淺析燈光刮水組合開關信號輸出形式

汪思泉

（東風汽車公司技術中心電子電器部，湖北 武漢 430058）

汽車上的燈光刮水組合開關 （以下簡稱組合開關）用來操作外部燈光的開閉和前后刮水的工作，最為典型的組合開關有位置燈、近光燈、遠光燈、遠光變光、前霧燈、后霧燈、左轉向燈、右轉向燈等燈光操作開關，以及前刮水噴水、前刮水高速、前刮水低速、前刮水間歇、前刮水間歇時間調整、后刮水噴水、后刮水等操作開關。在組合開關內部，有多個這樣不同功能的開關觸點，在駕駛員的操作下，這些開關觸點接通或者斷開，產生控制信號。那么這些控制信號通過什么輸出形式控制對應的燈光、刮水等電器設備呢？這些輸出形式各有什么特點呢？本文逐一進行探討。

1 點對點信號輸出形式

在車身控制器 （Body Controller Model，以下簡稱BCM）還沒有裝備到汽車上時，基本上每個功能觸點對應一個信號輸出，組合開關有多少種功能或多少個控制對象，就有對應的開關信號輸出，這種信號形式在本文稱之為點對點信號輸出，如圖1所示。

為滿足GB4785法規的要求 （如只有在位置燈打開時，近光燈、遠光燈、前霧燈才能打開；只有在近光燈、遠光燈、前霧燈打開時，后霧燈才能打開等），點對點信號式的組合開關結構相對復雜，部分開關需要實現聯動，如在近光燈、遠光燈檔位時，位置燈開關要求保持導通；再如多數洗滌器通過洗滌電動機正轉、反轉實現前后風窗洗滌，所以前洗滌開關、后洗滌開關要設計成互鎖的結構，同時還要控制洗滌電動機能夠正反轉工作。點對點信號式組合開關多為功率型開關，要求能夠直接驅動電器設備，因此開關觸點的容量必須與電器設備的容量匹配，如遠光燈開關的容量為10 A左右。另外，這種類型的開關基本上是一對一地控制電器設備，因此需要多根導線，圖1中就有19根導線，一對一導線形式增加了線束成本和質量。采用點對點信號式組合開關的車型有神龍汽車公司早期的富康、愛麗舍，東風風神S30、東風悅達起亞K2、K3、K5等車型。

2 電阻信號輸出形式

在BCM裝備到汽車上后，在不更改組合開關的結構、操作形式的條件下，只需要在開關內部對各個開關觸點信號做電路原理更改，就可以減少組合開關的信號輸出回路。為了實現這個目的，可以將開關信號分組，如位置燈、近光燈信號分為一組，遠光燈、遠光變光信號分為一組，前霧燈、后霧燈信號分為一組，左轉向燈、右轉向燈信號分為一組，前刮水高速、前刮水低速、前刮水間歇信號分為一組，前刮水間歇時間調整、后刮水信號分為一組，前刮水噴水、后刮水噴水開關的電路保持不變。除前后刮水噴水開關信號外，其余各組開關狀態可以用電阻值表示，分別用一條輸出回路。以位置燈、近光燈這一組的開關信號為例，正常情況下，開關只可能處在OFF、位置燈、近光燈某個檔位，因此可以用不同的電阻值表示開關的當前狀態，開關的電路原理如圖2所示。

在圖2中，當開關處在OFF檔位時，電路對外輸出為斷路，電阻值為無窮大；當開關處在位置燈檔位時，電路對外輸出電阻值為R1，當開關處在近光燈檔位時，電路對外輸出電阻值為R1、R2的并聯阻值。通過設置不同阻值的R1、R2，位置燈、近光燈這一組的開關狀態就可以通過電阻值的形式輸出。BCM接收到這一回路的信號后，讀取回路的分壓值，進而計算出回路的輸出電阻，便可以識別燈光開關的當前檔位，從而控制位置燈、近光燈的點亮和熄滅。其他各組開關的狀態可以依此通過回路的電阻信號輸出，在本文稱之為電阻信號輸出形式。按照這種形式，組合開關、BCM、燈光、刮水組成的系統電路原理圖如圖3所示。

