基于CAN/LIN總線的汽車BCM系統(tǒng)

1、引言

車身控制器（即BCM）是汽車電子的一個(gè)重要應(yīng)用，隨著汽車電子的發(fā)展以及人們對(duì)舒適性，安全性的要求更高，集CAN/LIN總線通信，智能燈光控制，雨刷控制，電動(dòng)后視鏡控制，電動(dòng)防夾車窗控制，RKE無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)等于一體的車身控制模塊（BCM）正在成為一種趨勢(shì)。

本設(shè)計(jì)是基于CAN/LIN總線式的汽車BCM系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由開關(guān)信號(hào)輸入和輸出控制組成，輸入包括一系列開關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)，輸出控制包括門鎖、燈光、車窗、報(bào)警器等控制，通過(guò)LIN總線與車窗節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。
2、

圖1  系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)采用PIC18F45K80單片機(jī)作為主控芯片，用PIC18F25K80作為副窗控制芯片，各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)LIN總線實(shí)現(xiàn)通信。

3、硬件設(shè)計(jì)

3.1、MCU外圍電路設(shè)計(jì)

      PIC18F45K80芯片是Microchip（美國(guó)微芯）公司推出的一款采用nanoWatt XLP 技術(shù)、帶ECAN™ 增強(qiáng)型閃存單片機(jī)，其芯片資源及特性如下：

■ 寬工作電壓范圍：1.8V 至5.5V；

■ 工作速度最高可達(dá)64 MHz，滿足BCM的時(shí)時(shí)性需求；

■ 32 KB 的片上閃存程序存儲(chǔ)器，滿足BCM多功能的程序設(shè)計(jì)需求；

■ 8 x 8 單周期硬件乘法器；

■ 休眠模式電流最低為13 nA （典型值），滿足系統(tǒng)對(duì)功耗設(shè)計(jì)需求；

■ 豐富的外設(shè)模塊（符合CAN 2.0B Active 規(guī)范的CAN控制器；5 個(gè)CCP/ECCP 模塊；5 個(gè)8/16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器模塊； 2 個(gè)模擬比較器；可配置的參考時(shí)鐘輸出;高灌/ 拉電流：25 mA/25 mA（PORTB 和PORTC）；最多4 個(gè)外部中斷； 1 個(gè)主同步串行口（Master Synchronous Serial Port，MSSP）模塊； 2 個(gè)增強(qiáng)型可尋址USART 模塊， 支持LIN/J2602， 自動(dòng)波特率檢測(cè);最多具有11 路通道的12 位A/D 轉(zhuǎn)換器；數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制器模塊）。

■ PIC18F45K80單片機(jī)片需要在每對(duì)電源引腳（例如，VDD/VSS 和AVDD/AVSS）上使用去耦電容。使用去耦電容時(shí)，建議使用參數(shù)為0.1 μF（100 nF）、10-20V的電容。該電容應(yīng)具有低ESR，諧振頻率為200 MHz 或更高。建議使用陶瓷電容。PIC18FXXKXX 器件會(huì)永久性地使能穩(wěn)壓器，需要在VCAP/VDDCORE 引腳上使用低ESR （< 5Ω）電容，以穩(wěn)定穩(wěn)壓器的輸出電壓。VCAP/VDDCORE 引腳一定不能與VDD 連接，并且必須使用10 μF 的電容接地?？梢允褂锰沾呻娙莼蜚g電容。表1 列出了一些適用電容的示例。同等規(guī)格的電容都可以使用。

表1  適用的等效電容

圖 2   PIC18F45K80外圍電路

3.2、主電源電路設(shè)計(jì)

     MCP16301是一款DC/DC電源芯片,輸入電壓范圍最高可達(dá)30V，輸出電流最高可達(dá)500MA，最高效率可達(dá)96%，電路如下：

圖3  5V電源電路

3.3、CAN/LIN總線接口硬件電路設(shè)計(jì)

