車身中央控制器的設計與實現(xiàn)

　摘要：采用單片機MC9S12XS128實現(xiàn)了一款車身中央控制器，實現(xiàn)了對中央集控門鎖、外部燈光、內部燈光、雨刷的控制，同時通過RF技術實現(xiàn)了防盜報警功能和遙控門鎖控制，通過LIN總線實現(xiàn)了對四個車窗的控制。

　　關鍵字：LIN;集控門鎖;防盜報警引言

　　汽車電子已經進入大規(guī)模應用階段，總線技術、智能傳感、近距無線、射頻通信等技術大大提升了汽車的智能水平，拓展了汽車的使用空間。根據其使用領域的不同，一般把汽車電子劃分為車身控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、行駛控制系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)四大部分，其中對于車身控制系統(tǒng)，一般采取集中式控制、分布式控制兩種方案進行設計。

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

　　圖1是某車型采用LIN總線設計實現(xiàn)的分布式車身控制系統(tǒng)，包括車身中央控制器(以下簡稱BCM)、四個車窗節(jié)點和兩個傳感器節(jié)點，其中BCM作為LIN主節(jié)點，接收來自車窗節(jié)點和傳感器節(jié)點的狀態(tài)信號并實現(xiàn)對車窗節(jié)點的控制，它是車身控制系統(tǒng)最主要的單元。以下結合為該車型開發(fā)的BCM的經驗，詳細介紹BCM的系統(tǒng)結構及其軟硬件實現(xiàn)。

　　BCM系統(tǒng)結構

　　BCM是個典型的控制系統(tǒng)，其輸入接口包括一系列開關信號和脈沖信號，控制對象包括門鎖、燈光、雨刷、車窗、報警器，通過RF信號和遙控車鑰匙通信，通過LIN總線和傳感器節(jié)點及車窗節(jié)點進行通信，其系統(tǒng)結構如圖2所示。

　　從圖2可以看出，輸出控制是BCM的核心模塊，輸入信號檢測、通訊、防盜報警狀態(tài)管理都是為輸出控制服務的。以下就輸入信號檢測、輸出控制、LIN通訊三方面描述其硬件設計及軟件開發(fā)。[!--empirenews.page--]

　　輸入信號檢測

　　根據輸入信號的性質及其檢測方式，BCM輸入信號包括開關信號和脈沖信號。在電氣特性上，這些信號都表現(xiàn)為高低電平形式的單根物理連線，其中車速信號和碰撞信號為有周期特性的脈沖信號，開關信號則時間離散，由外部輸入(一般是人的操作)決定。

　　輸入檢測在硬件設計上比較簡單，進行簡單的限流和濾波[2]，分壓后直接接在單片機的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B會觸發(fā)控制C。開關信號的狀態(tài)及其變化經常作為某個控制邏輯的條件和激勵，所以對于這種在物理上表示為單根連線的開關量信號，在邏輯上則對應三個變量，分別表示該開關信號的當前狀態(tài)及變化。如左轉向燈開關對應于外部連接端口D3這個物理信號，在程序內部邏輯上對應的三個變量為：

　　Bool LeTurnSwitch;

　　Bool LeTurnSw_close_event;

　　Bool LeTurnSw_open_event;

　　LeTurnSwitch表示左轉向燈開關的“當前狀態(tài)”，LeftTurnSw_close_event表示該開關“從開啟到關閉”的變化，LeftTurnSw_open_event則表示該開關“從閉合到開啟”的變化。

　　設計一10ms的周期定時器，周期性讀取IO狀態(tài)，如果三次取值相同，則認為該狀態(tài)穩(wěn)定。如果發(fā)生沿跳變，同樣也是三次取值相同才認為是有效的沿跳變，否則認為是一次抖動。這樣既實現(xiàn)了軟件消抖，又確定了開關信號所對應的三個變量的值。[!--empirenews.page--]

　　輸出控制

　　BCM的控制負載包括門鎖電機、車燈、雨刷電機、報警喇叭和LED，輸出控制不僅要實現(xiàn)對負載的功率驅動，還要提供一定的保護和故障診斷功能。對于車燈和電機負載，輸出功率比較大，通過綜合比較各種方案，選用英飛凌的智能功率芯片實現(xiàn)對車燈和電機的控制。下面以左右轉向燈的輸出控制為例，闡述智能功率芯片的特點和輸出控制的實現(xiàn)。

　　BCM需要同時驅動前轉向、后轉向和側轉向燈，前后轉向燈功率均為24W/12V，側轉向燈為6W/12V。經過比較，選擇智能高端功率開關BTS5246實現(xiàn)對轉向燈的控制。該芯片內部集成了功率驅動、電流檢測、溫度傳感器等電路，提供雙路高端輸出，輸出功率高達480W，完全可以滿足轉向燈功率要求，同時提供了完善的故障檢測及保護功能。相比分立元件的方式，電路更為簡單，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的轉向燈控制電路如圖4所示。

