基于Simulink/Stateflow的汽車轉向燈控制系統的研究

倪朋朋，顧海全，王文斌，鄭麗麗

(常州星宇車燈股份有限公司,江蘇常州 213000)

0 引言

車燈是汽車必不可少的零部件，除了夜間照明外，更重要的是對其他行駛車輛和行人具有警示和提醒的作用，汽車轉向燈作為指示汽車運行狀態的信號燈關乎汽車運行安全，國際和國內都制定了一些重要法規來保障動態轉向燈的安全可靠。

主機廠和燈具生產企業為了保障燈具安全可靠，除了遵守相關法規外，還會制定一些項目開發流程來對項目進行規范和節點把控。燈具控制器作為燈具的核心部件，其硬件和軟件一直是設計過程中的重點。軟件的運行依賴于硬件平臺，按照傳統的開發方式，需要等硬件完成后才能調試軟件，如果此時發現大的邏輯缺陷，不僅軟件硬件需要修改，可能整個設計方案都需要更改，影響項目開發效率和項目節點。目前主機廠和一些零部件供應商對ECU單元的開發多采用基于模型的設計，使用MATLAB等工具箱進行前期模型的設計及仿真，可以驗證方案的可行性，并對模型進行測試。最后將可靠的模型生成不同的目標代碼下載到ECU單元，可縮短項目開發時間，提高開發效率。

1 動態轉向燈控制系統的組成

1.1 硬件組成

動態轉向燈控制系統主要由車身端BCM、控制芯片MCU、LED驅動電路組成。BCM一個通道輸出13.5 V常電，一個通道輸出頻率為1.25 Hz；PWM的占空比為50%；13.5 V常電經LDO轉換成5 V給MCU供電，PWM給LED驅動供電。同時MCU檢測PWM信號的上升沿來保證動態轉向燈的同步性，系統原理如圖1所示。

1.2 軟件處理邏輯

動態轉向燈控制器會對LED驅動芯片錯誤反饋引腳進行實時監控，一旦出現錯誤信息，LED驅動芯片Fault引腳輸出高電平，MCU檢測到高電平信號時，首先關閉動態轉向燈，然后向MCU內部的EEPROM寫入錯誤代碼。

系統重新上電時若檢測到Fault反饋端仍然為高電平，那么動態轉向燈繼續關閉；若檢測到Fault反饋端為低電平，則說明上次的故障檢測屬于錯誤的檢測，那么MCU將擦除上次存儲的故障代碼，重新開啟動態轉向燈。邏輯功能流程如圖2所示。

圖1 系統硬件框圖

圖2 邏輯功能流程

2 Simulink/Stateflow建模與仿真

根據動態轉向燈的控制系統硬件框圖，分別對BCM、LED驅動及MCU建模，其中MCU的模型主要包括信號濾波及信號處理功能。

2.1 BCM模型建立

通過對主機廠BCM輸出波形實測，發現BCM在電壓低于13.1 V時輸出頻率為1.25 Hz、占空比50%的方波；當電壓高于13.1 V時，BCM進行過壓保護，輸出的方波在高電平周期會帶有100 Hz的載波，且載波隨著電壓的升高，頻率不變、占空比減小。為了實現這種波形，選用鋸齒波模塊，該信號在周期內線性增大，每個周期都復位歸零。由于BCM輸出的方波為1.25 Hz，所以在鋸齒波的設置中，將幅值范圍設置為[0,2]，周期為[0,0.8]。生成變占空比PWM信號，還需要正弦波模塊，與鋸齒波進行幅值比較，將正弦波幅值設為[0,1]，經布爾邏輯運算輸出波形，搭建好的模型結構如圖3所示。

圖3 BCM模型

為了能準確反映BCM工作機制，同時也是生成代碼的需要，將仿真的步長設置為固定步長，步長越小仿真越精確不失真，所以將步長設置為1 ms。為了模擬出BCM在13.1 V以上帶載波的情況，需要將正弦波的頻率參數設置為2×π×100，即正弦波的頻率為100 Hz，BCM模型輸出波形如圖4所示。上面為鋸齒波，中間為頻率100 Hz的正弦波，下面為頻率1.25 Hz、占空比50%的方波，同時在高電平周期帶有100 Hz載波。

