基于LIN總線的汽車(chē)雨刮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 為提高雨刮系統(tǒng)的安全性及智能性，以MC9S12DG128為主控制器、MM908E625為雨刮控制器，采用LIN總線的分布式控制方案，設(shè)計(jì)了一款智能雨刮控制系統(tǒng)。主控單元將液晶觸摸信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)IN指令以控制雨刮的啟停，并通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)雨量的大小，自動(dòng)控制雨刷器的擺動(dòng)頻率，使用過(guò)程中無(wú)需駕駛員手動(dòng)操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效地根據(jù)雨量對(duì)汽車(chē)雨刮進(jìn)行智能控制，具有安全性好、可靠性高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

隨著汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)上的各種電子裝置也越來(lái)越多，電子控制裝置之間的通訊也越來(lái)越復(fù)雜，而汽車(chē)上傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，造成龐大的布線系統(tǒng)，增加了制造及維護(hù)成本。LIN總線全稱(chēng)為區(qū)域互連網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)車(chē)身控制系統(tǒng)的分布式控制，其具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活等特點(diǎn)，為現(xiàn)代汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)提供功能上的補(bǔ)充，使汽車(chē)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得更加靈活。LIN總線主要被應(yīng)用于車(chē)門(mén)、方向盤(pán)、座椅、雨刮器、車(chē)窗等控制單元，并將分布的智能傳感器和執(zhí)行器連接到車(chē)內(nèi)主控制器。本文將LIN總線技術(shù)應(yīng)用到汽車(chē)雨刷系統(tǒng)上，提出了安全性好、可靠性高的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際調(diào)試，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 LIN協(xié)議介紹

LIN(Local Interconnect Network)總線是現(xiàn)代汽車(chē)總線網(wǎng)絡(luò)中一種低端的通用協(xié)議。其采用一主多從模式，數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)由主節(jié)點(diǎn)確定，且?guī)r(shí)間同步的多點(diǎn)廣播接收，從機(jī)節(jié)點(diǎn)無(wú)需石英或陶瓷諧振器即可實(shí)現(xiàn)同步。同時(shí)，可選報(bào)文幀長(zhǎng)度為2、4或8 Byte;傳輸速率最高可達(dá)20 kbit·s-1;并基于通用UART接口的廉價(jià)硬件實(shí)現(xiàn)，單線傳送方式，總線通信距離最長(zhǎng)可達(dá)40 m。

LIN總線的數(shù)據(jù)以報(bào)文幀的格式進(jìn)行傳輸，報(bào)文幀由主任務(wù)的幀頭和從任務(wù)的響應(yīng)組成。幀頭包括同步間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和受保護(hù)的標(biāo)識(shí)符;響應(yīng)分為數(shù)據(jù)場(chǎng)和校驗(yàn)和場(chǎng)兩部分。LIN網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)主機(jī)節(jié)點(diǎn)(CAN-LIN網(wǎng)關(guān))，可將LIN與上層網(wǎng)絡(luò)相連接。一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)最多可連接16個(gè)節(jié)點(diǎn)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)有1～15個(gè)。主機(jī)任務(wù)負(fù)責(zé)接收從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的總線喚醒命令，調(diào)度總線上幀的傳輸次序，并監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、處理錯(cuò)誤，同時(shí)可作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的參考。從機(jī)接收主機(jī)發(fā)送的幀頭包含的信息以進(jìn)行判斷：發(fā)送應(yīng)答、接收應(yīng)答、或既不發(fā)送也不接收應(yīng)答。

2 智能雨刷系統(tǒng)方案

在汽車(chē)安裝的眾多執(zhí)行器中，雨刷對(duì)于雨天行駛的汽車(chē)起著至關(guān)重要的作用。雨雪天氣，汽車(chē)駕駛員需謹(jǐn)慎應(yīng)對(duì)路滑、視野小等問(wèn)題，使得在雨天的操控過(guò)程中，精力受到較大干擾。為此開(kāi)發(fā)一種智能雨刷控制系統(tǒng)，有效提高汽車(chē)的安全性能。

智能雨刷系統(tǒng)主要包括一個(gè)主控單元和一個(gè)子單元，主控單元包含微控制器模塊和液晶控制屏，子單元由控制器、雨量檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)檢測(cè)模塊組成。當(dāng)雨刮處于自動(dòng)擋時(shí)，可根據(jù)紅外傳感器檢測(cè)雨量大小，自動(dòng)控制雨刷器的擺動(dòng)頻率。子單元通過(guò)LIN總線與主控單元連接，形成車(chē)載LIN網(wǎng)絡(luò)，駕駛員可通過(guò)液晶控制屏對(duì)雨刷進(jìn)行控制并查看雨刷工作狀態(tài)。該智能雨刷系統(tǒng)框圖如圖1所示。

