基于LIN總線的車燈控制系統(tǒng)設計

電子技術的迅速發(fā)展，為汽車發(fā)展帶來了巨大的變化，但隨著汽車電子裝置的增多導致車身布線的增加和復雜化。傳統(tǒng)的集中式車身控制系統(tǒng)設計很難滿足大量的數(shù)據(jù)信息在不同電子單元中的共享和實時交換．從而使系統(tǒng)運行可靠性降低、故障維修難度增大。因此，提高汽車車身電子控制系統(tǒng)的人性化和智能化程度，達到減少線束、降低成本、實現(xiàn)信息共享的目的，以提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性勢在必行。

　　1 LIN總線技術

　　LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊協(xié)議，以廣泛應用的SCI(UART)為基礎定義，硬件實現(xiàn)成本低廉。它基于主從結構，單主節(jié)點多從節(jié)點，無須仲裁機制，使用單線通信，減少了大量線束的重量和費用，其應用目標是帶寬性能要求不高的低速系統(tǒng)，通信速率為1～20 Kb／s，目前主要被用于替代CAN總線在汽車網(wǎng)絡化電子控制系統(tǒng)中實時性要求不高的底端電子控制裝置間的通訊。

　　LIN總線報文傳輸是由報文幀的格式形成和控制。報文幀由主機任務向從機任務傳送同步和標識符信息，并將一個從機任務的信息傳送給其他從機任務。主機任務位于主機節(jié)點內(nèi)部，它負責報文的進度表、發(fā)送報文頭(HEADER)。從機任務位于所有的節(jié)點中(即主機和從機)，其中一個發(fā)送報文的響應 (RESPONSE)。

　　一個報文幀(見圖1)是由一個主機節(jié)點發(fā)送的報文頭和一個主機或從機節(jié)點發(fā)送的響應組成。

　　報文幀的報文頭包括一個同步間隔場(SYNCHBREAK FIELD)、一個同步場(SYNCH FIELD)和一個標識符場(IDENTITY FIELD)。報文幀的響應(RESPONSE)則由3～9個字節(jié)場組成：2，4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場(DATA FIELD)和1個字節(jié)的校驗和場(CHECKSUM FIELD)。字節(jié)場由字節(jié)間空間分隔，報文幀的報文頭和響應是由一個幀內(nèi)響應空間分隔。最小的字節(jié)間空間和幀內(nèi)響應空間是0。

　　2 車燈系統(tǒng)的硬件電路設計

　　2．1 車燈系統(tǒng)方案介紹

　　整個車燈系統(tǒng)共包括五個模塊(見圖2)：一個主機節(jié)點，負責掃描來自操作面板開關信息(如近光燈，霧燈，轉向燈)和來自CAN網(wǎng)絡的開關信息(如剎車燈)。并通過LIN總線將其發(fā)送給四個從機節(jié)點；四個從機節(jié)點包括車頭和車尾各兩個控制節(jié)點，負責接收來自LIN總線的開關信息，控制車燈負載動作，并采集由驅動芯片反饋的車燈故障信息，通過LIN總線反饋給主機，由主機節(jié)點負責故障信息的處理和顯示。

　　2．2 硬件選擇及說明

　　主機和從機MCU分別選用FREESCALE的MC9S08DZ60和MC9S08SG04芯片。DZ60芯片內(nèi)部集成一個CAN控制器和兩個SCI模塊，可以作為車燈控制模塊和其他車身網(wǎng)絡連接的CAN／LIN網(wǎng)關，實現(xiàn)整車網(wǎng)絡通訊的統(tǒng)一。SG04是FREESCALE公司開發(fā)的專門用于車身底端網(wǎng)絡控制節(jié)點的汽車級低成本芯片，內(nèi)部集成一個SCI模塊、兩個PWM模塊和多個A／D轉換模塊，可直接作為LIN網(wǎng)絡的從機節(jié)點并能方便的實現(xiàn)對車燈負載的控制及對模擬負載故障信息的采集。

