稱(chēng)近光前照燈

雙光燈芯前照燈系統(tǒng)屬于對(duì)稱(chēng)近光系統(tǒng)。為解決在會(huì)車(chē)過(guò)程中，前照燈既不產(chǎn)生炫目的強(qiáng)光，又能保證對(duì)道路具有良好的照明，1932年美國(guó)發(fā)明了不對(duì)稱(chēng)前照燈。它是以基準(zhǔn)軸為中心，將光束一分為二，靠近來(lái)車(chē)一側(cè)的落地距離短（即光束被壓低，從而防炫），而另一側(cè)光束的落地距離長(zhǎng)（即光束被抬高，從而增強(qiáng)照明效果）。

第五代汽車(chē)前照燈是鹵鎢前照燈

1964年法國(guó)斯貝公司生產(chǎn)出第一批裝有鹵鎢燈泡的汽車(chē)前照燈。該燈燈絲允許工作溫度較普通白熾燈泡高，光效增加約50％，壽命也增加一倍。此后汽車(chē)的前大燈照明也多采用了鹵鎢燈泡的原理。

第六代汽車(chē)前照燈是充氙氣燈泡

BEST 氙氣燈就是其中—種。該燈泡內(nèi)部填充優(yōu)質(zhì)的惰性氣體氙氣，并選擇高品質(zhì)的鎢絲和優(yōu)質(zhì)的石英玻璃管。使燈泡的使用壽命和亮度發(fā)揮到極致，亮度達(dá)到3200流明以上。此類(lèi)燈泡因沒(méi)有改變?cè)?chē)燈泡的外形尺寸，所以不會(huì)產(chǎn)生聚焦不準(zhǔn)的問(wèn)題。這樣的燈泡聚光效課非常好，而且K值在4300K以上，色澤柔和、燈光白亮。

第七代汽車(chē)前照燈是氙燈泡（推薦使用）

HID氙燈又稱(chēng)高強(qiáng)度放電式氣體燈，英文是HID Higt-Intensity Discharge Lamp（簡(jiǎn)稱(chēng)HID）。該燈采用高電壓放電技術(shù)將氙氣（×enoN）灌入石英內(nèi)管，再透過(guò)精密安定器通過(guò)三次變壓將12伏特電力瞬間提高至23000伏特以上，激發(fā)管內(nèi)的氙電子游離，在兩電極間形成一束超強(qiáng)電弧光，使光色更亮，發(fā)出的光接近太陽(yáng)光。

從早期乙炔氣前照燈發(fā)展到當(dāng)今的自由面反射鏡氣體放電前照燈，差不多經(jīng)歷了120年的歷史。

HID 氙燈提升原車(chē)鹵素?zé)袅炼热叮珴筛?，色溫穿透力更?qiáng)，照明范圍可擴(kuò)大到400米，視野十分寬廣，性能更加穩(wěn)定，大大提高了夜間駕駛的安全性，因此受到了全球越來(lái)越多的汽車(chē)用戶(hù)的青睞。目前，在歐美、日本等國(guó)的中、高檔車(chē)中，有60％以上的新車(chē)配備了氙燈。國(guó)產(chǎn)車(chē)中目前也有奧迪A6和帕薩特領(lǐng)馭、索納塔等中高檔車(chē)安裝了H1D氙燈。預(yù)計(jì)未來(lái)兩三年，國(guó)產(chǎn)車(chē)裝備HID氙燈的車(chē)型會(huì)大大增加。HID氙燈取代鹵素?zé)粢呀?jīng)是大勢(shì)所趨。

二、HID氙燈的發(fā)光原理

汽車(chē)HID氙氣燈與傳統(tǒng)鹵素?zé)舨煌?，它是一種高壓放電燈。它的發(fā)光原理是利用正負(fù)電刺激氙氣與稀有金屬化學(xué)反應(yīng)發(fā)光，因此燈管內(nèi)有一顆小小的玻璃球，這其中就灌滿了氙氣并放置了少許稀有金屬。只要用電流去刺激它們進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，兩者就會(huì)發(fā)出高達(dá)4000K～12000K色溫度的光芒。它采用一個(gè)特制的觸發(fā)器，利用汽車(chē)電池12V電壓產(chǎn)生23000V以上的觸發(fā)電壓使燈啟動(dòng)。啟動(dòng)0.8秒時(shí)的亮度是額定亮度的20％，達(dá)到鹵素?zé)舻牧炼?，同時(shí)，大燈將在4秒以?xún)?nèi)達(dá)到額定亮度的80％以上。在燈穩(wěn)定后鎮(zhèn)流器向燈提供約80V供電電壓保持燈以恒定功率運(yùn)轉(zhuǎn)。

