基于XC164CM的車燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本文研制的車燈控制系統(tǒng)，采用發(fā)光亮度高、反應(yīng)速度快、耐惡劣環(huán)境、工作性能可靠的LED燈，提高燈光亮度和視角范圍，減小安全車距，有效地改善了行車安全性能。本系統(tǒng)應(yīng)用了傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)、電子電路技術(shù)和CAN總線技術(shù)，對(duì)環(huán)境亮度和行車狀況實(shí)現(xiàn)精確感測(cè)和判斷，并根據(jù)行車需要自動(dòng)選擇合適的照明模式，從而實(shí)現(xiàn)了車燈的自適應(yīng)控制。該控制器能有效地輔助駕駛員行車，減輕駕駛員的操作負(fù)擔(dān)，最大限度的避免了人為因素導(dǎo)致的違章使用燈光，從而達(dá)到了減少交通事故的目的。
1 車燈控制系統(tǒng)
1．1 系統(tǒng)工作原理
該系統(tǒng)通過(guò)外置的傳感器感測(cè)環(huán)境亮度強(qiáng)弱和控制板溫度，將其轉(zhuǎn)化為光敏和熱敏電阻的分壓信號(hào)及LED驅(qū)動(dòng)分壓信號(hào)，并由單片機(jī)AD模塊進(jìn)行采集。
單片機(jī)根據(jù)事先劃分好的等級(jí)對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息進(jìn)行分析歸類，判斷出汽車當(dāng)前所處的行車環(huán)境（白天、雨霧天氣、戶外傍晚或深夜、會(huì)車、隧道等），再與內(nèi)置的特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比和開(kāi)關(guān)掃描后自動(dòng)選擇燈光亮度和行車模式。根據(jù)選定的參數(shù)，由XC164CM輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)車燈的亮度。
車燈當(dāng)前所處的狀態(tài)可以通過(guò)CAN總線接口發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)也可以發(fā)送調(diào)整信息改變車燈的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1．2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
文中設(shè)計(jì)的LED車燈控制系統(tǒng)主要完成了以下幾個(gè)功能。
1．2．1 亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)
將外界的環(huán)境亮度分為3個(gè)等級(jí)：明亮（晴天戶外等），昏暗（戶外陰雨，戶外傍晚，隧道，停車場(chǎng)等室內(nèi)場(chǎng)所），漆黑（戶外深夜或其他類似場(chǎng)合）。系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境的亮度等級(jí)自動(dòng)調(diào)整車燈的亮度，以滿足不同情況下的照明需求。車燈亮度分為4級(jí)、6級(jí)、8級(jí)亮度，其中4級(jí)最暗，8級(jí)最亮，6級(jí)居中。車燈亮度的調(diào)節(jié)策略如下：
1）當(dāng)環(huán)境亮度增強(qiáng)時(shí)，信號(hào)燈的亮度增強(qiáng)；環(huán)境亮度減弱時(shí)，照明燈的亮度增強(qiáng)。
2）由于將車燈亮度瞬間降低具有一定的危險(xiǎn)性，所以在降低車燈亮度時(shí)，需做兩次判斷：在環(huán)境亮度增強(qiáng)時(shí)，照明燈的亮度并不立即減弱，而是繼續(xù)等待一個(gè)周期，若環(huán)境亮度保持在較低的值沒(méi)有變化，再將照明燈調(diào)暗；在環(huán)境亮度減弱時(shí)，對(duì)信號(hào)燈采取同樣的操作。
1．2．2 狀態(tài)監(jiān)控及過(guò)溫保護(hù)
實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器輸出到LED燈的電壓并將結(jié)果通過(guò)上位機(jī)顯示。LED燈定義為3種狀態(tài)：故障態(tài)、關(guān)閉態(tài)、工作態(tài)，這3種工作狀態(tài)由LED燈當(dāng)前工作電壓和開(kāi)關(guān)狀態(tài)區(qū)分。過(guò)溫保護(hù)是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器工作溫度實(shí)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器環(huán)境溫度值超過(guò)80度時(shí)，產(chǎn)生過(guò)溫提示信號(hào)，以提示選取溫控模式（驅(qū)動(dòng)輸出降額允許）。
1．2．3 人機(jī)交互
控制系統(tǒng)通過(guò)XC164CM單片機(jī)自帶的CAN總線接口與上位機(jī)CAN接收器連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)信息的交互。上位機(jī)不僅可以查詢和獲取車燈的工作狀態(tài)數(shù)字量（故障態(tài)、關(guān)閉態(tài)或亮度級(jí)），還可以發(fā)送控制命令調(diào)整車燈的亮度以及是否進(jìn)入智能照明模式，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
2 硬件設(shè)計(jì)
硬件主要由單片機(jī)控制模塊，傳感器模塊，CAN總線模塊和LED驅(qū)動(dòng)模塊四部分組成。
2．1 XC164CM單片機(jī)簡(jiǎn)介