　　LIN收發(fā)器選用InfineonTLE6258系列收發(fā)器。TLE6258是單線收發(fā)器，適用于LIN協(xié)議，發(fā)送速率可達20 Kb／s，功耗低，具有短路保護和過溫保護功能，適用于汽車和工業(yè)應用。為了減小電流損耗，TLE6258提供了一種空閑模式，在空閑模式下，TLE6258退出總線活動，電流降到最低，從而達到減小功率損耗的目的。在正常工作模式下，通過對ENN引腳置1進入空閑模式；在空閑模式下，通過在總線上發(fā)送喚醒幀，可把主機或從機從空閑模式喚醒，返回到正常工作模式。進入正常模式后，ENN引腳復位為0，釋放RxD引腳到傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)。

　　功率驅動芯片選用Infineon的BTS系列驅動芯片：BTS6143D用于驅動大燈，如近光燈、霧燈，BTS724G用于驅動小燈，如轉向燈、位燈。 BTS6143D是N溝道FET功率管，內(nèi)部集成充電泵，電流驅動，并且具有負載電流檢測的故障反饋功能，包括過載、過溫和短路檢測，BTS6143D為單通道輸入輸出，可實現(xiàn)對負載電流的模擬量診斷反饋；BTS724G是電源MOSFET高位開關，帶四通道輸入輸出，且每一對輸入輸出相互獨立，可輸出數(shù)字量診斷反饋信號。如圖3，圖4以近光燈、轉向燈和位燈為例分別顯示了大燈驅動電路設計和小燈的驅動電路設計。

　　3 車燈系統(tǒng)的軟件設計

　　系統(tǒng)的軟件設計包括三個相對獨立的模塊設計：主機對來自操作面板和CAN總線的開關信息掃描模塊；主機和從機節(jié)點之間信息的通訊模塊；各從機節(jié)點對車燈負載的動作控制及故障信息采集模塊。其中后兩個模塊的設計是整個系統(tǒng)軟件設計部分的核心。

　　3．1 LIN通訊模塊設計

　　LIN通訊網(wǎng)絡包含五個節(jié)點：一個主機節(jié)點和四個從機節(jié)點，其中主機節(jié)點負責向四個從機節(jié)點發(fā)送控制車燈亮滅的開關信息，并定時詢問各個從機節(jié)點，接收各從機節(jié)點響應的故障信息；四個從機節(jié)點分別控制汽車右前方、右后方、左前方、左后方四個方位的車燈負載動作，并同步采集各個車燈的故障信息，等待主機節(jié)點詢問時將其發(fā)送給主機。定義五個標識符ID_0～ID_4，分別表示主機節(jié)點和四個從機節(jié)點的專屬地址，用于控制報文準確地傳輸?shù)侥康墓?jié)點，當主機向各個從機節(jié)點詢問故障信息時，只有專屬地址與當前報文標識符一致的子節(jié)點響應報文，將故障信息發(fā)送給主機節(jié)點；定義標識符ID_5表示所有子節(jié)點共屬地址，當主機發(fā)送車燈開關信息時，保證所有子節(jié)點都響應當前報文，并根據(jù)開關信息控制車燈負載動作。

　　LIN網(wǎng)絡主機節(jié)點包含主機任務，負責對報文傳輸進行調度。LIN通訊協(xié)議中沒有定義仲裁機制，因此任何從機任務想要發(fā)送報文必須通過主機任務的調度：主機任務發(fā)送報文頭，標識符匹配的從機任務發(fā)送響應幀。LIN網(wǎng)絡中每一個節(jié)點都包含從機任務。主機節(jié)點中的從機任務負責將車燈的開關信息發(fā)送給各從機節(jié)點，接收來自從機節(jié)點的響應幀；從機節(jié)點中的從機任務負責將從機檢測到的故障信息發(fā)送給主機節(jié)點，接收主機節(jié)點發(fā)送的開關信息。開關信息，和故障信息各占用一個字節(jié)從屬LIN報文幀的數(shù)據(jù)場，其定義格式如圖5，其中開關信息占用一個數(shù)據(jù)字節(jié)，包含所有的車燈開關信息，邏輯“O”表示相應位中車燈開關閉合，邏輯“1”表示相應位中車燈開關斷開；每個從機節(jié)點的車燈故障信息占用一個數(shù)據(jù)字節(jié)，圖5中顯示的是右前方車燈的故障信息，故障信息的編碼如圖中所示。