3.3.1、 LIN 接口芯片采用Microchip最新推出的MCP2021A，MCP2021A符合 LIN Bus Specifications Version 1.3, and 2.x. SAE J2602-2，支持率高達(dá)20的最大波特率波特率，MCP2021A片內(nèi)集成電壓調(diào)節(jié)器，可選擇輸出電壓3.0V 或5.0V，輸出電流可達(dá)70MA。（本設(shè)計(jì)中副車窗模塊采用MCP2021A片內(nèi)集成的電壓調(diào)器給系統(tǒng)提供5V電源），強(qiáng)大的防靜電性能：±15 k 在LUBS和VBB引腳。同時(shí)具有總線喚醒功能以使系統(tǒng)的功耗更省。電路如下：

圖4  LIN接口電路

3.3.2、CAN 接口芯片采用Microchip 公司生產(chǎn)的MCP2551，MCP2551是一個(gè)可容錯(cuò)的高速CAN器件，它完全符合ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)，包括能滿足24V 電壓要求。它的工作速率高達(dá)1 Mb/s。SI8421是美芯科公司生產(chǎn)的數(shù)字隔離器件，采用射頻耦合的數(shù)字隔離技術(shù)，具有非常高的速度在低功耗運(yùn)行的特點(diǎn)，有三種速度級(jí)別供選擇（1，10，和150Mbps）, 典型的傳輸延遲時(shí)間小于10納秒。電路如下：

圖5  CAN接口電路

3.4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

AUIPS6011具有過(guò)流關(guān)斷、過(guò)溫關(guān)斷和有源箝位電路功能都能確保在重復(fù)短路的情況下實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行和保護(hù)。電路如下：

圖6  電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

■  防夾算法的實(shí)現(xiàn)

防夾功能是基于霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和檢測(cè)電機(jī)電流變化情況來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文參考美國(guó)的MVSS118 標(biāo)準(zhǔn)，定義防夾區(qū)如下圖所示：

圖7  防夾區(qū)示意圖

霍爾傳感器與單片機(jī)中斷口相連，中斷程序負(fù)責(zé)采集霍爾傳感器信號(hào)并計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、位置。當(dāng)時(shí)時(shí)檢測(cè)到的位置值大于等于設(shè)定的防夾閥值時(shí)起動(dòng)防夾功能，通過(guò)電機(jī)電流的變化可間接的知道是否有遇到阻力或已到最頂端，然后控制電機(jī)停止或反向運(yùn)動(dòng)。

3.5、日間燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

         日間行車燈是指使車輛在白天行駛時(shí)更容易被識(shí)別的燈具，裝在車身前部。是屬于信號(hào)燈的范疇。作用提醒司機(jī)注意對(duì)面有車駛過(guò)來(lái)。LED日間行車燈因其具有高的發(fā)光效率，長(zhǎng)的使用壽命而被大量使用。本設(shè)計(jì)使用Microchip 公司的恒流驅(qū)動(dòng)芯片MCP1630，單片機(jī)為MCP1630提供了振蕩源和參考電壓從而使電源系統(tǒng)變得更靈活和可調(diào)節(jié)。電源系統(tǒng)的開關(guān)頻率和最大占空比由單片機(jī)的I/O 口設(shè)置。最高輸出電壓55V@350MA,最多可以接16個(gè)1W 的LED，電路如下：

     圖8  LED恒流源電路

圖9  典型效率

3.6、加熱座椅電源電路設(shè)計(jì)

AUIPS7125R是一款高邊智能功率開關(guān)(IPS)，可提供全面的保護(hù)功能，除了主動(dòng)箝位電路外，還包括過(guò)流和過(guò)溫關(guān)閉，以確保開關(guān)安全可靠，并可在重復(fù)短路的情況下提供保護(hù)。電路如下：

圖10  加熱座椅電源電路

4、軟件設(shè)計(jì)流程

BCM軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，包括MCU初始化，自檢程序，輸入信號(hào)檢測(cè),LIN信號(hào)接收處理，CAN信號(hào)接收處理，車窗控制，車燈控制，車門控制、報(bào)警器處理。流程如下：

 

5、 結(jié) 語(yǔ)

本文采用帶ECAN™ PIC18F45K80增強(qiáng)型閃存單片機(jī)作為主控芯片，采用智能功率開關(guān)（IPS）AUIPS6011組成H橋電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，取代傳統(tǒng)繼電器電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)具有多種保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。