基于LIN總線的汽車后視鏡控制模塊設(shè)計(jì)

呂春豪，郭利進(jìn)，陳東旭

(天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387)

隨著汽車技術(shù)的日益發(fā)展，汽車設(shè)備的電子化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志之一。傳統(tǒng)汽車后視鏡是采用手動方式調(diào)整位置。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前汽車的后視鏡多采用網(wǎng)絡(luò)控制方式，以減少駕駛員對后視鏡模塊的頻繁操作，提高駕駛舒適性和安全性。采用網(wǎng)絡(luò)方式控制的后視鏡系統(tǒng)，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了兩個控制單元和一個控制網(wǎng)絡(luò)，這樣用戶可以由車外控制轉(zhuǎn)變?yōu)檐噧?nèi)控制。LIN總線是一種建立在通用SCI或UART硬件接口上，用于將車輛中分布的智能傳感器和執(zhí)行器連接到車內(nèi)主控制器的單總線(12 V)串行通信協(xié)議。由于目前尚未建立低端多路通信的汽車標(biāo)準(zhǔn)［1］，所以從價(jià)格和實(shí)用性等因素考慮，LIN在低端網(wǎng)絡(luò)中具有較強(qiáng)的競爭力，正逐漸發(fā)展成為低成本串行通信的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［2］。

1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括一個主節(jié)點(diǎn)、一個從節(jié)點(diǎn)和多個擴(kuò)展從節(jié)點(diǎn)，主控單元由主控制器和液晶觸摸屏構(gòu)成，負(fù)責(zé)整個車身電子的控制。從單元由從控制器及后視鏡硬件驅(qū)動電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)后視鏡的底層控制。主單元與從單元依靠LIN總線進(jìn)行相互通信。主控制器將觸摸屏的控制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的LIN指令發(fā)送給從控制器，后視鏡控制器接收到相應(yīng)的指令后，對后視鏡進(jìn)行相應(yīng)的控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電源模塊

電源控制模塊將外部波動的車身電源轉(zhuǎn)換成適合MCU工作的電壓，為MCU提供穩(wěn)定的工作電壓。設(shè)計(jì)選取的電源模塊為LM7805，負(fù)責(zé)將車身12 V電源轉(zhuǎn)換為5 V，所需外圍元件較少，內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用方便可靠、且價(jià)格便宜。

1.2 液晶模塊

液晶模塊是整個系統(tǒng)的輸入，是用戶與系統(tǒng)相互連接的媒介。設(shè)計(jì)選取的液晶型號為Z2104，該屏幕為電阻屏，內(nèi)置VGA控制板，與控制器通過串口進(jìn)行通信，工作電壓為12 V。主控制器可以直接通過串口讀取液晶屏觸摸信號及對液晶屏畫面進(jìn)行控制。主控制器將液晶屏幕的觸摸信號轉(zhuǎn)換成LIN總線指令，通過UART/SCI模塊發(fā)送到LIN總線，同時也能將LIN總線上的數(shù)據(jù)反饋到液晶屏上。液晶模塊是整個系統(tǒng)運(yùn)行的重要載體。

1.3 后視鏡單元

后視鏡單元作為LIN網(wǎng)絡(luò)中的從單元主要由電源模塊、微控制器、電機(jī)驅(qū)動電路等組成。選取Freescale公司生產(chǎn)的高性能汽車型電子型芯片MM908E622作為從單元控制器，內(nèi)置LIN收發(fā)器和電機(jī)驅(qū)動電路，具有良好的調(diào)控能力，適用于控制汽車高端后視鏡。

1.4 控制器模塊

主控單元采用MCU是Freescale公司推出的HCS12系列單片機(jī)，其具有增強(qiáng)型的16位單片機(jī)MC9S12DG128，該系列單片機(jī)在汽車電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［3］。HCS12系列單片機(jī)的中央處理器CPU12由以下3部分組成:算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。CPU外部振蕩器頻率為8 MHz或者16 MHz，通過內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)，可以使內(nèi)部總線速度達(dá)到25 MHz。