在擋風(fēng)玻璃上水量較大時(shí)，雨刮電機(jī)的間歇時(shí)間短，水量較小時(shí)，間歇時(shí)間相應(yīng)較長(zhǎng)。當(dāng)工作過(guò)程中雨量傳感器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)將以預(yù)設(shè)的固定間歇時(shí)間來(lái)控制雨刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn);若電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，電樞電流超過(guò)閾值電流，并持續(xù)一段時(shí)間，則雨刷會(huì)進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作。若嘗試3次仍無(wú)法通過(guò)，則退回復(fù)位位置停止動(dòng)作，并通過(guò)LIN總線發(fā)送故障報(bào)文，由液晶屏進(jìn)行顯示及報(bào)警。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器模塊

主控單元微控制器采用Freescale公司的高性能、低功耗汽車(chē)電子芯片MC9S12DG128，該芯片屬于HCS12系列增強(qiáng)型16位單片機(jī)，片內(nèi)擁有128 kB的Flash ROM，8 kB的RAM和2 kB的EEPROM，2個(gè)異步串行通信口SCI，2個(gè)同步串行通信口SPI，8通道輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器，1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊，兩個(gè)MSCAN控制器。液晶模塊是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)重要輸入，設(shè)計(jì)采用的液晶型號(hào)為Z2104，內(nèi)置VGA控制板，該屏幕為電阻屏，與控制器通過(guò)串口進(jìn)行通信，其工作電壓為12 V。主控制器可通過(guò)串口讀取液晶屏觸摸信號(hào)，將液晶屏幕的觸摸信號(hào)轉(zhuǎn)換成LIN總線指令，通過(guò)UART/SCI模塊發(fā)送到LIN總線，對(duì)子單元進(jìn)行控制，同時(shí)也可將雨刷的狀態(tài)反饋到液晶屏幕上。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊為雨刷控制系統(tǒng)提供電源。汽車(chē)使用蓄電池提供的12 V電源系統(tǒng)，而本系統(tǒng)中電源電壓均為5 V，故需要對(duì)汽車(chē)上的電源系統(tǒng)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)選用LM2576-5芯片作為系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓芯片，該芯片具有可靠的工作性能、較高的工作效率、優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力，且可大幅減少散熱片的體積，為控制電路穩(wěn)定可靠工作提供保證。

3.3 雨量檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

智能雨刷系統(tǒng)中，控制器通過(guò)雨量檢測(cè)裝置檢測(cè)降雨量的大小，自動(dòng)控制雨刷器的擺動(dòng)頻率，使用過(guò)程中無(wú)需駕駛員人為操作，大幅提高行車(chē)的安全性。不同的檔位對(duì)應(yīng)不同的刮水頻率和不同的LIN協(xié)議信號(hào)報(bào)文頭，間歇暫停時(shí)間和刮水頻率由雨量傳感器的數(shù)據(jù)決定。設(shè)計(jì)采用紅外雨量檢測(cè)裝置，紅外發(fā)射器將光束以一定的角度投射到汽車(chē)擋風(fēng)玻璃，經(jīng)由擋風(fēng)玻璃反射回到紅外接收器。當(dāng)有雨滴落到擋風(fēng)玻璃上時(shí)，部分光束會(huì)因折射、散射等現(xiàn)象而分散到外部，導(dǎo)致接收器收到的紅外線總量少于其發(fā)出總量。由此得出擋風(fēng)玻璃上的雨量變化情況，再發(fā)出刮水請(qǐng)求至主控制器，以此控制雨刮器完成不同速度的刮水動(dòng)作，同時(shí)與主控單元進(jìn)行總線通信，隨時(shí)發(fā)送子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.4 霍爾位置傳感器

智能雨刷系統(tǒng)采用霍爾傳感器對(duì)雨刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，包括對(duì)電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到雨刷電機(jī)的位置后，單片機(jī)判斷當(dāng)前位置是否正確，若不正確，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到正確位置。同時(shí)檢測(cè)雨刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單片機(jī)接收后與給定的速度值作比較，經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理得出下一步運(yùn)行步驟，控制電機(jī)運(yùn)行在最精確的速度值。文中選用英飛凌公司的TLE4941，芯片內(nèi)部集成有差分霍爾傳感器與信號(hào)調(diào)理器電路，TLE4941的電路原理如圖2所示。C5為消噪電容，通過(guò)電阻R可將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸出端連接至MM908E625的霍爾效應(yīng)傳感器輸入引腳。

