車(chē)身中央控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　摘要：采用單片機(jī)MC9S12XS128實(shí)現(xiàn)了一款車(chē)身中央控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中央集控門(mén)鎖、外部燈光、內(nèi)部燈光、雨刷的控制，同時(shí)通過(guò)RF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了防盜報(bào)警功能和遙控門(mén)鎖控制，通過(guò)LIN總線實(shí)現(xiàn)了對(duì)四個(gè)車(chē)窗的控制。

　　關(guān)鍵字：LIN;集控門(mén)鎖;防盜報(bào)警引言

　　汽車(chē)電子已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段，總線技術(shù)、智能傳感、近距無(wú)線、射頻通信等技術(shù)大大提升了汽車(chē)的智能水平，拓展了汽車(chē)的使用空間。根據(jù)其使用領(lǐng)域的不同，一般把汽車(chē)電子劃分為車(chē)身控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、行駛控制系統(tǒng)、信息娛樂(lè)系統(tǒng)四大部分，其中對(duì)于車(chē)身控制系統(tǒng)，一般采取集中式控制、分布式控制兩種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　對(duì)于成本敏感的低端汽車(chē)而言，集中式控制能更好地控制成本，而對(duì)于有一定功能升級(jí)要求的中高端汽車(chē)，采用分布式系統(tǒng)便于功能的擴(kuò)展和升級(jí)?，F(xiàn)在汽車(chē)廠商一般會(huì)針對(duì)汽車(chē)配置級(jí)別的不同采用不同的方案，對(duì)某一車(chē)系的低配，其車(chē)身中央控制器的集中度更高一些，而對(duì)于高配，則把車(chē)身中央控制器的部分功能以單節(jié)點(diǎn)的形式實(shí)現(xiàn)，并添加部分智能化的功能，節(jié)點(diǎn)和車(chē)身中央控制器之間采用CAN總線或LIN總線進(jìn)行通信[1]，比如可以把中央控制器中的車(chē)窗升降功能分離出來(lái)，以單節(jié)點(diǎn)形式實(shí)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)智能化的車(chē)窗防夾手功能。

　　圖1是某車(chē)型采用LIN總線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的分布式車(chē)身控制系統(tǒng)，包括車(chē)身中央控制器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)BCM)、四個(gè)車(chē)窗節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其中BCM作為L(zhǎng)IN主節(jié)點(diǎn)，接收來(lái)自車(chē)窗節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信號(hào)并實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)窗節(jié)點(diǎn)的控制，它是車(chē)身控制系統(tǒng)最主要的單元。以下結(jié)合為該車(chē)型開(kāi)發(fā)的BCM的經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹BCM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其軟硬件實(shí)現(xiàn)。

　　BCM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　BCM是個(gè)典型的控制系統(tǒng)，其輸入接口包括一系列開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)，控制對(duì)象包括門(mén)鎖、燈光、雨刷、車(chē)窗、報(bào)警器，通過(guò)RF信號(hào)和遙控車(chē)鑰匙通信，通過(guò)LIN總線和傳感器節(jié)點(diǎn)及車(chē)窗節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　從圖2可以看出，輸出控制是BCM的核心模塊，輸入信號(hào)檢測(cè)、通訊、防盜報(bào)警狀態(tài)管理都是為輸出控制服務(wù)的。以下就輸入信號(hào)檢測(cè)、輸出控制、LIN通訊三方面描述其硬件設(shè)計(jì)及軟件開(kāi)發(fā)。

　　輸入信號(hào)檢測(cè)

　　根據(jù)輸入信號(hào)的性質(zhì)及其檢測(cè)方式，BCM輸入信號(hào)包括開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)。在電氣特性上，這些信號(hào)都表現(xiàn)為高低電平形式的單根物理連線，其中車(chē)速信號(hào)和碰撞信號(hào)為有周期特性的脈沖信號(hào)，開(kāi)關(guān)信號(hào)則時(shí)間離散，由外部輸入(一般是人的操作)決定。

　　輸入檢測(cè)在硬件設(shè)計(jì)上比較簡(jiǎn)單，進(jìn)行簡(jiǎn)單的限流和濾波[2]，分壓后直接接在單片機(jī)的IO引腳上即可，如圖3所示。