　　在BCM的負載控制功能中，不僅要實現(xiàn)對負載的功率驅動，還要滿足一定的時間特性。在轉向燈控制中，需要實現(xiàn)對功率芯片BTS5246的開關控制，而且由于轉向燈依工作模式的不同有兩種閃爍頻率80次/min和160次/min，需要實現(xiàn)定時和計時功能。

　　在BCM的負載控制中，無論是周期閃爍的轉向燈、報警警示燈，PWM啟動和熄滅的鑰匙孔燈和室內頂燈，還是門鎖電機和車窗電機等，其功率開關都是采取IO控制的方式，而且很多都具有時間特性。這樣每個負載的控制信號對應兩個變量，分別表示其IO控制和時間特性。以左轉向燈控制為例：

　　#dene FASTFLASH 1

　　#dene SLOWFLASH 2

　　#dene SHUTDOWN 3

　　extern uchar LnLgt_Cyout;

　　extern Bool LnLgt_Port;

　　其中LftnLgt_Cyout表示左轉向燈的輸出及其時間特性，LftnLgt_Cyout=FASTFLASH 表示左轉向燈以160次/min頻率閃爍;LftnLgt_Cyout=SLOWFLASH表示左轉向燈以80次/min頻率閃爍;LftnLgt_Cyout=SHUTDOWN表示處于關斷狀態(tài)。LftnLgt_Port是CPU上控制左轉向燈的IO端口，它直接控制BTS5246的功率開關，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兩個取值，控制智能功率開關的開啟與關閉。
　　作為分布式車身控制系統(tǒng)的主節(jié)點，BCM與其它節(jié)點通過LIN總線進行通訊，采用LIN物理層收發(fā)器TJA1021和MCU片上外設UART完成LIN接口電路的設計，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20kbit/s，實現(xiàn)總線波形整形和電平轉換功能[3]，具有很高的抗電磁干擾性和極低的電磁發(fā)射，可以滿足汽車環(huán)境的苛刻要求。它內部集成從機端電阻，在從機節(jié)點應用中無須再外接電阻便可以實現(xiàn)LIN總線的阻抗匹配，BCM是LIN主節(jié)點，如圖5所示，需要外接1k主機端電阻到VEE。[!--empirenews.page--]

　　LIN總線數(shù)據采取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上以軟件的形式實現(xiàn)LIN的數(shù)據鏈路層。由于LIN在物理上為單線形式，發(fā)送和接收都是在LIN線上進行的，所以發(fā)送也會觸發(fā)接收，這樣便可以將其數(shù)據鏈路層的實現(xiàn)統(tǒng)一到UART的接收處理函數(shù)中來。該部分可以根據LIN幀的格式以狀態(tài)機的形式實現(xiàn)[4]。

　　BCM做為車身控制系統(tǒng)的LIN主節(jié)點，以時間片輪轉的方式調度著LIN報文的傳輸，當時間片到達時，BCM發(fā)送包括間隔場、同步場和PID在內的幀頭[5]，然后由各個節(jié)點根據該PID決定接收數(shù)據場還是發(fā)送數(shù)據場。時間片的輪轉是基于調度表實現(xiàn)的，定義如下形式的結構體實現(xiàn)對調度表條目的管理。

　　typedef struct

　　{

　　uchar handle;

　　uchar pid;

　　uchar mode;

　　uchar *data;

　　uchar datalen;

　　uchar ticks;

　　}l_sch_table_item;

　　其中handle為調度表條目索引，每次時間片輪轉時加一，輪轉到調度表表尾時切換到調度表表頭繼續(xù)輪轉，pid為LIN報文的Protected ID，mode表示該幀數(shù)據場是由BCM發(fā)送還是由其他節(jié)點發(fā)送，data為數(shù)據場，datalen為數(shù)據場長度，ticks定義時間片長度即該幀和下一幀的時間間隔。

　　LIN幀調度表為l_sch_table_item結構體數(shù)組，根據當前調度表條目的ticks決定時間片計時時間，超時發(fā)生時，切換當前時間片，同時切換調度表條目，這樣便實現(xiàn)了LIN報文的輪轉調度。

　　結語

　　本文針對某車型分析了其車身控制系統(tǒng)結構，從輸入信號檢測、輸出控制和LIN通訊三個方面，描述了其車身中央控制器的設計實現(xiàn)，該控制器經裝車試驗，運行良好，功能穩(wěn)定，有很高的實用價值。