氙金屬鹵化物燈的工作過(guò)程很復(fù)雜，需要高壓。根據(jù)汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)氙金屬鹵化物燈在啟動(dòng)過(guò)程和穩(wěn)定工作期間的光輸出特性都有許多嚴(yán)格的要求，需要有安定器進(jìn)行控制與鎮(zhèn)流。因此近年來(lái)在高級(jí)車(chē)種中，已開(kāi)始使用安定器驅(qū)動(dòng)高強(qiáng)度氣體放電燈作為汽車(chē)頭燈的光源。

氙金屬鹵化物燈在啟動(dòng)時(shí)需要將近23kV以上的高電壓脈沖，啟動(dòng)后為了使燈管穩(wěn)定發(fā)光，在點(diǎn)火瞬間，必須要有一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷汗┙o燈管續(xù)流。為了滿足燈在啟動(dòng)與穩(wěn)態(tài)時(shí)的不同要求，目前—般的車(chē)燈用安定器的基本電路結(jié)構(gòu)包含四個(gè)部分，如圖1所示。

（1）直流升壓電路：由于目前汽車(chē)所使用的電源一般均為12V鉛蓄電池。而燈管穩(wěn)態(tài)電壓約為85V，因此必須經(jīng)過(guò)一級(jí)升壓電路將電池電壓升高。通常采用反激變換器Fly-bake Converter作為升壓電路，以提供燈穩(wěn)態(tài)工作所需的電壓與啟動(dòng)電路所需的高壓。

（2）高壓?jiǎn)?dòng)電路：由于點(diǎn)亮燈需要高壓脈沖才能使燈管擊穿并開(kāi)始放電，因此需要高壓?jiǎn)?dòng)電路。啟動(dòng)電路可以采取一級(jí)或兩級(jí)升壓的方式來(lái)產(chǎn)生至少23kV以上的高壓脈沖。

（3）直流／交流變換電路：由于直流升壓電路的輸出為直流電，必須使用逆變電路將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)闊艄茳c(diǎn)亮后所需的交流方波電流。逆變電路一般都采用全橋逆變器。全橋逆變電路提供低頻交流方波電流給燈管，以避免諧振的發(fā)生。

（4）驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路：燈管啟動(dòng)時(shí)控制啟動(dòng)電路，燈管點(diǎn)亮后，檢測(cè)是否有過(guò)壓、短路現(xiàn)象發(fā)生。通過(guò)檢測(cè)燈電壓與燈電流的的信號(hào)，來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，使燈管能穩(wěn)定工作。

三、海爾HR6P62單片機(jī)特性

上海海爾集成電路有限公司是目前國(guó)內(nèi)第一家專(zhuān)業(yè)從事MCU設(shè)計(jì)研發(fā)的高新技術(shù)企業(yè)。研發(fā)的通用型及專(zhuān)用型8位微控制器芯片，具有高抗干擾、高可靠性的特點(diǎn)，能幫助客戶(hù)提高系統(tǒng)性能，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，減少系統(tǒng)總成本以及縮短產(chǎn)品面市時(shí)間。公司HR6P系列MCU采用48條精簡(jiǎn)指令集高性能架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有豐富的外圍接口電路和良好的代碼保護(hù)機(jī)制，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家電、電表、汽車(chē)電子、工業(yè)控制系統(tǒng)。在HID安定器應(yīng)用中，海爾推薦客戶(hù)選用HR6P62單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

HR6P62單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：

◆高性能的RISC CPU結(jié)構(gòu)，高速OTP CMOS工藝，僅48條精簡(jiǎn)指令

◆除部分程序跳躍指令需要兩個(gè)指令周期外，其余都只需要一個(gè)指令周期

◆工作速度：DC-20MHz指令周期：最小為200ns，一個(gè)指令有4個(gè)時(shí)鐘周期

◆支持8級(jí)硬件堆棧結(jié)構(gòu)

◆直接、間接和相對(duì)尋址三種方式

◆程序存儲(chǔ)器為2k×16位的OTP；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為224字節(jié)

◆內(nèi)嵌上電復(fù)位電路、掉電復(fù)位電路，支持硬件看門(mén)狗

◆支持編程代碼保護(hù)