　　在以組合邏輯形式出現(xiàn)的輸出控制邏輯中，在條件A滿足的情況下，激勵(lì)B會(huì)觸發(fā)控制C。開(kāi)關(guān)信號(hào)的狀態(tài)及其變化經(jīng)常作為某個(gè)控制邏輯的條件和激勵(lì)，所以對(duì)于這種在物理上表示為單根連線的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，在邏輯上則對(duì)應(yīng)三個(gè)變量，分別表示該開(kāi)關(guān)信號(hào)的當(dāng)前狀態(tài)及變化。如左轉(zhuǎn)向燈開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)于外部連接端口D3這個(gè)物理信號(hào)，在程序內(nèi)部邏輯上對(duì)應(yīng)的三個(gè)變量為：

　　Bool LeTurnSwitch;

　　Bool LeTurnSw_close_event;

　　Bool LeTurnSw_open_event;

　　LeTurnSwitch表示左轉(zhuǎn)向燈開(kāi)關(guān)的“當(dāng)前狀態(tài)”，LeftTurnSw_close_event表示該開(kāi)關(guān)“從開(kāi)啟到關(guān)閉”的變化，LeftTurnSw_open_event則表示該開(kāi)關(guān)“從閉合到開(kāi)啟”的變化。

　　設(shè)計(jì)一10ms的周期定時(shí)器，周期性讀取IO狀態(tài)，如果三次取值相同，則認(rèn)為該狀態(tài)穩(wěn)定。如果發(fā)生沿跳變，同樣也是三次取值相同才認(rèn)為是有效的沿跳變，否則認(rèn)為是一次抖動(dòng)。這樣既實(shí)現(xiàn)了軟件消抖，又確定了開(kāi)關(guān)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的三個(gè)變量的值。

　　輸出控制

　　BCM的控制負(fù)載包括門(mén)鎖電機(jī)、車(chē)燈、雨刷電機(jī)、報(bào)警喇叭和LED，輸出控制不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的功率驅(qū)動(dòng)，還要提供一定的保護(hù)和故障診斷功能。對(duì)于車(chē)燈和電機(jī)負(fù)載，輸出功率比較大，通過(guò)綜合比較各種方案，選用英飛凌的智能功率芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)燈和電機(jī)的控制。下面以左右轉(zhuǎn)向燈的輸出控制為例，闡述智能功率芯片的特點(diǎn)和輸出控制的實(shí)現(xiàn)。

　　BCM需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)前轉(zhuǎn)向、后轉(zhuǎn)向和側(cè)轉(zhuǎn)向燈，前后轉(zhuǎn)向燈功率均為24W/12V，側(cè)轉(zhuǎn)向燈為6W/12V。經(jīng)過(guò)比較，選擇智能高端功率開(kāi)關(guān)BTS5246實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向燈的控制。該芯片內(nèi)部集成了功率驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)、溫度傳感器等電路，提供雙路高端輸出，輸出功率高達(dá)480W，完全可以滿足轉(zhuǎn)向燈功率要求，同時(shí)提供了完善的故障檢測(cè)及保護(hù)功能。相比分立元件的方式，電路更為簡(jiǎn)單，工作頻率更高，大大減小了電路板空間，并提高了模塊的EMC性能?；贐TS5246的轉(zhuǎn)向燈控制電路如圖4所示。

　　在BCM的負(fù)載控制功能中，不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的功率驅(qū)動(dòng)，還要滿足一定的時(shí)間特性。在轉(zhuǎn)向燈控制中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)功率芯片BTS5246的開(kāi)關(guān)控制，而且由于轉(zhuǎn)向燈依工作模式的不同有兩種閃爍頻率80次/min和160次/min，需要實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)時(shí)功能。

　　在BCM的負(fù)載控制中，無(wú)論是周期閃爍的轉(zhuǎn)向燈、報(bào)警警示燈，PWM啟動(dòng)和熄滅的鑰匙孔燈和室內(nèi)頂燈，還是門(mén)鎖電機(jī)和車(chē)窗電機(jī)等，其功率開(kāi)關(guān)都是采取IO控制的方式，而且很多都具有時(shí)間特性。這樣每個(gè)負(fù)載的控制信號(hào)對(duì)應(yīng)兩個(gè)變量，分別表示其IO控制和時(shí)間特性。以左轉(zhuǎn)向燈控制為例：

　　#dene FASTFLASH 1

　　#dene SLOWFLASH 2

　　#dene SHUTDOWN 3

　　extern uchar LnLgt_Cyout;

　　extern Bool LnLgt_Port;