3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是系統(tǒng)的核心部分，其承擔(dān)著雨刷電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，以及檢測(cè)電流的變化，當(dāng)雨刷遇堵轉(zhuǎn)時(shí)則作出相應(yīng)的處理。出于成本及穩(wěn)定性等多方面因素的考慮，選用Freescale的汽車(chē)電子芯片MM908E625，用于開(kāi)發(fā)汽車(chē)分布式控制單元，該芯片取代了傳統(tǒng)的MCU、H橋驅(qū)動(dòng)器和LIN物理層收發(fā)器的解決方案，有效降低了外圍器件的數(shù)量，且減小了成本。

模塊采用MM908E625直接控制雨刷繼電器的方法，繼電器選用歐姆龍的G5CA-1A-E，并利用H橋低端通道的電流反饋功能實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的工作狀態(tài)。通過(guò)模擬多路復(fù)用器選擇相應(yīng)的H橋低端通道，并采用MCU上的ADC監(jiān)測(cè)該電流來(lái)判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)，當(dāng)電流大于某一閾值時(shí)，故障信息會(huì)被單片機(jī)采集，并進(jìn)行相應(yīng)處理，并通過(guò)LIN總線傳輸?shù)街骺貑卧囊壕溜@示。片內(nèi)集成的LIN物理層收發(fā)器通過(guò)MCU上的ESCI模塊實(shí)現(xiàn)LIN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)LIN總線通訊的功能。子單元控制芯片引腳使用情況，如圖3所示。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)檢測(cè)模塊對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，然后將不同的檢測(cè)信息分別發(fā)送給消息解析模塊和電機(jī)控制模塊，通過(guò)這些檢測(cè)信息，對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效的控制。檢測(cè)信息經(jīng)解析處理后，分別發(fā)送給LIN通信和功能處理模塊，LIN模塊將信息發(fā)送到LIN總線上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)的通信。診斷模塊將從功能處理模塊上獲得的故障信息進(jìn)行診斷，也同樣通過(guò)LIN通信模塊和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。電機(jī)控制模塊通過(guò)接收到的檢測(cè)信息，來(lái)判斷雨刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再將輸出轉(zhuǎn)速和檢測(cè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)優(yōu)化算法得出更為優(yōu)化的控制。

由于MM908E625內(nèi)部并未集成EEPROM，因此雨刷電機(jī)的閾值電流等信息需通過(guò)LIN總線發(fā)送到主控單元進(jìn)行保存，系統(tǒng)上電啟動(dòng)時(shí)，再進(jìn)行初始化。此外通過(guò)LIN總線去讀取主控單元的觸摸輸入信號(hào)，以控制雨刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集電樞的電流，判斷是否大于閾值電流IM，若電流值大于閾值電流3次，則將雨刷電機(jī)復(fù)位，停止刮水動(dòng)作。此過(guò)程中，子控制器將當(dāng)前雨刷的狀態(tài)參數(shù)通過(guò)LIN總線實(shí)時(shí)反饋給主控器并進(jìn)行顯示。子系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖5所示為智能雨刷控制系統(tǒng)工作時(shí)，使用示波器采集到的LIN總線上報(bào)文幀的信號(hào)波形。從圖中顯示的兩個(gè)報(bào)文幀可看出，每個(gè)報(bào)文幀由幀頭和響應(yīng)組成，兩個(gè)報(bào)文中間是中斷場(chǎng)。圖中信號(hào)的峰值電壓為11.72 V，表明LIN總線采用12 V供電模式。電樞電流的正常值為6 A，人為使電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流上升至10 A，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，雨刷電機(jī)復(fù)位，停止刮水動(dòng)作。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，該系統(tǒng)可根據(jù)雨量大小對(duì)雨刮運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的智能控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于LIN總線的智能雨刷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)紅外傳感、電流檢測(cè)和主控液晶進(jìn)行了檢測(cè)控制，并可根據(jù)雨量大小對(duì)雨刮運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行智能控制，無(wú)需駕駛員手動(dòng)控制。同時(shí)將其接入LIN網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)、提高了安全性且降低了成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的功能。