MC9S12DG128作為HCS12系列的一種，內(nèi)部資源豐富:(1)時鐘和復(fù)位模塊。(2)存儲器。(3)兩個8路A/D轉(zhuǎn)換器。(4)增強(qiáng)型捕捉定時器。(5)8路PWM通道。(6)兩個異步串行通信接口模塊 SCI。(7)3 個 1 Mbit·s－1，CAN2.0A，CAN2.0B 兼容模塊。(8)SAE J1850網(wǎng)絡(luò)通訊口。

控制器模塊是整個系統(tǒng)的核心，是LIN總線穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。而單片機(jī)MC9S12DG128作為Freescale公司高性能汽車型電子型芯片，能夠滿足系統(tǒng)要求。

1.5 MC9S12DG128與MC33661的硬件連接

LIN收發(fā)器是LIN主/從協(xié)議控制器和LIN物理總線之間的接口，其波特率一般為2.4 ～20 kbit·s－1。設(shè)計(jì)選用Freescale公司的MC33689，是一款通過SPI控制的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片，其內(nèi)部除帶有LIN物理層收發(fā)器外，還集成了很多在以MCU為基礎(chǔ)構(gòu)成的系統(tǒng)中的常用功能。其與MCU的硬件連接如圖2所示。控制器MCU在TXD引腳輸入的發(fā)送數(shù)據(jù)流，通過LIN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成LIN總線信號，并由收發(fā)器控制轉(zhuǎn)換速率和波形。LIN總線的輸出引腳通過一個內(nèi)部終端電阻拉成高電平。收發(fā)器在LIN總線的輸入引腳檢測數(shù)據(jù)流并通過引腳RXD發(fā)送到MCU。LIN總線是一種基于UART/SCI的數(shù)據(jù)格式，一種新型低成本的串行通信總線。

圖2 MC33661硬件連接圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 LIN 協(xié)議

2.1.1 LIN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從協(xié)議通訊的角度看，一個LIN網(wǎng)絡(luò)通常由一個主機(jī)任務(wù)模塊(Master Task)和若干個從機(jī)任務(wù)模塊(Slave Task)組成。主機(jī)節(jié)點(diǎn)中既有主機(jī)任務(wù)模塊又有從機(jī)任務(wù)模塊;其他節(jié)點(diǎn)都只有從機(jī)任務(wù)模塊，如圖3所示。在LIN網(wǎng)絡(luò)中，由主機(jī)任務(wù)模塊決定何時在總線上傳輸什么報(bào)文幀，而從機(jī)任務(wù)模塊則提供每一幀需要傳送的數(shù)據(jù)。主機(jī)任務(wù)模塊和從機(jī)任務(wù)模塊都是幀處理層的組成部分。

圖3 LIN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1.2 LIN 報(bào)文幀

LIN總線的數(shù)據(jù)傳輸采用報(bào)文幀的形式進(jìn)行，一個完整的報(bào)文幀由一個幀頭和一個響應(yīng)幀組成。幀頭包括一個同步間隔場(Synch Break Field)、一個同步場(Synch Field)、和一個標(biāo)識符場，而響應(yīng)幀(Response)則由3～9 Byte場組成:2、4或8 Byte的數(shù)據(jù)場(Data Field)和一個校驗(yàn)和場(Checksum Field)，如圖4所示。報(bào)文幀的用途由標(biāo)識符唯一定義，約定的從機(jī)任務(wù)根據(jù)標(biāo)識符提供的相關(guān)的響應(yīng)幀并發(fā)送到總線上，對這個標(biāo)識符相聯(lián)的數(shù)據(jù)感興趣的從機(jī)任務(wù)將接收響應(yīng)幀并校驗(yàn)，校驗(yàn)通過后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［4］。這樣的通訊機(jī)制帶來了理想的效果，在LIN網(wǎng)絡(luò)中可以直接增加節(jié)點(diǎn)而不需要對其他從機(jī)節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件進(jìn)行修改;報(bào)文的內(nèi)容由標(biāo)識符定義;多個節(jié)點(diǎn)可以同時接收一個單獨(dú)的報(bào)文幀，并對報(bào)文做出反應(yīng)。

