網(wǎng)絡(luò )構架下的車(chē)身中央控制器設計

[摘  要] 本文介紹了基于CAN總線(xiàn)的智能車(chē)身網(wǎng)絡(luò )系統的設計，提出了舒適車(chē)身總線(xiàn)系統功能框架，并給出了車(chē)身中央控制器的硬件設計和功能描述，中央控制器采用MC68HC908AZ60控制器作為核心單元，應用智能觸點(diǎn)檢測模塊和集成電源模塊，節約系統資源，降低系統成本；通過(guò)光電隔離和優(yōu)化的EMC設計，有效的解決了系統抗干擾問(wèn)題，經(jīng)過(guò)試驗證實(shí)系統工作可靠。

[關(guān)鍵詞] CAN  車(chē)身電子  控制器

 
1.前言

隨著(zhù)對車(chē)輛舒適性要求的提高和更多輔助智能功能的出現，ECU單元、執行器、傳感器大量增加，為了限制線(xiàn)束重量和保證各電控單元協(xié)調工作，進(jìn)行車(chē)身網(wǎng)絡(luò )化設計是必要的。

考慮到數據傳輸速率、協(xié)議機制、可靠性、容錯性和成本的要求，車(chē)內網(wǎng)絡(luò )的類(lèi)型依賴(lài)于它們的應用領(lǐng)域，不同網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型的介紹和應用見(jiàn)表1。

表一  主流車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型及應用

2. 系統的功能和框架

本文的車(chē)身總線(xiàn)系統功能主要包括電動(dòng)車(chē)窗控制（帶有防夾功能）、中央集控鎖（帶有遙控功能）、防盜報警、電動(dòng)后視鏡、雨刮器/洗滌泵控制及后視鏡除霜等，整個(gè)系統包括5個(gè)節點(diǎn)，采用低速CAN通信，波特率為100kbit/s，信息編碼采用SAEJ1939編碼規則。系統的框架結構如圖１。

圖1 車(chē)身總線(xiàn)系統網(wǎng)絡(luò )構架

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，通過(guò)CAN總線(xiàn)通信，協(xié)調整個(gè)系統的工作。

3.中央控制器的硬件設計

3.1 中央控制器的核心單元

核心單元采用freescale 的Mc68HC08AZ60,該芯片內部帶有60K的 flash memory ,2K的RAM，1K的eeprom用于系統保存故障信息，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構示意圖如圖2所示。

圖2 中央控制器的硬件結構示意圖

3.2 輸入量的調理和采集模塊

系統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(chē)內燈開(kāi)關(guān)和起動(dòng)鑰匙等大量的開(kāi)關(guān)信號，為了節約系統資源，采用了MC33993觸點(diǎn)監測模塊來(lái)擴展系統的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)監測，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，因為是接地檢測，無(wú)需采用光電隔離，極大的節約了資源，增強了系統的EMC性能。如圖3所示。

圖3  MC33993接線(xiàn)圖

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

3.3 車(chē)速信號的采集

車(chē)速信號可以從儀表輸出得到，也可以采集車(chē)速傳感器器信號，安裝在變速器上的車(chē)速傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過(guò)隔離、電平轉換和整形后，進(jìn)入TPU通道。TPU工作于輸入跳變計數(ITC)模式，通過(guò)2次跳變的時(shí)間差來(lái)檢測車(chē)速信號。需要注意的是車(chē)速傳感器可能是公用的，在設計過(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(chē)速傳感器的前端調理電路

3.4 通信接口模塊
 
為了實(shí)現整車(chē)有效控制和管理，各控制器之間需要信息共享，因此本系統的所有信息交換都采用CAN總線(xiàn)。低速CAN總線(xiàn)物理接口采用了系統集成電源模塊MC33889，其內部集成了低速CAN驅動(dòng)器，并且提供系統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 功率驅動(dòng)模塊和電源模塊 

功率驅動(dòng)主要是車(chē)內燈光和電機驅動(dòng)，包括雨刷電機和洗滌泵電機。本設計采用的是基于VMOS管的智能驅動(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)壓等故障保護功能，故障信息可通過(guò)電流反饋標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。這有利于系統的故障檢測和提高系統的安全可靠性。 

系統為了降低成本，沒(méi)有采用DC-DC電源隔離，而是選者了系統集成電源模塊MC33889,內部集成了CAN 驅動(dòng)器，并且具有硬件看門(mén)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（調式、正常、睡眠、停止）下，滿(mǎn)足系統的需求，降低功耗和增強系統的抗干擾性能。

4 系統的電磁兼容和可靠性設計 

因為中央控制器靠近點(diǎn)火系統，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。在電路設計、元器件布置和布線(xiàn)時(shí)，嚴格按照電磁兼容(EMC)的設計原則。電路板采用模塊化設計，模擬電路、數字電路和功率電路獨立布置，用地線(xiàn)將數字區與模擬區隔離，盡可能把干擾源與敏感器件(如單片機、存儲器等)遠離。盡量選用集成度高和表面安裝的元器件，以減少元器件數目、減小元件之間的連線(xiàn)長(cháng)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支持高級編程語(yǔ)言，軟件可以方便地采用分層結構和模塊化的設計思想，以及實(shí)時(shí)多任務(wù)的機制，因此可有效地提高系統的可靠性和實(shí)時(shí)性。除此之外，在細節上采取了以下措施：對模擬量采用畸值剔除和一階遞推濾波算法；對開(kāi)關(guān)信號延時(shí)、防抖和多次校驗來(lái)防止誤操作；對控制量采用冗余技術(shù)確保操作的可靠性；對CAN上接受和發(fā)送的數據用閥值進(jìn)行限制并判斷其有效性；采用Watch Dog和軟件陷阱來(lái)提高軟件運行失常時(shí)的自恢復能力。

5 總結

作為駕乘者舒適性的最集中體現，車(chē)身各部件控制的網(wǎng)絡(luò )化已成為必然的趨勢。本文開(kāi)發(fā)的車(chē)身網(wǎng)絡(luò )通過(guò)了一些列試驗，結果證明了系統設計的正確性和可靠性。

參考文獻
[1] 龔進(jìn)峰，曹健，基于CAN/LIN總線(xiàn)的智能車(chē)身網(wǎng)絡(luò )研發(fā)，汽車(chē)電器，No.5,2006.
[2] Bruce D.Emaus,Current Vehicle Network Architecture, SAE 2000 World Congress, Detroit, Michigan, March6-9,2000.
[3]C.P.Quigley and A.Roxburgh,The Application of Low Cost CAN Bus Load Transducer Technology, SAE 2001 World Congress, Detroit, Michigan, March 5-8,2001.