網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下的車身中央控制器設(shè)計(jì)

[摘  要] 本文介紹了基于CAN總線的智能車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出了舒適車身總線系統(tǒng)功能框架，并給出了車身中央控制器的硬件設(shè)計(jì)和功能描述，中央控制器采用MC68HC908AZ60控制器作為核心單元，應(yīng)用智能觸點(diǎn)檢測(cè)模塊和集成電源模塊，節(jié)約系統(tǒng)資源，降低系統(tǒng)成本；通過(guò)光電隔離和優(yōu)化的EMC設(shè)計(jì)，有效的解決了系統(tǒng)抗干擾問(wèn)題，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證實(shí)系統(tǒng)工作可靠。

[關(guān)鍵詞] CAN  車身電子  控制器

 
1.前言

隨著對(duì)車輛舒適性要求的提高和更多輔助智能功能的出現(xiàn)，ECU單元、執(zhí)行器、傳感器大量增加，為了限制線束重量和保證各電控單元協(xié)調(diào)工作，進(jìn)行車身網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)是必要的。

考慮到數(shù)據(jù)傳輸速率、協(xié)議機(jī)制、可靠性、容錯(cuò)性和成本的要求，車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的類型依賴于它們的應(yīng)用領(lǐng)域，不同網(wǎng)絡(luò)類型的介紹和應(yīng)用見(jiàn)表1。

表一  主流車輛網(wǎng)絡(luò)類型及應(yīng)用

2. 系統(tǒng)的功能和框架

本文的車身總線系統(tǒng)功能主要包括電動(dòng)車窗控制（帶有防夾功能）、中央集控鎖（帶有遙控功能）、防盜報(bào)警、電動(dòng)后視鏡、雨刮器/洗滌泵控制及后視鏡除霜等，整個(gè)系統(tǒng)包括5個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用低速CAN通信，波特率為100kbit/s，信息編碼采用SAEJ1939編碼規(guī)則。系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖１。

圖1 車身總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

其中中央控制器作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)，采集各種開(kāi)關(guān)和傳感器信號(hào)，通過(guò)CAN總線通信，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。

3.中央控制器的硬件設(shè)計(jì)

3.1 中央控制器的核心單元

核心單元采用freescale 的Mc68HC08AZ60,該芯片內(nèi)部帶有60K的 flash memory ,2K的RAM，1K的eeprom用于系統(tǒng)保存故障信息，并且有SPI模塊和外圍的智能芯片通訊， 8位的A/D模塊，CAN控制器和定時(shí)器單元。中央控制器的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 中央控制器的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 輸入量的調(diào)理和采集模塊

系統(tǒng)需要采集的輸入量包括脈沖量、開(kāi)關(guān)量和模擬量。開(kāi)關(guān)量包括組合燈光開(kāi)關(guān)，前雨刷開(kāi)關(guān)，洗滌泵開(kāi)關(guān)，車內(nèi)燈開(kāi)關(guān)和起動(dòng)鑰匙等大量的開(kāi)關(guān)信號(hào)，為了節(jié)約系統(tǒng)資源，采用了MC33993觸點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的I/O口，MC33993具有22路輸入，其中8路可以配置成接地或者接電源，其余14路為接地開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)，通過(guò)SPI與微控制器通訊，并且可以通過(guò)開(kāi)關(guān)電平跳變觸發(fā)中斷喚醒，因?yàn)槭墙拥貦z測(cè)，無(wú)需采用光電隔離，極大的節(jié)約了資源，增強(qiáng)了系統(tǒng)的EMC性能。如圖3所示。

圖3  MC33993接線圖

車內(nèi)溫度等模擬量傳感器由中央控制器供電，與外部信號(hào)經(jīng)電氣隔離，經(jīng)過(guò)低通濾波進(jìn)入系統(tǒng)A/D模塊，因而可有效地防止外部干擾。