圖4 LIN報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

2.2 后視鏡控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LIN總線的軟件設(shè)計(jì)主要是基于主控芯片MC9SDG128的SCI(Serial Communication Interface)編程，SCI串行通信接口，是MCU與外界進(jìn)行串行通信的重要方式，同時也是LIN協(xié)議實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)［5］。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括實(shí)現(xiàn)控制器與LIN總線通訊的中斷程序以及控制器對后視鏡單元控制的主程序。為確保通訊的實(shí)時性，系統(tǒng)采用高優(yōu)先級中斷來接收LIN總線上的信號。為保證系統(tǒng)的實(shí)時性，在中斷處理時除了進(jìn)行一些簡單的判斷和數(shù)據(jù)接收外，其他部分都在主程序中處理。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

2.3 LIN 指令

由于設(shè)計(jì)的從控制器內(nèi)部集成了LIN收發(fā)器，這樣控制器可以直接從總線上進(jìn)行讀取指令，然后分析指令對底層設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制。LIN總線的數(shù)據(jù)格式是固定的，但數(shù)據(jù)長度及指令的定義由用戶自行設(shè)定，同時用戶可以根據(jù)LIN總線協(xié)議添加網(wǎng)絡(luò)子單元。LIN總線中后視鏡節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式如表1所示，其數(shù)據(jù)幀長度為5 Byte，受保護(hù)標(biāo)識符為0x50，讀取后視鏡運(yùn)行狀態(tài)的命令:長度2 Byte0x55，0x92。

表1 后視鏡節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式

2.4 SCI初始化

編程時首先訪問波特率寄存器以設(shè)置串行通信的波特率，然后在SCI控制寄存器中設(shè)置通信格式、是否校驗(yàn)、是否允許SCI發(fā)送接收、是否允許中斷等。最后通過SCI中斷來解決發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。其中，SCI0模塊用于與上位機(jī)測控界面的通信，而SCI1模塊用于LIN總線通信。

2.5 LIN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

LIN協(xié)議的發(fā)送是由報(bào)文實(shí)現(xiàn)，每個報(bào)文由主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的幀頭和主機(jī)或從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文響應(yīng)組成［6］。LIN網(wǎng)絡(luò)的每次通信都是由主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)起，主機(jī)節(jié)點(diǎn)控制整個網(wǎng)絡(luò)的通信配置。主機(jī)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是首先發(fā)送喚醒總線，然后發(fā)送報(bào)文幀頭中的同步間隔和同步場，使從機(jī)與主機(jī)同步，然后發(fā)送標(biāo)示符。從機(jī)任務(wù)接收標(biāo)示符后對標(biāo)示符進(jìn)行濾波確認(rèn)，當(dāng)標(biāo)示符表明節(jié)點(diǎn)與本次通信有關(guān)時，發(fā)送由數(shù)據(jù)和校驗(yàn)組成的響應(yīng)。

3 結(jié)束語

基于LIN總線的汽車后視鏡控制模塊控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、功能較齊、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。此系統(tǒng)利用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種特性，并通過軟硬件功能增添新的特性、實(shí)現(xiàn)使用同一個硬件或者軟件平臺下不同的功能模塊，具有較強(qiáng)的拓展性和廣泛的應(yīng)用前景。

［1］童有好.中國汽車電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.中國經(jīng)貿(mào)導(dǎo)刊，2007(11):27－29.

［2］李劍平.世界汽車電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.客車技術(shù)與研究，2007(2):5－7.

［3］王宜懷.嵌入式系統(tǒng)－使用HCS12微控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4］秦國平.局域互聯(lián)網(wǎng)LIN在分布式車身控制中的應(yīng)用研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［5］SPECKS W J，AJNáK A J.LIN － protocol，development tools and software interfaces for local interconnect networks in vehicles［C］.Baden － Baden:9th Int Conf on Electronic Systems for Vehicles，2000.

［6］陳舒.電動汽車LIN總線車身網(wǎng)絡(luò)高層協(xié)議研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.