　　其中LftnLgt_Cyout表示左轉(zhuǎn)向燈的輸出及其時(shí)間特性，LftnLgt_Cyout=FASTFLASH 表示左轉(zhuǎn)向燈以160次/min頻率閃爍;LftnLgt_Cyout=SLOWFLASH表示左轉(zhuǎn)向燈以80次/min頻率閃爍;LftnLgt_Cyout=SHUTDOWN表示處于關(guān)斷狀態(tài)。LftnLgt_Port是CPU上控制左轉(zhuǎn)向燈的IO端口，它直接控制BTS5246的功率開(kāi)關(guān)，其接口函數(shù)為DrivePort(Driverport Drport,Bool Oper);其中Drport為輸出控制端口宏定義，Oper有DRIVEON、DRIVEOFF兩個(gè)取值，控制智能功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟與關(guān)閉。
　　作為分布式車(chē)身控制系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)，BCM與其它節(jié)點(diǎn)通過(guò)LIN總線進(jìn)行通訊，采用LIN物理層收發(fā)器TJA1021和MCU片上外設(shè)UART完成LIN接口電路的設(shè)計(jì)，如圖5所示。TJA1021是Philips(編者注：現(xiàn)在是NXP公司)的LIN物理層芯片，波特率高達(dá)20kbit/s，實(shí)現(xiàn)總線波形整形和電平轉(zhuǎn)換功能[3]，具有很高的抗電磁干擾性和極低的電磁發(fā)射，可以滿足汽車(chē)環(huán)境的苛刻要求。它內(nèi)部集成從機(jī)端電阻，在從機(jī)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中無(wú)須再外接電阻便可以實(shí)現(xiàn)LIN總線的阻抗匹配，BCM是LIN主節(jié)點(diǎn)，如圖5所示，需要外接1k主機(jī)端電阻到VEE。

　　LIN總線數(shù)據(jù)采取SCI格式，將TJA1021的TXD和RXD連接到MCU的UART發(fā)送和接收引腳上，便可以在UART上以軟件的形式實(shí)現(xiàn)LIN的數(shù)據(jù)鏈路層。由于LIN在物理上為單線形式，發(fā)送和接收都是在LIN線上進(jìn)行的，所以發(fā)送也會(huì)觸發(fā)接收，這樣便可以將其數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一到UART的接收處理函數(shù)中來(lái)。該部分可以根據(jù)LIN幀的格式以狀態(tài)機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)[4]。

　　BCM做為車(chē)身控制系統(tǒng)的LIN主節(jié)點(diǎn)，以時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式調(diào)度著LIN報(bào)文的傳輸，當(dāng)時(shí)間片到達(dá)時(shí)，BCM發(fā)送包括間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和PID在內(nèi)的幀頭[5]，然后由各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)該P(yáng)ID決定接收數(shù)據(jù)場(chǎng)還是發(fā)送數(shù)據(jù)場(chǎng)。時(shí)間片的輪轉(zhuǎn)是基于調(diào)度表實(shí)現(xiàn)的，定義如下形式的結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度表?xiàng)l目的管理。

　　typedef struct

　　{

　　uchar handle;

　　uchar pid;

　　uchar mode;

　　uchar *data;

　　uchar datalen;

　　uchar ticks;

　　}l_sch_table_item;

　　其中handle為調(diào)度表?xiàng)l目索引，每次時(shí)間片輪轉(zhuǎn)時(shí)加一，輪轉(zhuǎn)到調(diào)度表表尾時(shí)切換到調(diào)度表表頭繼續(xù)輪轉(zhuǎn)，pid為L(zhǎng)IN報(bào)文的Protected ID，mode表示該幀數(shù)據(jù)場(chǎng)是由BCM發(fā)送還是由其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送，data為數(shù)據(jù)場(chǎng)，datalen為數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度，ticks定義時(shí)間片長(zhǎng)度即該幀和下一幀的時(shí)間間隔。

　　LIN幀調(diào)度表為l_sch_table_item結(jié)構(gòu)體數(shù)組，根據(jù)當(dāng)前調(diào)度表?xiàng)l目的ticks決定時(shí)間片計(jì)時(shí)時(shí)間，超時(shí)發(fā)生時(shí)，切換當(dāng)前時(shí)間片，同時(shí)切換調(diào)度表?xiàng)l目，這樣便實(shí)現(xiàn)了LIN報(bào)文的輪轉(zhuǎn)調(diào)度。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文針對(duì)某車(chē)型分析了其車(chē)身控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從輸入信號(hào)檢測(cè)、輸出控制和LIN通訊三個(gè)方面，描述了其車(chē)身中央控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該控制器經(jīng)裝車(chē)試驗(yàn)，運(yùn)行良好，功能穩(wěn)定，有很高的實(shí)用價(jià)值。