可以看出，在相同功能、相同配置的情況下，電阻信號式組合開關的回路數比點對點信號式有明顯的減少，從19根導線減少到13根導線，這有利于減少線束成本和質量。電阻信號式的組合開關配合BCM的控制功能，可以將組合開關從功率型開關轉變為信號型開關，從而減小組合開關的負載功率，提高開關的使用壽命。奇瑞A13車型就采用了電阻信號式的組合開關。

然而，電阻信號式組合開關存在應用上的局限性。由于電阻值存在一定誤差，約±5%，組合開關輸出回路的阻值就有誤差。為了避免這些誤差引起BCM錯誤判斷，需要將各個開關組輸出回路在不同狀態時的輸出阻值拉開間隔。BCM的信號輸入回路電源電壓值為5 V，因此可以按外部電路分壓值為0V、0.5V、1.0V、1.5V……4.0V、4.5V來合理選取電阻，這就限制了每個開關組輸出回路最多只能有10種狀態，按照數學的組合原理，每個開關組最多只能有3個開關，這就是電阻信號式組合開關要將開關分成多個開關組的原因。

3 矩陣信號輸出形式

受電阻信號輸出形式的啟發，設計人員提出了一種矩陣信號輸出形式的組合開關，組合開關內部電路原理圖如圖4所示。BCM通過5個輸出接口、5個輸入接口，讀取組合開關的狀態，然后根據這些狀態對電器設備進行控制，最多可以讀取25個開關信號。

BCM周期性的接通晶體管T1～T5，如周期T設定為10 ms，在每個周期里，按1—2—3—4—5的順序依次接通晶體管，每個晶體管接通時間設定為t1，相鄰晶體管接通的時間間隔設定為t2。如圖5所示，在某個周期內，晶體管T1接通，輸入電路1、2、3、4、5可以讀取開關1、2、3、4、5的狀態，然后，晶體管T1關斷，間隔t2時間后，晶體管T2接通，輸入電路1、 2、 3、 4、 5可以讀取開關6、 7、 8、 9、10的狀態……最后，晶體管T4關斷，間隔t2時間后，晶體管T5接通，輸入電路1、2、3、4、5可以讀取開關21、22、23、24、25的狀態。如此，BCM在1個周期內可以完成對各個開關狀態的讀取。由于1個周期的時間極短，BCM可以實時讀取開關的狀態，既不會出現信號的延時，又不會造成開關信號的丟失。

點對點信號式的組合開關，經過簡單的電路再設計，就可以實現矩陣信號輸出形式。在組合開關新開發過程中，如果采用矩陣信號輸出，可以簡化組合開關的內部結構和電路設計。以位置燈開關為例，GB4785法規要求，只有在位置燈打開時，近光燈、遠光燈、前霧燈才能打開，因此點對點信號式的組合開關在結構和電路設計上必須保證在打開近光燈、遠光燈、前霧燈時，位置燈開關信號必須保持接通，即位置燈開關信號必須與上述3種開關信號聯動，而采用矩陣信號式的組合開關，就不需要開關信號聯動了，因為在機械結構設計上已經保證了要打開近光燈，必須先將開關擰到位置燈開關檔位，然后才能擰到近光燈檔位。這樣，在近光燈開關接通時，位置燈開關信號可以不接通，BCM讀取到近光燈開關已經接通，認為位置燈開關已經接通了，從而可以簡化組合開關內部開關觸點和電路的設計。其他開關的簡化處理，此處不一一分析。

通過以上的分析，可以看出矩陣信號式的組合開關有2個明顯的特點：一個是通過BCM的N條輸出電路和N條輸入回路，可以實時讀取N×N個開關信號，可以顯著地減少組合開關的信號輸出回路，N越大，效果越明顯，5輸出5輸入的矩陣可以讀取25個開關，6輸出6輸入的矩陣可以讀取36個開關……目前，5輸出5輸入的矩陣已經可以滿足大多數組合開關的使用，因此最常見。另一個特點是可以簡化開關內部的機械結構和電路設計。東風日產軒逸、東風風神A60等車型采用了矩陣信號式的組合開關。

4 LIN總線輸出形式

LIN是一種低成本的串行通信網絡，用于汽車中分布式電子系統控制。LIN通信是基于SCI（UART）數據格式，傳輸速率最高可達20kbit／s。LIN總線采用單主控制器／多從設備的模式，僅使用一根12 V信號總線和一個無固定時間基準的節點同步時鐘線，不需要改變LIN，從節點的硬件和軟件就可以在網絡上增加節點。

