用CAN/LIN總線實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)分布式控制系統(tǒng)

　　引言

　　隨著各種傳感器的出現(xiàn)和芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車(chē)的安全性和智能化程度日益提高，汽車(chē)電子控制單元(ECU)的功能和ECU間的信息交互日益增加，汽車(chē)生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)了多種總線技術(shù)，提供可靠而低成本的連接，按照安全性、智能性的不同要求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]，滿足單元間不同要求的數(shù)據(jù)交換。對(duì)車(chē)門(mén)區(qū)域的控制而言，要實(shí)現(xiàn)的功能較多，包括車(chē)窗升降、后視鏡的位置調(diào)整、門(mén)鎖開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)等，針對(duì)不同的目標(biāo)客戶群，可選擇實(shí)現(xiàn)的智能也較多，包括車(chē)窗防夾，后視鏡折疊和加熱等，筆者采用低速CAN總線和LIN總線實(shí)現(xiàn)了車(chē)門(mén)分布式控制系統(tǒng)，選擇性地實(shí)現(xiàn)了部分智能，該系統(tǒng)同時(shí)可以迅速修改和升級(jí)，而不需要太大的設(shè)計(jì)變動(dòng)。本文講述下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定和分布式控制的具體實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定

　　車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)采用總線式拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，總線一般采用低速CAN總線或LIN總線，采用不同總線協(xié)議和不同的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)可以提供不同程度的智能。第一種方案是每個(gè)車(chē)門(mén)采用一個(gè)集中控制的CAN節(jié)點(diǎn)，BSI和四個(gè)車(chē)門(mén)通過(guò)一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)連接，如圖1所示。

圖1 車(chē)門(mén)集中式控制方案

　　第二種方案是每個(gè)車(chē)門(mén)采用分布式LIN網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將各個(gè)功能做成單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)，即單獨(dú)的后視鏡控制節(jié)點(diǎn)，車(chē)窗控制節(jié)點(diǎn)，門(mén)鎖控制節(jié)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)輸入控制節(jié)點(diǎn)，該開(kāi)關(guān)輸入控制節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)作為L(zhǎng)IN的主節(jié)點(diǎn)，每個(gè)車(chē)門(mén)的主節(jié)點(diǎn)同時(shí)為CAN-LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，BSI和四個(gè)車(chē)門(mén)通過(guò)CAN網(wǎng)連接。如圖2所示。

圖2 車(chē)門(mén)分布式控制方案

　　方案1是目前大量生產(chǎn)商采用的典型方案，這種集中控制的方式將車(chē)窗升降及防夾、后視鏡的位置調(diào)整、門(mén)鎖、開(kāi)關(guān)量的輸入檢測(cè)集中在一個(gè)ECU中實(shí)現(xiàn)，成本較低，采用低速CAN總線連接，拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通訊簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)，協(xié)議的制定比較簡(jiǎn)單，且CAN采用多主雙線容錯(cuò)機(jī)制，故安全性較高，基于CAN總線的診斷也使得故障的查找和維修比較方便。

　　隨著技術(shù)的發(fā)展和消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)智能化的追求，汽車(chē)智能化程度的提高和迅速升級(jí)換代是保證汽車(chē)廠商競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素，采用單一CAN總線集中控制的缺點(diǎn)也開(kāi)始暴露出來(lái)。由于車(chē)門(mén)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的高性能MCU直接控制車(chē)窗和車(chē)鏡，當(dāng)ECU的智能性要求越來(lái)越高，需要增加功能或智能時(shí)，只能增強(qiáng)各個(gè)集中控制節(jié)點(diǎn)的MCU功能，造成MCU規(guī)格增大；且集中控制安裝復(fù)雜，接插件和連接線纜較多，當(dāng)智能增加時(shí)，互連數(shù)量增加，缺乏靈活性，產(chǎn)品升級(jí)換代需要大量成本，最終導(dǎo)致效率降低[2]。

