基于HR6P62单片机控制的汽车HID 灯控制系统

单片机控制技术已经在汽车电子中得到广泛应用，它显著提高了汽车的智能控制水平和安全性能。本文将系统地介绍一款高性价比的海尔HR6P62单片机以及该单片机在HID灯控制器上的应用。 

一、汽车前照灯的发展历程 

据说第一个汽车前大灯是家用手提灯。汽车刚发明时是没有前照灯的，一个驾驶员在黑暗的旷野上迷路时，一位农民用手提灯把他引回家。1898年，哥伦比亚号电动汽车把电用于前灯和尾灯，这样车灯就产生了。最初的前大灯不能调光，所以在会车时有些晃眼。 

第一代汽车前照灯是乙炔气前照灯 

乙炔气火焰的亮度比当时的电光源所能达到的亮度高出一倍，因而，在1925年以前使用的汽车前照灯几乎全是乙炔前照灯。 

第二代汽车前照灯是电光源前照灯 

1913年带螺旋灯丝的充气白炽灯泡问世，因其具有较高亮度，给电光源前照灯开辟了广阔的前景。 

第三代汽车前照灯是双光灯芯前照灯 

为解决在交会车时因前照灯的强光造成驾驶员炫目而导致交通事故发生，双光灯芯前照灯应运而生。虽然双光灯芯改善了会车时灯光炫目现象，但并没有完全解决汽车车灯的配光问题。 

第四代汽车前照灯是不对称近光前照灯 

双光灯芯前照灯系统属于对称近光系统。为解决在会车过程中，前照灯既不产生炫目的强光，又能保证对道路具有良好的照明，1932年美国发明了不对称前照灯。它是以基准轴为中心，将光束一分为二，靠近来车一侧的落地距离短(即光束被压低，从而防炫)，而另一侧光束的落地距离长(即光束被抬高，从而增强照明效果)。 

第五代汽车前照灯是卤钨前照灯 

1964年法国斯贝公司生产出第一批装有卤钨灯泡的汽车前照灯。该灯灯丝允许工作温度较普通白炽灯泡高，光效增加约50％，寿命也增加一倍。此后汽车的前大灯照明也多采用了卤钨灯泡的原理。 

第六代汽车前照灯是充氙气灯泡 

BEST 氙气灯就是其中—种。该灯泡内部填充优质的惰性气体氙气，并选择高品质的钨丝和优质的石英玻璃管。使灯泡的使用寿命和亮度发挥到极致，亮度达到3200流明以上。此类灯泡因没有改变原车灯泡的外形尺寸，所以不会产生聚焦不准的问题。这样的灯泡聚光效课非常好，而且K值在4300K以上，色泽柔和、灯光白亮。 

第七代汽车前照灯是氙灯泡(推荐使用) 

HID氙灯又称高强度放电式气体灯，英文是HID Higt-Intensity Discharge Lamp(简称HID)。该灯采用高电压放电技术将氙气(×enoN)灌入石英内管，再透过精密安定器通过三次变压将12伏特电力瞬间提高至23000伏特以上，激发管内的氙电子游离，在两电极间形成一束超强电弧光，使光色更亮，发出的光接近太阳光。 

从早期乙炔气前照灯发展到当今的自由面反射镜气体放电前照灯，差不多经历了120年的历史。 

HID 氙灯提升原车卤素灯亮度三倍，色泽更好，色温穿透力更强，照明范围可扩大到400米，视野十分宽广，性能更加稳定，大大提高了夜间驾驶的安全性，因此受到了全球越来越多的汽车用户的青睐。目前，在欧美、日本等国的中、高档车中，有60％以上的新车配备了氙灯。国产车中目前也有奥迪A6和帕萨特领驭、索纳塔等中高档车安装了H1D氙灯。预计未来两三年，国产车装备HID氙灯的车型会大大增加。HID氙灯取代卤素灯已经是大势所趋。 

二、HID氙灯的发光原理 

汽车HID氙气灯与传统卤素灯不同，它是一种高压放电灯。它的发光原理是利用正负电刺激氙气与稀有金属化学反应发光，因此灯管内有一颗小小的玻璃球，这其中就灌满了氙气并放置了少许稀有金属。只要用电流去刺激它们进行化学反应，两者就会发出高达4000K～12000K色温度的光芒。它采用一个特制的触发器，利用汽车电池12V电压产生23000V以上的触发电压使灯启动。启动0.8秒时的亮度是额定亮度的20％，达到卤素灯的亮度，同时，大灯将在4秒以内达到额定亮度的80％以上。在灯稳定后镇流器向灯提供约80V供电电压保持灯以恒定功率运转。 