3.3 車速信號(hào)的采集

車速信號(hào)可以從儀表輸出得到，也可以采集車速傳感器器信號(hào)，安裝在變速器上的車速傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離、電平轉(zhuǎn)換和整形后，進(jìn)入TPU通道。TPU工作于輸入跳變計(jì)數(shù)(ITC)模式，通過(guò)2次跳變的時(shí)間差來(lái)檢測(cè)車速信號(hào)。需要注意的是車速傳感器可能是公用的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮從傳感器拉出電流的大小，如圖4所示。

圖4 車速傳感器的前端調(diào)理電路

3.4 通信接口模塊
 
為了實(shí)現(xiàn)整車有效控制和管理，各控制器之間需要信息共享，因此本系統(tǒng)的所有信息交換都采用CAN總線。低速CAN總線物理接口采用了系統(tǒng)集成電源模塊MC33889，其內(nèi)部集成了低速CAN驅(qū)動(dòng)器，并且提供系統(tǒng)5V的電源，與微控制器之間采用SPI通訊可以配置模塊的功能。

3.5 功率驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊 

功率驅(qū)動(dòng)主要是車內(nèi)燈光和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，包括雨刷電機(jī)和洗滌泵電機(jī)。本設(shè)計(jì)采用的是基于VMOS管的智能驅(qū)動(dòng)芯片MC33286和MC33486，MC33286具有2路輸出，每一路具有6 A輸出電流，并且具有短路、過(guò)溫和過(guò)壓等故障保護(hù)功能，故障信息可通過(guò)電流反饋標(biāo)志端由微控制器讀取。MC33486具有2路輸出，每一路具有10 A輸出電流。這有利于系統(tǒng)的故障檢測(cè)和提高系統(tǒng)的安全可靠性。 

系統(tǒng)為了降低成本，沒(méi)有采用DC-DC電源隔離，而是選者了系統(tǒng)集成電源模塊MC33889,內(nèi)部集成了CAN 驅(qū)動(dòng)器，并且具有硬件看門狗功能，同時(shí)有2路的喚醒輸入和兩路5V輸出，可配置工作在4種模式（調(diào)式、正常、睡眠、停止）下，滿足系統(tǒng)的需求，降低功耗和增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。

4 系統(tǒng)的電磁兼容和可靠性設(shè)計(jì) 

因?yàn)橹醒肟刂破骺拷c(diǎn)火系統(tǒng)，電磁干擾較大，在電源模塊上安裝了屏蔽殼，在電路中加入濾波和去耦電容。在電路設(shè)計(jì)、元器件布置和布線時(shí)，嚴(yán)格按照電磁兼容(EMC)的設(shè)計(jì)原則。電路板采用模塊化設(shè)計(jì)，模擬電路、數(shù)字電路和功率電路獨(dú)立布置，用地線將數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，盡可能把干擾源與敏感器件(如單片機(jī)、存儲(chǔ)器等)遠(yuǎn)離。盡量選用集成度高和表面安裝的元器件，以減少元器件數(shù)目、減小元件之間的連線長(zhǎng)度、電路板的面積與高度，使印刷電路板布局簡(jiǎn)單，因而大大降低了故障率和受干擾的可能性。

由于MC68HC908AZ60支持高級(jí)編程語(yǔ)言，軟件可以方便地采用分層結(jié)構(gòu)和模塊化的設(shè)計(jì)思想，以及實(shí)時(shí)多任務(wù)的機(jī)制，因此可有效地提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。除此之外，在細(xì)節(jié)上采取了以下措施：對(duì)模擬量采用畸值剔除和一階遞推濾波算法；對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)延時(shí)、防抖和多次校驗(yàn)來(lái)防止誤操作；對(duì)控制量采用冗余技術(shù)確保操作的可靠性；對(duì)CAN上接受和發(fā)送的數(shù)據(jù)用閥值進(jìn)行限制并判斷其有效性；采用Watch Dog和軟件陷阱來(lái)提高軟件運(yùn)行失常時(shí)的自恢復(fù)能力。

5 總結(jié)

作為駕乘者舒適性的最集中體現(xiàn)，車身各部件控制的網(wǎng)絡(luò)化已成為必然的趨勢(shì)。本文開(kāi)發(fā)的車身網(wǎng)絡(luò)通過(guò)了一些列試驗(yàn)，結(jié)果證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。

參考文獻(xiàn)
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