基于LIN總線汽車車門電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟妮

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 咸陽 712000)

0 引言

汽車逐漸成為人們生活中普遍使用的交通工具，汽車也是集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等多種技術(shù)于一體的高端工業(yè)產(chǎn)品[1-2]。世界上的大多數(shù)發(fā)達(dá)國家均是以汽車產(chǎn)業(yè)為國民經(jīng)濟(jì)支柱，汽車技術(shù)發(fā)展水平的高低是衡量一個(gè)國家整體綜合科技水平的重要標(biāo)志。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)汽車的舒適性、經(jīng)濟(jì)性以及智能化要求越來越高，但增加的電子系統(tǒng)和通信設(shè)備，增加了汽車的生產(chǎn)成本，處理不當(dāng)還會(huì)給電子系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性。

在目前的汽車電子控制系統(tǒng)中，車門控制系統(tǒng)是非常重要的一部分。汽車車門系統(tǒng)包括4個(gè)自動(dòng)升降電動(dòng)車窗、2個(gè)傳感器門鎖、2個(gè)外部自動(dòng)折疊后視鏡以及一些按鍵LED燈。其中主駕駛側(cè)車門需要對(duì)左右后視鏡以及4個(gè)車窗進(jìn)行控制，因此側(cè)車門控制為車門電子控制非常關(guān)鍵的一部分。車門控制系統(tǒng)中的其他子模塊控制方式基本類似，但車門控制系統(tǒng)相對(duì)整個(gè)汽車控制系統(tǒng)又是相對(duì)獨(dú)立的一部分，因此可用汽車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將車門控制系統(tǒng)與整個(gè)汽車控制系統(tǒng)連接。

在傳統(tǒng)的車門控制中基本采用CAN總線進(jìn)行控制，但CAN總線控制方式增加了車門通信設(shè)備的復(fù)雜性，在車門控制中需要增加多個(gè)傳感器和驅(qū)動(dòng)器[4-6]。在車門控制中并不需要實(shí)時(shí)性太高，因此傳統(tǒng)的CAN總線控制導(dǎo)致通信成本過高。為了解決這個(gè)問題，引入了LIN總線，LIN總線造價(jià)低，傳輸速度和性能均能滿足車門控制性能要求。

1 基本概念

LIN總線作為CAN總線的補(bǔ)充，在汽車網(wǎng)絡(luò)控制中被廣泛應(yīng)用。該控制總線可以有效降低通信設(shè)備成本，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。LIN總線主要用于汽車外部設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接，如電動(dòng)車窗、電動(dòng)后視鏡、電動(dòng)天窗、車內(nèi)LED燈的控制。

LIN總線特點(diǎn)：

1) LIN總線硬件成本低；

2) LIN總線通信可以大大減小線束，減小占用空間；

3) 傳輸速率可以達(dá)到20 kbit/s

4) 單主控器/多從設(shè)備模式無需仲裁機(jī)制；

5) 節(jié)點(diǎn)控制不需要通過晶振活陶瓷振蕩器便可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制設(shè)備的同步，從而節(jié)省了設(shè)備的硬件成本；

6) 保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間；

7) 可以在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，而不需要對(duì)LIN從節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件進(jìn)行變更；

8) 通常一個(gè)LIN 網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)目<12 個(gè)，共有64 個(gè)標(biāo)志。

LIN硬件的實(shí)現(xiàn)可以利用傳統(tǒng)的串行通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，通過普通的I/0接口加上定時(shí)器進(jìn)行模擬器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此實(shí)現(xiàn)成本較低。LIN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是基于主從結(jié)構(gòu)，采用單線進(jìn)行通信，因此可以大大減小導(dǎo)線的線束。LIN的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)汽車各控制系統(tǒng)的分布式連接。

2 控制系統(tǒng)總體方案

傳統(tǒng)的汽車電子控制系統(tǒng)常采用多個(gè)繼電器以及保護(hù)電路組成，電流信號(hào)通過中間繼電器傳送到汽車的ECU中進(jìn)行控制。由于汽車電子控制路數(shù)較多，因此造成每一路都需要一束導(dǎo)線，從而導(dǎo)致線束過多，如果需要增加一個(gè)功能就需要改動(dòng)多個(gè)線路，這樣便造成以下問題：

1) 多個(gè)線路的改動(dòng)造成維修難度較大；

2) 多個(gè)線速的捆綁容易相互之間出現(xiàn)干擾；

3) 硬件設(shè)備的增加必然增加了汽車生產(chǎn)成本。

為了解決上述問題，通常采用CAN總線進(jìn)行控制，CAN總線傳送速率高、容錯(cuò)率低，在汽車控制領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，由于汽車車門控制相對(duì)簡單，如若采用CAN總線勢(shì)必增加各設(shè)備間的通信復(fù)雜度，造價(jià)相對(duì)較高[7-8]。LIN總線可以有效解決上述問題，不僅可以減小線束，又可提高系統(tǒng)的可修改性，同時(shí)又降低了生產(chǎn)成本。本文所設(shè)計(jì)車門控制總體方案如圖1所示。上層為CAN總線網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于控制相對(duì)復(fù)雜和困難設(shè)備中，而子層網(wǎng)絡(luò)為LIN總線，應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不高以及復(fù)雜程度低的場合。