氙金属卤化物灯的工作过程很复杂，需要高压。根据汽车应用场合，对氙金属卤化物灯在启动过程和稳定工作期间的光输出特性都有许多严格的要求，需要有安定器进行控制与镇流。因此近年来在高级车种中，已开始使用安定器驱动高强度气体放电灯作为汽车头灯的光源。 

氙金属卤化物灯在启动时需要将近23kV以上的高电压脉冲，启动后为了使灯管稳定发光，在点火瞬间，必须要有一个适当的电压供给灯管续流。为了满足灯在启动与稳态时的不同要求，目前—般的车灯用安定器的基本电路结构包含四个部分，如图1所示。 



(1)直流升压电路：由于目前汽车所使用的电源一般均为12V铅蓄电池。而灯管稳态电压约为85V，因此必须经过一级升压电路将电池电压升高。通常采用反激变换器Fly-bake Converter作为升压电路，以提供灯稳态工作所需的电压与启动电路所需的高压。

(2)高压启动电路：由于点亮灯需要高压脉冲才能使灯管击穿并开始放电，因此需要高压启动电路。启动电路可以采取一级或两级升压的方式来产生至少23kV以上的高压脉冲。 

(3)直流／交流变换电路：由于直流升压电路的输出为直流电，必须使用逆变电路将直流电转变为灯管点亮后所需的交流方波电流。逆变电路一般都采用全桥逆变器。全桥逆变电路提供低频交流方波电流给灯管，以避免谐振的发生。 

(4)驱动与保护电路：灯管启动时控制启动电路，灯管点亮后，检测是否有过压、短路现象发生。通过检测灯电压与灯电流的的信号，来控制驱动电路和保护电路，使灯管能稳定工作。 

三、海尔HR6P62单片机特性 

上海海尔集成电路有限公司是目前国内第一家专业从事MCU设计研发的高新技术企业。研发的通用型及专用型8位微控制器芯片，具有高抗干扰、高可靠性的特点，能帮助客户提高系统性能，降低产品开发风险，减少系统总成本以及缩短产品面市时间。公司HR6P系列MCU采用48条精简指令集高性能架构设计，具有丰富的外围接口电路和良好的代码保护机制，已经广泛应用于家电、电表、汽车电子、工业控制系统。在HID安定器应用中，海尔推荐客户选用HR6P62单片机进行设计开发。 [page]

HR6P62单片机具有如下特点： 

◆高性能的RISC CPU结构，高速OTP CMOS工艺，仅48条精简指令
◆除部分程序跳跃指令需要两个指令周期外，其余都只需要一个指令周期
◆工作速度：DC-20MHz指令周期：最小为200ns，一个指令有4个时钟周期
◆支持8级硬件堆栈结构
◆直接、间接和相对寻址三种方式
◆程序存储器为2k×16位的OTP；数据存储器为224字节
◆内嵌上电复位电路、掉电复位电路，支持硬件看门狗
◆支持编程代码保护
◆运行电压范围：2.7V～5.5V；可运行的温度范围：-40℃～85℃
◆16组I／O引脚，采用SOP20／SOP18／PDIP18／PDIP14封装
◆TIMER0：带有8位预分频器的8位定时器／计数器
◆TIMER1：带有预分频器的16位定时器／计数器
◆TIMER2：带有周期寄存器、预分频器和后分频器的8位定时器
◆一路CCP：捕捉器／比较器模块／脉宽调制器模块
◆高速同步／异步发送／接收器HUSARTHR6P62芯片丰富的内部资源，为HID安定器系统设计提供了良好的基础。 

四、基于HR6P62单片机的HID控制系统设计 

HID 灯的点燃主要分为四个过程：1．高压生成，依据灯的老化状态和冷热状态，生成大约在2万伏左右的高压；2．高压击穿，高压把处于绝缘态的HID灯内气体击穿，灯的阻抗迅速下降；3．高压停止工作，这时HID灯进入恒功率调整状态；4．HID达到稳态后进入稳定管理状态。从上述四个过程可以看出HID灯的控制过程比较复杂，不同厂商的HID灯特性往往不相同。如何使安定器与不同特性曲线的HID灯实现最佳匹配，是各HID安定器生产厂商必须重点研究解决的问题。安定器设计的好坏对于HID灯的寿命、可靠性方面具有非常重要的影响。 