　　3．2 車燈負載智能驅動軟件設計

　　車燈負載故障最容易發(fā)生在開啟的一瞬間，為了減少大燈(近光燈)開啟時的瞬間電流過沖，延長大燈的使用壽命，在開啟時采用PwM控制方式，開啟時逐步提高 PWM占空比直到100％，使近光燈的電壓逐步上升到電源電壓，近光燈的控制開關采用BTS6143D芯片，其內(nèi)部集成的電流反饋功能，能根據(jù)實際通過車燈的電流輸出一個與之成正比的反饋電流，圖3中反饋引腳IS端的外圍電路設計是將電流輸出轉換為O～5V電壓輸出供從機MCU的A／D采樣。在系統(tǒng)運行時根據(jù)命令開通控制開關后，將啟動A／D實時采集電壓反饋，如果采樣值低于設定值則認定為車燈斷路故障，如果采樣值大于設定值則認定為過載或短路故障，從機 MCU將迅速關閉開關以保護該器件，并生成相應的故障信息待主機詢問時將其反饋給主機節(jié)點，主機節(jié)點解碼故障信息并通過發(fā)光二極管顯示出來。近光燈的軟件設計流程如圖6所示。

　　3．3 抗干擾冗余軟件設計

　　汽車運行時的工況極其惡劣，發(fā)電機的供電電壓在較大范圍內(nèi)波動以及發(fā)動機點火瞬間高頻電磁干擾等對車身網(wǎng)絡系統(tǒng)而言都是很大的干擾；汽車使用過程中，由于線路絕緣磨損或者接插件不可靠等因素，可能出現(xiàn)LIN子節(jié)點從網(wǎng)絡中斷開或者短路等情況。據(jù)此，將總線故障劃分為瞬間干擾故障和永久性故障，并進行了相應的可靠性冗余設計：在硬件上采用汽車級的高性能芯片，在軟件通訊設計上對子節(jié)點的命令及狀態(tài)信息采取反饋機制：主機將開關信息發(fā)送給各從機節(jié)點后，啟動 500 ms定時器，計時時間到后主機依次詢問各子節(jié)點，請求其反饋各自的狀態(tài)信息。在這種機制下，一旦子節(jié)點在通訊中出現(xiàn)：沒有反饋命令和狀態(tài)；數(shù)據(jù)幀校驗和錯誤；子節(jié)點接收到的命令與主節(jié)點發(fā)送的命令不一致等情況，主節(jié)點馬上重新發(fā)送命令，確保各個子節(jié)點信息接收的正確性。如果某一個從機節(jié)點長時間沒有反饋信息，則可認定此節(jié)點已從網(wǎng)絡中丟失，主機節(jié)點生成相應故障信息，并通過發(fā)光二極管顯示出來；如果LIN總線與地短接，LIN總線一直成顯性狀態(tài)(低電平狀態(tài))，則主機不能接收到任何從機節(jié)點的反饋信息，主機將關閉LIN收發(fā)器，保護此器件，并將故障顯示給駕駛員。

　　4 結 語

　　提出一個基于LIN總線的車燈控制系統(tǒng)方案，實驗證明總線化的控制系統(tǒng)方案較傳統(tǒng)的集中式控制方案具有布線簡單，結構清晰，不同控制模塊間的獨立性強，便于以后的系統(tǒng)檢修及系統(tǒng)的升級擴展等優(yōu)點，具有一定的可行性。