圖1 車門控制系統(tǒng)總體方案

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

駕駛室車門控制單元主要包括外部后視鏡調(diào)節(jié)按鈕、駕駛側(cè)和副駕駛側(cè)電動(dòng)車窗按鈕、后排左右電動(dòng)車窗按鈕、一件童鎖按鈕、背景LED燈調(diào)節(jié)。硬件設(shè)計(jì)包括LIN收發(fā)器、電源管理芯片、微控制器MCU、信號(hào)采集芯片以及負(fù)載驅(qū)動(dòng)芯片等。車門硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車門控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1) LIN收發(fā)器

LIN總線與CAN總線相比不需要專用的控制器來實(shí)現(xiàn)協(xié)議，LIN通過LIN收發(fā)器即LIN物理接口，通過SCI/UART與MCU完成通信。本文采用MC33689LIN收發(fā)器，該收發(fā)器主要是針對(duì)汽車電子系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，其通信速率能夠達(dá)到20 kb/s。其內(nèi)部原理如圖3所示。

圖3 LIN收發(fā)器內(nèi)部原理

2) 電源管理芯片

電源管理芯片配合外部電路將汽車蓄電池所提供的12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，系統(tǒng)選用的電源管理芯片為TLE4268，芯片靜態(tài)電流低于1 mA，并帶有看門狗功能，在軟件程序中如果陷入死循環(huán)，則可以將MCU進(jìn)行復(fù)位，從而有效保證了PWM的有效運(yùn)行。

3) 微控制器MCU

微控制器MCU作為汽車控制系統(tǒng)的大腦，該硬件的選型設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。在綜合考慮運(yùn)行速度、性能、價(jià)格等因素后，選擇MC68HC908GP32作為LIN主機(jī)節(jié)點(diǎn)的MCU，該模塊擁有價(jià)格便宜、集成度高，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。

4) 信號(hào)采集芯片

在車門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，左前主機(jī)節(jié)點(diǎn)眾多，因此需要一個(gè)專用的信號(hào)采集小系統(tǒng)去完成信號(hào)采集任務(wù)，信號(hào)采集芯片采用MC33884信號(hào)采集芯片，該芯片工作電壓在5 V～26 V，與MCU通過5 V的SPI協(xié)議完成通信，MC33884將多路信號(hào)開閉狀態(tài)轉(zhuǎn)送到MCU中進(jìn)行判斷。

5) 負(fù)載驅(qū)動(dòng)芯片

車門負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電機(jī)，直接采用MCU無法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)選用VNH3SP30芯片進(jìn)行控制，通過該芯片輸出較大的直流電流對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，該款驅(qū)動(dòng)芯片能夠輸出30 A電流，通過多路MCU 5V I/O輸出進(jìn)行控制。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在主程序運(yùn)行之前先對(duì)I/O輸入輸出口、時(shí)鐘發(fā)生單元、看門狗等寄存器進(jìn)行初始化處理，即完成程序的預(yù)編譯。完成上述操作后則進(jìn)入主程序，對(duì)車門電子控制系統(tǒng)中的LIN收發(fā)器、MCU A/D采集單元、SCI單元、TPM單元進(jìn)行初始化，然后開啟中斷主程序開始按照?qǐng)D4所示的程序進(jìn)行無限循環(huán)。

圖4 駕駛室車門控制流程

4 功能測試

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的有效性，首先進(jìn)行軟件編程并利用軟件自有的編譯和調(diào)試功能完成控制系統(tǒng)的初步測試，如圖5所示。通過編譯操作可以查看軟件程序的編寫是否存在錯(cuò)誤，當(dāng)程序存在錯(cuò)誤時(shí)，頁面便會(huì)提示錯(cuò)誤信息，修改完錯(cuò)誤程序后，可以利用PE專用下載器將程序下載到所設(shè)計(jì)的控制器中。

圖5 程序編譯查看

以左前門上升和下降為例進(jìn)行驗(yàn)證，通過軟件觀察參數(shù)變化。當(dāng)按下左前車窗按鈕時(shí)，可以看到左前下降輸入端輸入低電平，然后下降輸出引腳輸出高電平給繼電器，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，車窗下降。當(dāng)抬起左前車窗按鍵時(shí)，左前上升輸入端口輸入低電平，上升輸出引腳輸出高電平控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，車窗上升。經(jīng)過測試，車門控制均能按照預(yù)定動(dòng)作完成相應(yīng)動(dòng)作，說明該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車門系統(tǒng)功能。然后利用示波器檢測LIN總線上的信號(hào)是否顯示正常，如圖6為示波器所測到的一組信號(hào)。將圖6中測到的信號(hào)經(jīng)過整理后與報(bào)文協(xié)議中的內(nèi)容進(jìn)行比對(duì)，可知傳輸?shù)男盘?hào)復(fù)合LIN報(bào)文幀格式和內(nèi)容，從而證明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)正常的LIN通訊。

圖6 LIN總線信號(hào)

5 結(jié)語

汽車電子控制技術(shù)很大程度上決定了汽車發(fā)展的前景。本文針對(duì)傳統(tǒng)單純CAN總線控制存在的缺點(diǎn)，提出了一種基于LIN總線的車門控制系統(tǒng)，并對(duì)車門總線系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。詳細(xì)了設(shè)計(jì)LIN總線控制方案，并給出了控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方法。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)，可以有效提高車門控制的實(shí)時(shí)性。

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