◆運(yùn)行電壓范圍：2.7V～5.5V；可運(yùn)行的溫度范圍：-40℃～85℃

◆16組I／O引腳，采用SOP20／SOP18／PDIP18／PDIP14封裝

◆TIMER0：帶有8位預(yù)分頻器的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器

◆TIMER1：帶有預(yù)分頻器的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器

◆TIMER2：帶有周期寄存器、預(yù)分頻器和后分頻器的8位定時(shí)器

◆一路CCP：捕捉器／比較器模塊／脈寬調(diào)制器模塊

◆高速同步／異步發(fā)送／接收器HUSARTHR6P62芯片豐富的內(nèi)部資源，為HID安定器系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)。

四、基于HR6P62單片機(jī)的HID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

HID 燈的點(diǎn)燃主要分為四個(gè)過(guò)程：1．高壓生成，依據(jù)燈的老化狀態(tài)和冷熱狀態(tài)，生成大約在2萬(wàn)伏左右的高壓；2．高壓擊穿，高壓把處于絕緣態(tài)的HID燈內(nèi)氣體擊穿，燈的阻抗迅速下降；3．高壓停止工作，這時(shí)HID燈進(jìn)入恒功率調(diào)整狀態(tài)；4．HID達(dá)到穩(wěn)態(tài)后進(jìn)入穩(wěn)定管理狀態(tài)。從上述四個(gè)過(guò)程可以看出HID燈的控制過(guò)程比較復(fù)雜，不同廠商的HID燈特性往往不相同。如何使安定器與不同特性曲線的HID燈實(shí)現(xiàn)最佳匹配，是各HID安定器生產(chǎn)廠商必須重點(diǎn)研究解決的問(wèn)題。安定器設(shè)計(jì)的好壞對(duì)于HID燈的壽命、可靠性方面具有非常重要的影響。

HR6P62H芯片核心采用兩級(jí)流水線，哈佛型RISC結(jié)構(gòu)并集成了眾多外圍器件如模擬比較器電路、參考電壓模塊、硬件看門(mén)狗、一個(gè)16位定標(biāo)計(jì)時(shí)／外部計(jì)數(shù)器、一個(gè)8位定標(biāo)定時(shí)／外部計(jì)數(shù)器、一個(gè)帶有周期寄存器的 8位定標(biāo)定時(shí)器、一路CCP（捕獲／比較／脈寬調(diào)制）模塊、HUASRT（高速同步／異步接收發(fā)送器）模塊和8位4通道ADC模塊。支持低功耗睡眠模式、外部中斷、PB口高4位變化中斷等，具有強(qiáng)大的中斷處理能力，能處理8級(jí)中斷。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)深度為224×8位。程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)深度為2k×16位。尋址方式有直接尋址、間接尋址和相對(duì)尋址三種。片內(nèi)有上電復(fù)位和掉電復(fù)位電路，16個(gè)雙向口。采用HR6P62芯片設(shè)計(jì)，整個(gè)HID安定器控制電路將變得非常簡(jiǎn)單。利用內(nèi)部軟件的設(shè)計(jì)，又保留了控制的靈活性。通過(guò)軟件，微控制器可以檢測(cè)和發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)HID燈的冷熱啟動(dòng)，功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，燈異常保護(hù)等功能?；贖R6P62單片機(jī)的HID安定器的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

車(chē)載直流電源通過(guò)DC／DC變換器給高壓點(diǎn)火電路提供能量，點(diǎn)火成功后給HID燈的正常運(yùn)行提供能量。全橋逆變控制器將直流電壓逆變?yōu)楦哳l方波電壓。 HR6P62單片機(jī)則控制開(kāi)始時(shí)電容充電放電，打火后的賦能，正常運(yùn)行時(shí)的逆變控制及各系統(tǒng)工作狀態(tài)的檢測(cè)。HID燈的運(yùn)行包括以下四個(gè)階段：

1．電容充電點(diǎn)火階段

HR6P62 單片機(jī)控制程序通過(guò)DC／DC變換器的母線電容進(jìn)行400V恒壓閉環(huán)，倍壓整流輸出電壓通過(guò)過(guò)放電電容進(jìn)行充電，逐漸使放電電容充電至600V。在高壓包原邊的放電電容達(dá)到600V后，就會(huì)對(duì)放電管擊穿放電，在高壓包的副邊瞬間產(chǎn)生一個(gè)23kV～30kV的高壓脈沖。