圖4 BCM模型輸出的波形

2.2 MCU模型建立

MCU作為主控芯片主要功能是對信號檢測濾波，根據信號進行邏輯判斷，輸出高電平驅動LED電路工作，因此對MCU的建模主要針對這些功能進行。

(1)信號檢測及濾波模型

MCU的管腳對PMW信號進行檢測，在高電平周期控制動態轉向燈流水點亮。為了保證所有燈具的同步性，需要對PWM上升沿檢測，由于BCM輸出電壓高于13.1 V時，高電平帶有100 Hz載波，因此如果不對載波進行濾波，動態轉向燈將無法正常工作。通過分析載波特征，發現載波周期不變、占空比隨電壓升高而變大。因此可以在轉向燈正常工作最高電壓下測出載波低電平時間，設置一個閾值，即可將載波濾除，輸出頻率1.25 Hz、占空比50%的方波。采用Sateflow建模如圖5所示。

圖5 載波濾波模型

濾波效果如圖6所示，下方為帶載波PWM，上方為濾波后PWM。

圖6 濾波效果

(2)上升沿檢測模型

為了保證汽車左右燈具的同步性，對PWM進行上升沿檢測，檢測到上升沿信號后才執行動態轉向功能，上升沿檢測模型如圖7所示。PWM信號輸入，通過一個Delay模塊將信號分為前一個狀態u和后一狀態u0，2個信號進入Chart進行邏輯判斷輸出上升沿信號PWM_edge。

圖7 上升沿檢測模型

圖8為上升沿檢測輸出波形，上方為輸入PWM信號，下方為輸出的上升沿信號，具有很好的追隨性，延遲時間為1 ms。

圖8 上升沿檢測信號輸出

(3)信號邏輯處理模型

經過上述幾個模塊對信號的檢測處理，可以獲得高電平狀態PWM_State及上升沿信號Up_Flag，對2個信號進行邏輯判斷的模型如圖9所示。模型有2個狀態：OFF和ON狀態。OFF狀態是默認狀態對LED進行關閉，ON狀態是按照設置的時序將LED依次打開。

圖9 動態轉向燈開關狀態切換

2.3 LED驅動模型

LED驅動模型工作流程如圖10所示。

圖10 模型工作流程

當MCU管腳輸出高電平時，可以使LED驅動導通將LED點亮。為了能夠顯示模型工作狀態，建立一個LED模型，當LED模型接收到高電平信號后，由白色變成黃色，表示LED點亮。采用S函數的方式創建LED模型，在仿真的各個階段，Simulink引擎調用不同的方法，執行各項任務。在第一次執行循環之前，Simulink引擎會初始化S函數，然后進入仿真循環階段，在每個循環內系統會按照初始化階段決定的次序依次執行各模塊，模型工作流程如圖10所示。

根據模型工作流程圖編寫S函數的t_led.m文件，將t_led.m添加到S-Function模塊中，再將模塊封裝成LED驅動模型，LED關閉時為白色，點亮時為灰色，如圖11所示。

圖11 LED驅動模型

3 仿真結果和分析

將上述創建的各單元模型，根據硬件系統框圖，組成基于Simulink/Stateflow的動態轉向燈控制系統模型，如圖12所示。運行控制系統模型，BCM模塊輸出PWM信號，經過濾波模塊和上升沿檢測模塊，將處理的信號傳遞給Turn_LED模塊，控制LED周期性流水點亮。

圖12 控制系統模型

通過示波器Scope采樣每組LED的輸入電流，如圖13所示。共9組LED依次點亮，每組間隔20 ms，幅值可以表示電流大小，仿真結果符合預期。

將控制系統模型利用Simulink工具箱進行覆蓋度檢測、兼容性檢測、軟件在環測試、硬件在環測試后，將算法部分利用代碼生成工具Code Generation生成C代碼，并將代碼嵌入手寫應用程序中，編譯通過后下載到硬件電路板，用示波器和電流鉗實測時序電流圖,縱坐標設置為電流值(mA)，橫坐標為時間(ms)，如圖14所示。

圖13 仿真轉向燈時序電流圖

圖14 實測動態轉向燈時序電流圖

4 結論

本文作者通過對汽車轉向燈控制系統的研究，采用基于模型設計的方式，以MATLAB2016a為軟件平臺，基于Simulink/Stateflow對硬件系統進行建模。對模型進行仿真和測試，并將控制算法自動生成C代碼，再將C代碼嵌入到工程中下載到硬件電路板，實測波形與仿真波形一致。采用基于模型設計的方式，工程師前期可以脫離硬件平臺研究需求，快速進行算法驗證。同時進行自動代碼生成和對代碼進行測試，避免了傳統手寫代碼開發項目，前期需要依賴硬件平臺，開發周期長，一般需要重復多次才能成功的弊端。