XC164CM單片機(jī)是Infineon公司推出的采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的增強(qiáng)型16位單片機(jī)，其主要特點(diǎn)有：1）采用C166SV2內(nèi)核；2）內(nèi)部集成大容量的存儲(chǔ)器；3）帶自校檢的14路A／D轉(zhuǎn)換器；4）兩個(gè)比較，捕獲單元，可方便地產(chǎn)生PWM波；5）Twin CAN模塊，可通過(guò)網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)。
2．2 傳感器裝置
環(huán)境亮度的采集由3組位于不同位置（前部、側(cè)身、頂部）的亮度傳感器完成。其中亮度傳感器為安裝在感光位置的光敏電阻GM5528（亮電阻10～20 kΩ，暗電阻1 MΩ，響應(yīng)時(shí)間20～30 ms），GM5528通過(guò)分壓電路輸出的電壓值隨著環(huán)境亮度變化而改變；溫度監(jiān)控電路使用熱敏電阻MF58構(gòu)成分壓電路，將溫度值的變化轉(zhuǎn)換為電壓值的變化；狀態(tài)監(jiān)控電路通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分別采樣10路LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，并以此判斷LED燈的工作狀態(tài)。
2．3 CAN控制模塊
XC164CM單片機(jī)集成了TwinCAN模塊，實(shí)現(xiàn)CAN總線通信功能。其主要特性為：1）包括兩個(gè)全CAN功能節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)通過(guò)一對(duì)接收和發(fā)送引腳連接到總線收發(fā)器，可獨(dú)立工作或者通過(guò)網(wǎng)關(guān)功能交換數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。2）CAN幀的發(fā)送和接收遵循CAN V2．0B（acTIve）規(guī)范，且每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)都能接收和發(fā)送帶11個(gè)標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀和帶29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。3）具有靈活和功能強(qiáng)大的報(bào)文傳送控制和錯(cuò)誤處理能力，CAN總線通信處理更加精確和方便。4）2個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的位定時(shí)源于外設(shè)時(shí)鐘，可以通過(guò)編程使數(shù)據(jù)速率達(dá)到1 Mbps。5）具有8個(gè)單獨(dú)的可編程中斷節(jié)點(diǎn)和適用于發(fā)送和接收的FIFO。
系統(tǒng)通過(guò)XC164CM單片機(jī)CAN總線接口與采用SJA1000控制器和82C250收發(fā)器的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板連接測(cè)試CAN通信模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。電路圖如圖2所示。
2．4 LED驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)模塊參照西工大LED驅(qū)動(dòng)電源標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)燈選用了3～15 W功率范圍的LM3406型驅(qū)動(dòng)器，照明燈選用了20～45 W功率范圍的LM3409型驅(qū)動(dòng)器。
LM3406型驅(qū)動(dòng)器是具備寬輸入電壓范圍，低參考電壓和雙導(dǎo)線調(diào)光功能的降壓穩(wěn)壓器，可提供高達(dá)1．5 A的正向電流，是LED的理想恒流供應(yīng)源。這款芯片內(nèi)置有可確保電流平均輸出的積分電路。在轉(zhuǎn)換器采用連續(xù)導(dǎo)電模式（（CCM）操作時(shí)，受控導(dǎo)通時(shí)間結(jié)構(gòu)可以確保無(wú)論輸入及輸出電壓的變動(dòng)如何，開(kāi)關(guān)頻率都會(huì)恒定不變。因此LM3406的輸出電流極為準(zhǔn)確，瞬態(tài)響應(yīng)也極快，可以在不同的情況下確保開(kāi)關(guān)頻率恒定不變。
LM3409是一款降壓穩(wěn)流的P溝道MOSFET控制器，提供寬輸人電壓范圍，具有高邊電流檢測(cè)功能，采用增強(qiáng)散熱的eMSOP-10封裝。因此，LM3409是驅(qū)動(dòng)LED的理想恒流源，輸出的正向電流可高達(dá)5 A。另外，LM3409采用恒定關(guān)斷時(shí)間（COT）控制功能調(diào)整電流，確保輸出電流大小恒定，而且無(wú)需通過(guò)外置元件提供環(huán)路補(bǔ)償，可以輕易實(shí)現(xiàn)模擬及 PWM調(diào)光功能，可充分發(fā)揮亮度變化高度線性以及高對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn)，并提供可編程欠壓鎖定、低功耗關(guān)斷及熱關(guān)斷等功能。
信號(hào)燈和照明燈驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)分別采用NI公司的LM3406和LM3409作為主控芯片的BUCK電路，芯片工作的溫度范圍為-40+125℃。其電路原理如圖3所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
程序主要采用中斷控制方式，系統(tǒng)流程主要包括主函數(shù)，定時(shí)器中斷子程序，CAN接收中斷子程序3部分。具體系統(tǒng)流程圖如圖4所示。
3．1 主函數(shù)部分
1）初始化部分：設(shè)置各端口的輸入輸出狀態(tài)，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化并開(kāi)啟定時(shí)器。
