當前業界的電動自行車係統采用微控製器以及外部信號調節和比較器電路來驅動三相電機
；采用外部ADC和外部放大器支持不同的傳感器輸入；采用繼電器驅動電路支持刹車燈、車頭燈和轉向燈；此外還可支持LED/LCD顯示屏和溫度測量等。

可編程SOC器件不但可作為電機控製、模擬測量以及直接驅動LCD顯示屏的統一電路板係統用於電動自行車應用
，而且還能支持電容式感應技術以取代鍵盤上的機械按鍵。此外，SOC器件還能利用內部PWM

、MUX和比較器來驅動和控製三相電機，利用內部ADC和PGA來支持傳感器輸入電池監控
，以及利用熱敏電阻或RTD等溫度感應器件來實現溫度感應。該器件不但能直接驅動繼電器，以支持刹車燈
、車頭燈和轉向燈，而且能直接驅動LCD顯示屏，以顯示溫度、電池狀態、速度
、騎行距離及各種錯誤/警告消息等。

采用基於IDE的工具
，可為SoC設計出各種界麵和邏輯。這些工具還能提供直接可用的組件模塊，可用於設計更為複雜的邏輯，如監控界麵的電容式傳感器
、支持模擬傳感器和其它輸入的ADC、驅動蜂鳴器的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，電動自行車係統的開發和生產成本能夠大幅降低。

圖1所示為基本電動自行車係統的方框圖：


微控製器：微控製器通常用於不同傳感器輸入檢測（如節流閥輸入、溫度傳感器、電池輸入、燃料傳感器


、障礙傳感器等）、模數轉換、輸shu出chu比bi較jiao組zu件jian等deng，並bing可ke驅qu動dong和he控kong製zhi三san相xiang無wu刷shua車che用yong電dian機ji。采cai用yong電dian池chi供gong電dian的de電dian動dong自zi行xing車che係xi統tong需xu要yao超chao低di功gong耗hao的de微wei控kong製zhi器qi。此ci外wai
，微wei控kong製zhi器qi也ye是shi中zhong控kong鎖suo係xi統tong的de一yi部bu分fen，可ke用yong來lai與yu車che輛liang中zhong使shi用yong的de各ge種zhong不bu同tong外wai部bu器qi件jian進jin行xing通tong信xin。無wu論lun何he時shi刹sha車che，均jun可ke使shi用yong微wei控kong製zhi器qi來lai自zi動dong停ting止zhi電dian機ji旋xuan轉zhuan，從cong而er避bi免mian電dian機ji磨mo損sun刹sha車che片pian的de速su度du超chao過guo標biao準zhun的de人ren力li自zi行xing車che。

輪轂電機：通常情況下，無論有無傳感器（基於霍爾效應），均可采用無刷電機實現高效可靠的運行工作。
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可再充電的鉛酸/鋰離子電池：電動自行車應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車中的應用極其廣泛。

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、騎行距離及錯誤/警jing告gao消xiao息xi等deng，而er且qie還hai能neng顯xian示shi腳jiao踏ta板ban輔fu助zhu係xi統tong和he能neng量liang生sheng成cheng的de等deng級ji。電dian動dong車che應ying用yong中zhong也ye采cai用yong基ji於yu機ji械xie按an鍵jian的de鍵jian盤pan，而er且qie鍵jian盤pan還hai可ke支zhi持chi保bao護hu電dian動dong車che的de防fang盜dao功gong能neng。

電源管理：zhegezixitongkeweigegongnengmokuaideyunxingtigongdianyuan，bingjiankongdianchigongzuo。daibijiaoqihefenliluojidezhujiweikongzhiqikeyonglaiguanliqiansuandianchi。ciwai，zhezhongfangfayenengweiweikongzhiqiheyonghutigongguanyudianchideanquanheguanjianxinxi。

原理

目前的電動自行車係統采用16位和32weiweikongzhiqi。weikongzhiqikongzhiheguanlicheliangdesuoyougongnenghetexing。yidanyonghudakaidianhuokaiguanfadongdiandongzixingche，weikongzhiqijiunenghuodeshuru
，congerqidongsanxiangwushuacheyongdianji。weikongzhiqikejieshoulaiziyonghudegezhongcheliangshuruxinhao，bingduicheliangjinxingxiangyingdecaokong。weikongzhiqianzhaoyonghusuoxuanzedesuduqudongsanxiangwushuacheyongdianji，dianjidesudukegenjuyonghudejiasuhezhidongchuanganqishurujinxingbianhuahekongzhi。