HR6P62H芯片核心采用两级流水线，哈佛型RISC结构并集成了众多外围器件如模拟比较器电路、参考电压模块、硬件看门狗、一个16位定标计时／外部计数器、一个8位定标定时／外部计数器、一个带有周期寄存器的 8位定标定时器、一路CCP(捕获／比较／脉宽调制)模块、HUASRT(高速同步／异步接收发送器)模块和8位4通道ADC模块。支持低功耗睡眠模式、外部中断、PB口高4位变化中断等，具有强大的中断处理能力，能处理8级中断。数据存储器存储深度为224×8位。程序存储器存储深度为2k×16位。寻址方式有直接寻址、间接寻址和相对寻址三种。片内有上电复位和掉电复位电路，16个双向口。采用HR6P62芯片设计，整个HID安定器控制电路将变得非常简单。利用内部软件的设计，又保留了控制的灵活性。通过软件，微控制器可以检测和发出信号，实现HID灯的冷热启动，功率闭环调节，灯异常保护等功能。基于HR6P62单片机的HID安定器的电路结构图如图2所示。 



车载直流电源通过DC／DC变换器给高压点火电路提供能量，点火成功后给HID灯的正常运行提供能量。全桥逆变控制器将直流电压逆变为高频方波电压。 HR6P62单片机则控制开始时电容充电放电，打火后的赋能，正常运行时的逆变控制及各系统工作状态的检测。HID灯的运行包括以下四个阶段： 

1．电容充电点火阶段 

HR6P62 单片机控制程序通过DC／DC变换器的母线电容进行400V恒压闭环，倍压整流输出电压通过过放电电容进行充电，逐渐使放电电容充电至600V。在高压包原边的放电电容达到600V后，就会对放电管击穿放电，在高压包的副边瞬间产生一个23kV～30kV的高压脉冲。

2．稳弧赋能阶段 

一旦高压脉冲击穿氙气灯，灯阻抗会立即降到几十欧姆。 

这时需要3A～12A的电流来维持电弧的稳定。电弧稳定以后，HID灯的特性将完全取决于它的初始温度。热启动的HID灯的电压会保持在85V左右，而冷启动的HID灯的电压会维持在20V左右。因此，冷启动时需要一定的赋能时间来提供足够的能量，以保证HID灯能正常工作。 

3．降功率阶段 

HID灯启动后如果功率下降慢了会影响灯的寿命，下降太快又容易导致灯熄灭，因此对冷启动来说，灯功率要在10s内降到正常允许的范围，以使HID灯电压稳定到85V左右。而热启动情况下，—般不会产生熄灭的危险，所以灯功率可以降得快一些。 

4．稳定运行阶段 

经过降功率阶段，HID灯即进入稳定运行阶段。这个阶段HID灯的电压取决于初始灯的状态和寿命，一般为80V～100V，使HID灯的功率保持在额定范围，从而保证HID的使用寿命。 

五、HID灯控制系统的发展 

HID安定器的发展经历了模拟、模拟加数字和全数字控制3个主要阶段。目前处于向数字控制全面过渡的时期。 

模拟控制以其响应速度快、使用方便的特点，在HID灯的发展初期得到广泛应用。但模拟控制器也存在明显的缺点，如难以实现标准化、集成化，同时，模拟电路设计复杂，需要对各项参数进行调整，不利于大规模流水化生产。 

模拟加数宇混合控制是目前较常用的控制方法。所谓的数模混合控制就是系统的闭环控制中既有数字控制，也有模拟控制。整个HID灯控制系统是一个双环系统，外环是功率环、电流环或者电压环，而内环是电流环。由于内环实现PWM控制，因此要求很快的响应速度。最典型的一种数模混合控制就是使用一个快速内部模拟电流环路和一个带宽较小的廉价外部数字控制环路的混合控制方案。 

随着电子技术的不断发展，数字芯片的功能不断强大，成本不断降低，使得全数字HID灯控制系统成为当前研究的热点。由于系统采用MCU进行AD采样控制，使得大批量生产的HID灯安定器的质量稳定性大幅提高。原有模拟方案输出功率控制精度大约为±2W，而采用数字控制后，输出功率控制精度可以控制在±0.5W以内。同时，单片机控制整个系统回路，可以实现完善的HID控制曲线。单片机丰富的资源，大大简化了HID灯安定器的系统结构，可以实现HID安定器的小型化和扁平化。单片机快速检测和判别系统状态，可以有效提高HID灯的安全性能。因此，全数字HID灯安定器具有以下几个优点： 

(1)启动前控制全桥开关给放电电容充电，启动后控制全桥先工作在直流模式，然后进入交流工作模式。 

(2)根据灯的冷热情况，对灯直流工作时间和电流的大小进行控制。 

(3)精确控制灯在启动过程中的功率，使灯启动特性符合Vedilis曲线。 

(4)使灯在灯电压正常工作范围内保持恒功率状态。 

(5)对电池电压进行过压和欠压保护。 

(6)对灯进行灯电压过压和欠压保护、灯电流过流保护。 

所以，全数字HID灯控制系统将会在今后的安定器市场中得到越来越广泛的应用。采用全数字控制实现方法无疑是HID灯安定器未来的发展方向。