2．穩(wěn)弧賦能階段

一旦高壓脈沖擊穿氙氣燈，燈阻抗會(huì)立即降到幾十歐姆。

這時(shí)需要3A～12A的電流來(lái)維持電弧的穩(wěn)定。電弧穩(wěn)定以后，HID燈的特性將完全取決于它的初始溫度。熱啟動(dòng)的HID燈的電壓會(huì)保持在85V左右，而冷啟動(dòng)的HID燈的電壓會(huì)維持在20V左右。因此，冷啟動(dòng)時(shí)需要一定的賦能時(shí)間來(lái)提供足夠的能量，以保證HID燈能正常工作。

3．降功率階段

HID燈啟動(dòng)后如果功率下降慢了會(huì)影響燈的壽命，下降太快又容易導(dǎo)致燈熄滅，因此對(duì)冷啟動(dòng)來(lái)說(shuō)，燈功率要在10s內(nèi)降到正常允許的范圍，以使HID燈電壓穩(wěn)定到85V左右。而熱啟動(dòng)情況下，—般不會(huì)產(chǎn)生熄滅的危險(xiǎn)，所以燈功率可以降得快一些。

4．穩(wěn)定運(yùn)行階段

經(jīng)過(guò)降功率階段，HID燈即進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。這個(gè)階段HID燈的電壓取決于初始燈的狀態(tài)和壽命，一般為80V～100V，使HID燈的功率保持在額定范圍，從而保證HID的使用壽命。

五、HID燈控制系統(tǒng)的發(fā)展

HID安定器的發(fā)展經(jīng)歷了模擬、模擬加數(shù)字和全數(shù)字控制3個(gè)主要階段。目前處于向數(shù)字控制全面過(guò)渡的時(shí)期。

模擬控制以其響應(yīng)速度快、使用方便的特點(diǎn)，在HID燈的發(fā)展初期得到廣泛應(yīng)用。但模擬控制器也存在明顯的缺點(diǎn)，如難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、集成化，同時(shí)，模擬電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，不利于大規(guī)模流水化生產(chǎn)。

模擬加數(shù)宇混合控制是目前較常用的控制方法。所謂的數(shù)?；旌峡刂凭褪窍到y(tǒng)的閉環(huán)控制中既有數(shù)字控制，也有模擬控制。整個(gè)HID燈控制系統(tǒng)是一個(gè)雙環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)是功率環(huán)、電流環(huán)或者電壓環(huán)，而內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。由于內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)PWM控制，因此要求很快的響應(yīng)速度。最典型的一種數(shù)?；旌峡刂凭褪鞘褂靡粋€(gè)快速內(nèi)部模擬電流環(huán)路和一個(gè)帶寬較小的廉價(jià)外部數(shù)字控制環(huán)路的混合控制方案。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字芯片的功能不斷強(qiáng)大，成本不斷降低，使得全數(shù)字HID燈控制系統(tǒng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。由于系統(tǒng)采用MCU進(jìn)行AD采樣控制，使得大批量生產(chǎn)的HID燈安定器的質(zhì)量穩(wěn)定性大幅提高。原有模擬方案輸出功率控制精度大約為±2W，而采用數(shù)字控制后，輸出功率控制精度可以控制在±0.5W以?xún)?nèi)。同時(shí)，單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)回路，可以實(shí)現(xiàn)完善的HID控制曲線。單片機(jī)豐富的資源，大大簡(jiǎn)化了HID燈安定器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)HID安定器的小型化和扁平化。單片機(jī)快速檢測(cè)和判別系統(tǒng)狀態(tài)，可以有效提高HID燈的安全性能。因此，全數(shù)字HID燈安定器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）啟動(dòng)前控制全橋開(kāi)關(guān)給放電電容充電，啟動(dòng)后控制全橋先工作在直流模式，然后進(jìn)入交流工作模式。

（2）根據(jù)燈的冷熱情況，對(duì)燈直流工作時(shí)間和電流的大小進(jìn)行控制。

（3）精確控制燈在啟動(dòng)過(guò)程中的功率，使燈啟動(dòng)特性符合Vedilis曲線。

（4）使燈在燈電壓正常工作范圍內(nèi)保持恒功率狀態(tài)。

（5）對(duì)電池電壓進(jìn)行過(guò)壓和欠壓保護(hù)。

（6）對(duì)燈進(jìn)行燈電壓過(guò)壓和欠壓保護(hù)、燈電流過(guò)流保護(hù)。

所以，全數(shù)字HID燈控制系統(tǒng)將會(huì)在今后的安定器市場(chǎng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。采用全數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)方法無(wú)疑是HID燈安定器未來(lái)的發(fā)展方向。

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