微控製器采用內部或外部串行EEPROM（I2C/SPI型）來存儲距離讀數等數據。此外，微控製器還采用實時時鍾（RTC）在顯示屏上顯示準確的時間。

溫度測量由板上RTD或(huo)熱(re)敏(min)電(dian)阻(zu)型(xing)溫(wen)度(du)感(gan)應(ying)器(qi)件(jian)來(lai)實(shi)現(xian)。電(dian)動(dong)自(zi)行(xing)車(che)係(xi)統(tong)還(hai)能(neng)利(li)用(yong)障(zhang)礙(ai)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)泊(bo)車(che)時(shi)獲(huo)取(qu)附(fu)近(jin)車(che)輛(liang)的(de)信(xin)息(xi)。燃(ran)料(liao)傳(chuan)感(gan)器(qi)獲(huo)取(qu)引(yin)擎(qing)中(zhong)的(de)燃(ran)料(liao)信(xin)息(xi)，微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)也(ye)可(ke)監(jian)控(kong)電(dian)池(chi)輸(shu)入(ru)並(bing)將(jiang)其(qi)在(zai)LCD顯示屏上顯示。繼電器驅動電路則用於切換刹車燈、車頭燈和轉向燈的開/關等。

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定。電池輸入向下轉換為DC電壓，以便為微控製器和其它電路提供動力。點火開關則可啟用或禁用板上穩壓器。此外
，供電部分還可提供電池、過流、過熱及啟動故障狀態保護電路等多種保護功能。OEM廠商也會對手機等外部設備的充電做出相應規定。

圖2所示為基於可編程SOC的電動自行車係統：




電動自行車係統的實現

為給出電動自行車係統的實際實現方案
，本文介紹了一款基於賽普拉斯PSoC 4的設計。PSoC 4器件完美集成了帶數字可編程邏輯的微控製器、高性能模數轉換
、帶比較器模式的運算放大器以及標準的通信和時序外設等。微控製器為32位的ARM Cortex M0，工作頻率高達48 MHz，並可提供最大32 KB的閃存和最大4 KB的SRAM以及2 KB的內部EEPROM。

該實現方案采用板上6個P型通道（P-Channel）MOSFET和門驅動器電路來驅動三相無刷電機。PSoC 4器件帶有內置PWM、時鍾、多路轉換器和比較器，可用來驅動和控製三相無刷電機。此外
，內置的16位PWM將用於驅動控製電機的FET門驅動器電路。而PWM的占空比根據用戶設置所需的速度而各不相同。

PSoC4帶有內部運算放大器
、PGA、比較器和12位1MSPS SAR ADC，可提供差動和單端模式，包括采樣保持（S/H）功能。ADC可通過改變PWM占空比來控製電機速度，並測量不同的傳感器輸入以滿足電池監控
、低成本溫度感應、障礙感應和燃料感應等需求。這樣係統就無需采用任何外部放大器、ADC或比較器。

利用兩個電流DAC（IDAC）
，該係統可具備通用感應功能，且能夠利用任何引腳上的電容式感應技術。PSoC 4架(jia)構(gou)支(zhi)持(chi)電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)組(zu)件(jian)，該(gai)組(zu)件(jian)同(tong)時(shi)支(zhi)持(chi)手(shou)動(dong)和(he)自(zi)動(dong)調(tiao)校(xiao)。采(cai)用(yong)電(dian)容(rong)式(shi)界(jie)麵(mian)可(ke)幫(bang)助(zhu)整(zheng)個(ge)電(dian)動(dong)自(zi)行(xing)車(che)係(xi)統(tong)實(shi)現(xian)防(fang)水(shui)性(xing)，同(tong)時(shi)也(ye)能(neng)直(zhi)接(jie)驅(qu)動(dong)繼(ji)電(dian)器(qi)，從(cong)而(er)充(chong)分(fen)滿(man)足(zu)喇(la)叭(ba)、刹車燈、車頭燈、轉向燈和LCD顯示屏等需求。該器件的工作電壓範圍介於1.71V到5.5V之間，能與其它外部外設輕鬆連接
，從而實現更多功能。此外，PSoC 4還支持兩個獨立的在運行中可重配置串行通信模塊（SCB），此模塊帶可重配置的I2C、SPI或UART功能，可用於內外部外設通信。
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該實現方案采用可再充電的鉛酸或鋰離子電池作為電源。輸入電壓通過板上降壓穩壓器進行下變頻轉換。1.71 V的較低工作電壓和超低功耗運行，再加上冬眠和深度休眠模式
，可支持喚醒時間和功耗折中方案，從而實現更長的電池使用壽命。