一個LIN網絡由一個主節點、一個或多個從節點組成，主節點采用輪詢各個從節點的形式控制總線，并與總線上其余節點共享總線數據。從節點僅在接到主節點的命令時才進行數據傳輸，這樣就可以進行雙向傳輸并且無需進一步的仲裁。1個LIN數據幀可以1次傳輸2、4或者8個字節的數據信息，數據長度可以靈活配置。

LIN總線的以上特點和特性，使組合開關采用LIN總線輸出信號成為可能。首先，BCM可以定義為一個主節點，負責LIN網段報文的管理和調度，組合開關及其他設備可以分別定義為從節點，由此組成的LIN網絡架構如圖6所示。

實現LIN總線式的組合開關，需要設計一個控制器，如圖7所示，將所有開關信號直接引入控制器輸入回路，控制器讀取這些開關信號后，經過數據處理，便可以通過LIN線發送給BCM，BCM從而控制相應的電器設備。由于組合開關的信號數量不多，可以用2個數據字節來表示開關的狀態，舉例如下。

Byte1用來定義燈光開關信號：Bit7，Bit6，Bit5，Bit4， Bit4， Bit3， Bit2， Bit1， Bit0。 Byte1各個Bit定義見表1。

Byte2用來定義刮水開關信號：Bit7，Bit6，Bit5， Bit4，Bit3， Bit2，Bit1， Bit0。Byte2各個Bit定義見表2。

表1 Byte1各個Bit定義

表2 Byte2各個Bit定義

LIN總線式的組合開關需要在組合開關內部增加控制器，相應地增加了組合開關的成本，大約增加25～30元，但組合開關僅需要2根電源線和1根LIN線，大幅地減小開關的輸出回路和線束成本，大約能減少25～28元 （包括導線數量和插接件成本的減少等）。兩者比較，總體增加2元左右，在可以接受的范圍內，因而成為乘用車較多采用的形式。使用LIN總線，可以實現對組合開關的診斷功能。華晨寶馬3系、長安福特翼虎、新福克斯等車型的組合開關就采用了LIN總線的輸出形式。

5 CAN總線輸出形式

CAN總線即控制器局域網，是應用最廣泛的開放式現場總線之一。相比LIN總線，CAN總線數據通信沒有主從之分，根據總線訪問優先權，任意一個節點可以向任何其他節點發起數據通信。通信距離最遠可達10 km （速率低于5 kb／s），速率可達到1Mb／s（通信距離小于40m）。CAN總線傳輸介質可以是雙絞線或同軸電纜。CAN總線適用于大數據量短距離通信或者長距離小數據量、實時性要求比較高、多主多從或者各個節點平等的現場中使用。

作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、擴展性強的通信控制形式，CAN總線已被廣泛應用到汽車控制系統通信中。隨著CAN總線的廣泛應用，CAN總線模塊的成本也大幅下降，幾乎接近LIN總線成本。現在中高級車型上的組合開關，如神龍汽車公司凱旋、一汽大眾奧迪A6L、A4L等車型，已經采用CAN總線的信號輸出形式。CAN網絡架構如圖8所示。

同LIN總線式的組合開關一樣，實現CAN總線式的組合開關，需要設計一個控制器，將所有開關信號直接引入控制器輸入回路，控制器讀取這些開關信號后，經過數據的處理，便可以通過CAN線發送給BCM，BCM從而控制相應的電器設備。1個CAN數據幀包含8個字節的數據，組合開關的信號數量不多，可以用2個數據字節來表示開關的狀態，同上文LIN字節定義一樣，其余的Byte3～Byte8為預留字節。

CAN總線式的組合開關成本略高于LIN，組合開關需要2根電源線和2根CAN總線，相比點對點信號式的組合開關，會引起車輛成本增加2～3元左右。CAN總線最大的優點是擴展性好，在不更改組合開關結構、電路和硬件的情況下，可以方便地實現組合開關功能的擴展和升級，還可以實現組合開關的診斷功能。

6 結束語

組合開關以上5種信號輸出形式，是伴隨著汽車電子技術的發展而先后出現的，它們體現了組合開關信號輸出的發展趨勢，也體現了人們對降低汽車成本、質量的要求。在實際工程設計中，可以根據實際情況，結合現有產品、技術能力等因素綜合考慮，選擇最適宜的形式和方案。