　　分層式網(wǎng)絡(luò)是解決汽車(chē)產(chǎn)品低成本迅速升級(jí)換代的有效解決方案，LIN總線作為CAN總線的有效補(bǔ)充，是分層式汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)特征升級(jí)和功能增強(qiáng)的關(guān)鍵因素[3]，利用方案2所示CAN-LIN分層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了CAN/LIN總線各自的優(yōu)勢(shì)，將部分功能移植到更小，更可靠的節(jié)點(diǎn)，降低了各個(gè)ECU的復(fù)雜度，且四個(gè)門(mén)內(nèi)的各LIN節(jié)點(diǎn)可以通用，互換性和兼容性更好，可以根據(jù)車(chē)門(mén)功能的配置要求隨時(shí)添加或者減掉某個(gè)節(jié)點(diǎn)，而不會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生任何影響，從而可以迅速升級(jí)換代，而不會(huì)帶來(lái)更大的成本消耗。

　　單芯片傳感器和執(zhí)行器的出現(xiàn)提供了分布式節(jié)點(diǎn)的低成本解決方案，給采取分布式技術(shù)降低成本提供了可能。隨著LIN總線技術(shù)的不斷成熟，對(duì)MCU和LIN狀態(tài)機(jī)進(jìn)行合適的選擇，就可以獲得功能更強(qiáng)大、更靈活的分布式系統(tǒng)。

　　分布式控制的實(shí)現(xiàn)

　　在車(chē)門(mén)系統(tǒng)的分布式控制實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)車(chē)門(mén)均為一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)，前車(chē)門(mén)包括車(chē)窗節(jié)點(diǎn)，后視鏡節(jié)點(diǎn)和門(mén)鎖節(jié)點(diǎn)，后車(chē)門(mén)不包括后視鏡節(jié)點(diǎn)，以下從分布式節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面論述一下車(chē)門(mén)分布式控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

　　后視鏡節(jié)點(diǎn)

　　后視鏡節(jié)點(diǎn)方案如下圖所示,實(shí)現(xiàn)對(duì)后視鏡上下、前后兩個(gè)方向的位置調(diào)整，實(shí)現(xiàn)折疊功能和加熱功能，采用飛思卡爾的智能分布式控制單芯片MM908E625實(shí)現(xiàn)，MM908E625是一個(gè)高度集成的單封裝解決方案，在一個(gè)SOIC54的封裝內(nèi)集成了HC08內(nèi)核和SmartMOS模擬控制IC，該模擬控制IC包括LIN物理層收發(fā)器，電壓調(diào)整器，4個(gè)半H橋和一個(gè)高端開(kāi)關(guān)，采用半H橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)后視鏡電機(jī)的驅(qū)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)位置調(diào)整和折疊，利用高端開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)后視鏡加熱。

圖3 后視鏡節(jié)點(diǎn)方案

　　車(chē)窗節(jié)點(diǎn)

　　車(chē)窗節(jié)點(diǎn)方案如下圖所示。實(shí)現(xiàn)車(chē)窗升降及防夾，采用帶電流反饋的智能功率驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)基于電流反饋的小算法，可以實(shí)現(xiàn)防夾功能。當(dāng)車(chē)窗電機(jī)啟動(dòng)后，經(jīng)過(guò)百毫秒級(jí)的時(shí)間便可以平穩(wěn)運(yùn)行，在這段啟動(dòng)時(shí)間后對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片的電流反饋值取樣，經(jīng)車(chē)窗ECU上的MCU內(nèi)的ADC采樣與閾值比較，如果碰到障礙物，車(chē)窗電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流增大，ADC采樣值超過(guò)設(shè)置的閾值，這時(shí)認(rèn)為碰到了障礙物，MCU控制驅(qū)動(dòng)芯片停止對(duì)車(chē)窗電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了防夾。

圖4 車(chē)窗節(jié)點(diǎn)方案

　　網(wǎng)關(guān)

　　每個(gè)車(chē)門(mén)LIN網(wǎng)的主節(jié)點(diǎn)完成該車(chē)門(mén)區(qū)域的開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)，控制所有在該LIN網(wǎng)絡(luò)上的通信，設(shè)計(jì)合理的進(jìn)度表控制每個(gè)信息幀的傳輸，同時(shí)有效控制關(guān)鍵信號(hào)的最大傳輸延遲。該節(jié)點(diǎn)同時(shí)是CAN-LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，完成CAN網(wǎng)和LIN網(wǎng)間的數(shù)據(jù)緩沖和信息交換。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文綜合考慮了不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和汽車(chē)產(chǎn)品智能化和更新?lián)Q代的要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于CAN/LIN總線的車(chē)門(mén)分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。