采用PSoC Creator IDE工具，我們能通過隨時可用的組件模塊設計出所有的接口和邏輯

，包括麵向模擬傳感器和其它輸入的SARADC和PGA；麵向電機驅動應用的PWM、CLK
、MUX和比較器等組件
；麵向直接驅動字符和段式LCD的組件；麵向電動自行車應用中CAN協議接口的CAN組件；以及通過內部係統時鍾進行實時測量
、從而讓係統不再需要外部時鍾/振蕩器電路的RTC組件等。

此外，PSoC Creator還支持工程師訪問包括集成編譯器工具鏈、RTOSes和量產編程器在內的完整的工具生態係統。有了PSoC Creator，kaifarenyuanjiukeliyongfencengyuanlitushejichuangjianbinggongxiangyonghuzidingyidedingzhiwaishe。ranhou，tamennengduisuoxuandingdezujianshixianzidongbujubuxian，bingjichengjiandandezhanjieluoji（通常位於分立多路轉換器中）。

過流保護用於關閉電機驅動PWM，因而可停止電機運行。PSoC 4器件采用基於比較器的PWM Kill信(xin)號(hao)觸(chu)發(fa)
，可(ke)在(zai)檢(jian)測(ce)到(dao)過(guo)流(liu)情(qing)況(kuang)時(shi)終(zhong)止(zhi)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)。該(gai)模(mo)塊(kuai)的(de)輸(shu)入(ru)來(lai)自(zi)總(zong)線(xian)電(dian)流(liu)
，其(qi)截(jie)止(zhi)參(can)考(kao)可(ke)設(she)為(wei)電(dian)機(ji)消(xiao)耗(hao)的(de)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)。總(zong)線(xian)電(dian)流(liu)輸(shu)入(ru)饋(kui)送(song)到(dao)比(bi)較(jiao)器(qi)和(he)可(ke)配(pei)置(zhi)的(de)截(jie)止(zhi)參(can)考(kao)，並(bing)由(you)DAC進行設置。如果總線電流低於參考閾值，那麼比較器輸出設為高。比較器輸出連接到PWM的“KILL”信號輸入。當“KILL”輸入為高時，PWM輸出關閉，從而可避免電機受損。該完整模塊的實現方案將采用PSoC creator組件
，且無需設計人員編寫的任何固件。

無傳感器的電機控製

無傳感器的電機控製不需要霍爾傳感器，而是采用反電動勢（back-EMF）過guo零ling檢jian測ce技ji術shu來lai控kong製zhi電dian機ji的de運yun動dong。當dang電dian機ji旋xuan轉zhuan時shi，每mei個ge繞rao組zu生sheng成cheng的de電dian壓ya稱cheng為wei與yu繞rao組zu供gong電dian主zhu電dian壓ya相xiang反fan的de反fan電dian動dong勢shi電dian壓ya。反fan電dian動dong勢shi的de極ji性xing與yu繞rao組zu激ji勵li所suo用yong電dian壓ya的de方fang向xiang相xiang反fan

，並bing與yu電dian機ji的de轉zhuan速su成cheng正zheng比bi。



在圖3中，三相反電動勢信號終止而DC總線擴展並路由到PSoC。PSoC將采用多路複用器切換到比較器的終止輸入，並將其與DC總線電壓進行比較。級聯的數字邏輯將過濾出PWM信號
，以獲得真正的過零信號。微控製器將根據該信息決定換向。

可選的電流控製將被應用於PWM輸出控製，從而對電機電流進行調節。此內環以比較器為基礎：反饋總線電流與12位DAC提供的參考電流值進行比較。改變DAC輸出將修改輸出電流值。

基於傳感器的（霍爾效應）電機控製

基(ji)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)無(wu)刷(shua)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)采(cai)用(yong)霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)入(ru)來(lai)檢(jian)測(ce)轉(zhuan)子(zi)位(wei)置(zhi)，進(jin)而(er)控(kong)製(zhi)電(dian)機(ji)的(de)運(yun)動(dong)。它(ta)為(wei)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)提(ti)供(gong)霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)入(ru)，並(bing)作(zuo)為(wei)閉(bi)環(huan)係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)
，這(zhe)有(you)助(zhu)於(yu)實(shi)現(xian)較(jiao)長(chang)驅(qu)動(dong)的(de)自(zi)動(dong)速(su)度(du)鎖(suo)定(ding)。