2）開(kāi)關(guān)掃描：選用6路開(kāi)關(guān)控制10路燈的開(kāi)啟和關(guān)閉。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)輸出低電平，此時(shí)對(duì)應(yīng)LED燈的開(kāi)啟狀態(tài)；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)輸出高電平，對(duì)應(yīng)LED燈的關(guān)閉狀態(tài)。
3）狀態(tài)數(shù)字量生成：狀態(tài)數(shù)字量為16位數(shù)據(jù)，狀態(tài)位（高八位）表示驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)，標(biāo)志位（低八位）表示驅(qū)動(dòng)器編號(hào)。車燈的初始亮度設(shè)為6級(jí)。
4）使能全局中斷，等待定時(shí)器中斷信號(hào)和CAN總線通信中斷信號(hào)，并在接收到中斷信號(hào)后進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。
3．2 定時(shí)器中斷子程序
定時(shí)器每20 ms產(chǎn)生一次定時(shí)中斷信號(hào)，進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的操作有：
1）開(kāi)啟AD轉(zhuǎn)換，等待AD轉(zhuǎn)換完成，并將對(duì)AD采樣結(jié)果做歸一化處理。
2）環(huán)境亮度檢測(cè)：為避免亮度信息的誤判斷，只有當(dāng)位于車身前向、側(cè)面和頂部3個(gè)方向的光敏電阻器同時(shí)檢測(cè)到亮度值變化時(shí)（且同時(shí)超過(guò)判斷門限），才認(rèn)為檢測(cè)結(jié)果有效，判斷所處環(huán)境亮度等級(jí)，并將結(jié)果送至車燈亮度調(diào)整程序。若3個(gè)光敏電阻未同時(shí)檢測(cè)到亮度值變化，則認(rèn)為只是外界干擾造成的亮度差異，而行車環(huán)境的亮度未發(fā)生變化。
3）在檢測(cè)環(huán)境亮度的同時(shí)，對(duì)10路LED燈的開(kāi)關(guān)量也進(jìn)行檢測(cè)和更新。
4）車燈亮度調(diào)整：將檢測(cè)到的外界環(huán)境亮度和前一次檢測(cè)到的環(huán)境亮度進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果對(duì)亮度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。具體調(diào)整策略在2．2節(jié)中。
5）過(guò)溫保護(hù)：對(duì)采樣的溫度結(jié)果進(jìn)行比較判斷，若溫度超過(guò)80度，首先產(chǎn)生一個(gè)過(guò)溫提示信息，提示控制系統(tǒng)進(jìn)入降額應(yīng)用，將降額標(biāo)志位置1，驅(qū)動(dòng)器功率減半，隨后將降額標(biāo)志位歸零。
6）狀態(tài)數(shù)字量更新：首先，對(duì)AD采樣結(jié)果做歸一化處理，將驅(qū)動(dòng)器電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化結(jié)果與測(cè)定的工作電壓范同比較，超出范圍的認(rèn)定為故障態(tài)，生成狀態(tài)位 101，否則使用亮度級(jí)寄存器的值作為狀態(tài)位。其次，將得到的狀態(tài)位與開(kāi)關(guān)寄存器值相與（開(kāi)關(guān)寄存器取值表：開(kāi)啟為1，關(guān)閉為0）得到最終狀態(tài)位。最后，狀態(tài)位與驅(qū)動(dòng)器標(biāo)志位形成狀態(tài)數(shù)字量，并將其放入CAN發(fā)送緩沖區(qū)。
3．3 CAN接收中斷子程序
1）CAN總線接口正確接收信息后，置位中斷標(biāo)志位，進(jìn)入接收中斷服務(wù)程序。
2）判斷中斷是否為遠(yuǎn)程幀中斷，是則將狀態(tài)量信息寫(xiě)CAN模塊發(fā)送緩存區(qū)，并啟動(dòng)自動(dòng)發(fā)送；否則進(jìn)一步判斷是否為數(shù)據(jù)幀接收中斷。如果是數(shù)據(jù)幀接收中斷，則讀CAN接收緩存區(qū)的值并將其寫(xiě)入CAN調(diào)整量。最后清除相應(yīng)的標(biāo)志位，返回到主函數(shù)。流程圖如圖5所示。
4 結(jié)論
文中設(shè)計(jì)了基于XC164CM單片機(jī)的高端車用燈光控制模塊，該模塊不僅完成了對(duì)每個(gè)車燈的亮度控制，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)車燈的狀態(tài)檢測(cè)。汽車燈光控制模塊的工作過(guò)程是一個(gè)不斷循環(huán)的檢測(cè)過(guò)程，通過(guò)對(duì)比前后兩次的檢測(cè)結(jié)果對(duì)亮度信息不斷更新，再根據(jù)更新的亮度信息來(lái)調(diào)節(jié)車燈亮度，從而實(shí)現(xiàn)了燈光的亮度自適應(yīng)調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選用LED5050白燈作為車燈實(shí)驗(yàn)燈，并配以車燈罩，制成車燈模擬演示板。在車燈負(fù)載和單片機(jī)接口之間由自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)電路連接，并在實(shí)驗(yàn)電路上設(shè)置6路開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)10路車燈的接通、斷開(kāi)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的所有功能，并可以正確返回結(jié)果。
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