設計挑戰

高性能智能微控製器需要更高MIPS性能的CPU內核
、更快速的ADC（>= 500Ksps @ 10位）、內置閃存和SRAM存儲器、內置EEPROM、模擬和數字外設來執行高性能模擬測量、CAN接口、三相電機控製、LCD驅動、低功耗運行
、RTC
、不同外部協議接口等關鍵功能。

該係統可采用低成本前麵板設計，實現按鍵和LED/LCD界麵等不同特性。此外
，電容式感應技術可用於在前麵板上實現按鍵、滑條和接近傳感器。在前麵板上利用鄰近的LED（PWM型）滿足電容式感應性能要求（如信噪比等），這對於係統設計人員來說可能是一大設計挑戰。

選擇具有低Ron和低柵電容的Power MOSFET正是驅動三相電機所必需的。采用高功率MOSFET驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)電(dian)路(lu)板(ban)以(yi)及(ji)處(chu)理(li)電(dian)池(chi)輸(shu)入(ru)的(de)較(jiao)高(gao)板(ban)上(shang)電(dian)流(liu)是(shi)電(dian)路(lu)板(ban)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)麵(mian)臨(lin)的(de)另(ling)一(yi)大(da)挑(tiao)戰(zhan)。由(you)於(yu)該(gai)係(xi)統(tong)涉(she)及(ji)機(ji)電(dian)構(gou)造(zao)問(wen)題(ti)，要(yao)設(she)計(ji)出(chu)一(yi)款(kuan)低(di)成(cheng)本(ben)的(de)緊(jin)湊(cou)型(xing)機(ji)電(dian)係(xi)統(tong)極(ji)具(ju)挑(tiao)戰(zhan)，而(er)且(qie)還(hai)要(yao)讓(rang)最(zui)終(zhong)設(she)計(ji)通(tong)過(guo)認(ren)證(zheng)。此(ci)外(wai)，電(dian)動(dong)自(zi)行(xing)車(che)係(xi)統(tong)在(zai)設(she)計(ji)時(shi)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)一(yi)次(ci)充(chong)電(dian)能(neng)行(xing)駛(shi)更(geng)長(chang)裏(li)程(cheng)的(de)問(wen)題(ti)。

支持恢複機製的故障檢測是所有汽車應用都不可或缺的。而且
，具有電池保護、過流、過熱和啟動故障狀態保護功能的電源設計也是一大必要條件。
此外，開發人員可能還希望采用一次性可編程（OTP）的器件來防止競爭對手和黑客對固件實施逆向工程。
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係統局限性

PSoC 4支持電容式感應技術
，可通過觸摸操控的鍵盤取代機械按鍵。這不僅可減少由機械按鍵造成的故障幾率
，同時還可提高產品的可靠性。PSoC Creator支持CapSense SmartSense組(zu)件(jian)，該(gai)組(zu)件(jian)能(neng)自(zi)動(dong)調(tiao)校(xiao)電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)按(an)鍵(jian)和(he)滑(hua)條(tiao)的(de)敏(min)感(gan)度(du)
，從(cong)而(er)使(shi)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)無(wu)需(xu)再(zai)進(jin)行(xing)手(shou)動(dong)調(tiao)校(xiao)。此(ci)外(wai)，電(dian)容(rong)式(shi)感(gan)應(ying)還(hai)能(neng)提(ti)高(gao)最(zui)終(zhong)係(xi)統(tong)的(de)防(fang)水(shui)性(xing)。

在前麵板上實現的觸摸屏設計取代了LCD顯示屏和鍵盤
，這可為用戶提供更好的用戶界麵和更高的靈活性。係統還可添加連接iPod/iPhone等外部設備的接口，通過UART或USB接口實現與媒體播放器的通信

，從而支持播放音樂、控製播放列表和設備充電等功能。

故障分析和返回材料：電路板上內外部接口數量的增加必然會讓入侵者獲得更多途徑來對係統實施破壞。這也是嵌入式係統麵臨的一個最大局限性問題。

在汽車應用領域中所使用的電動自行車係統目前是采用微控製器來實現。PSoC完美結合了微控製器和ASIC。采用基於PSoC的電動自行車解決方案，可幫助我們降低汽車產業的整體產品成本（通過減少BOM成本）和項目開發成本（采用PSoC Creator來實現）。

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