分布式車(chē)身控制系統設計

關(guān)鍵詞：分布式；車(chē)身控制；LIN總線(xiàn)；智能功率芯片；故障診斷

１ 引言

隨著(zhù)汽車(chē)電子的迅猛發(fā)展，現代汽車(chē)中電控單元的數量也逐漸增多，這些電控單元大致可分成動(dòng)力傳動(dòng)裝置控制（如發(fā)動(dòng)機控制和變速控制）、底盤(pán)控制（如汽車(chē)防抱死系統ＡＢＳ）和車(chē)身控制三類(lèi)。其中車(chē)身控制系統主要用來(lái)提高駕駛的方便性和乘坐的舒適性，該系統涵蓋的范圍較廣，包括燈光控制、車(chē)門(mén)控制、座位控制、氣候（空調）控制、儀表盤(pán)顯示等。本文將介紹一種分布式車(chē)身控制系統的設計方法，該系統可對汽車(chē)燈光、雨刷及底盤(pán)部分電磁閥等節點(diǎn)進(jìn)行分布式控制。

該控制系統的主要功能如下：

●控制汽車(chē)上所有車(chē)燈。

●控制雨刷低速、高速、間歇式工作。

●控制與取力器、全輪驅動(dòng)、輪間和軸間差速器相連的電磁閥工作。

●實(shí)時(shí)響應駕駛室控制開(kāi)關(guān)的動(dòng)作：按照ＳＡＥ（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）的標準，實(shí)時(shí)性響應時(shí)間在１０ｍｓ～１００ｍｓ之間。

●燈光自檢功能：汽車(chē)上電后所有的燈點(diǎn)亮５ｍｓ后熄滅，以檢查所有燈是否工作正常。

●故障診斷定位能力：智能功率開(kāi)關(guān)具有過(guò)流、過(guò)溫、過(guò)壓保護和開(kāi)路檢測功能，ＭＣＵ通過(guò)檢測智能功率開(kāi)關(guān)各通路的Ｓｔａｔｅ引腳狀態(tài)可判斷出哪路負載出現故障。

２ 系統結構

該系統采用分布式結構。因為車(chē)身控制系統的控制對象比較多而且位置分散，若采用點(diǎn)對點(diǎn)集中控制方式，控制模塊與被控對象之間就需要大量連接電纜，這勢必造成車(chē)內布線(xiàn)復雜、制造和安裝困難，并存在故障隱患。而分布式系統結構可以根據控制對象的位置來(lái)設計控制模塊，從而縮短了控制對象和控制模塊的距離。各模塊間通過(guò)ＬＩＮ總線(xiàn)來(lái)通訊，該方式僅需一根線(xiàn)作為通訊線(xiàn)，這樣加上地線(xiàn)和電源線(xiàn)總共三根線(xiàn)，從而簡(jiǎn)化了布線(xiàn)和系統結構?增加了系統的靈活性，并可方便地增減節點(diǎn)。此外，分布式系統結構還可降低單板的靜態(tài)電流，增加單板的穩定性。圖１所示是其系統結構圖。

根據系統功能要求和結構特點(diǎn)，該控制系統被分成主控模塊和三個(gè)子模塊（前模塊、底盤(pán)模塊和后模塊）。其中主控模塊位于車(chē)的駕駛室內，主要檢測駕駛室內控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并根據這些控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)實(shí)現相應的控制策略，然后將控制命令發(fā)送給各子模塊，同時(shí)檢查各用電設備的工作狀態(tài)，若有故障則報警顯示。前模塊位于車(chē)的前部，主要控制車(chē)前部的用電設備，包括車(chē)前部的燈（遠光燈、近光燈、霧燈、左右前轉向燈）、雨刷、風(fēng)扇、加熱、緊急報警、喇叭的工作等。底盤(pán)模塊位于車(chē)的底盤(pán)，主要控制與取力器、全輪驅動(dòng)、輪間和軸間差速器相連的電磁閥的工作。后模塊位于車(chē)的后部，主要控制車(chē)后部的用電設備，包括尾燈、剎車(chē)燈、左右后轉向燈的工作。

主控模塊和子模塊的功能如圖２所示。其中電壓調整單元可將汽車(chē)內的２４Ｖ電壓轉換成５Ｖ電壓，供給單片機、功率芯片等電壓為５Ｖ的芯片。

主模塊中的微處理器控制單元（ＭＣＵ）采用Ｍｏ-ｔｏｒｏｌａ的ＭＣ６８ＨＣ９０８ＧＺ１６來(lái)實(shí)現，主要用于采集輸入的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以完成相應的控制策略，同時(shí)將控制命令通過(guò)串口送給各子模塊，并根據各子模塊反饋的負載狀態(tài)判斷是否存在故障，若有故障則報警顯示。圖３所示是主模塊的硬件原理圖。

各子模塊中的微處理器控制單元采用ＭＣ６８ＨＣ９０８ＧＲ８，主要用于完成負載驅動(dòng)，并采集負載的工作狀態(tài)發(fā)送給主控模塊。其硬件原理圖如圖４所示。

開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測單元的任務(wù)是在２４Ｖ的開(kāi)關(guān)狀態(tài)電壓轉換成５Ｖ后，將此并行數據轉換成串行數據送給ＭＣＵ，這樣可大大減少所需ＭＣＵ的引腳數量。

功率驅動(dòng)單元由功率芯片和串／并轉換芯片組成，功率芯片代替了傳統的繼電器后，許多汽車(chē)負載不能被ＭＣＵ或低電流接口器件直接驅動(dòng)，但功率芯片可通過(guò)ＭＣＵ控制輸出大電流來(lái)驅動(dòng)各種負載。各子模塊可根據所帶負載來(lái)選擇不同的功率芯片?本設計選用ＭＣ３３２８６和ＭＣ３３８８８來(lái)驅動(dòng)阻性負載，選用ＭＣ３３２８９來(lái)驅動(dòng)感性負載。ＭＣＵ通過(guò)Ｉ／Ｏ端口串行輸出控制命令后，將通過(guò)串／并芯片送給功率開(kāi)關(guān)。

故障顯示單元用三個(gè)發(fā)光二極管表示三個(gè)子模塊，若其中某個(gè)子模塊出現故障，相應的發(fā)光二極管會(huì )點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器會(huì )報警。此時(shí)該子模塊上用發(fā)光二極管來(lái)表示子模塊所驅動(dòng)的負載狀態(tài)顯示也會(huì )作出響應，從而可以非常直觀(guān)地看出子模塊上哪路負載出現開(kāi)路、過(guò)流、過(guò)溫、過(guò)壓等故障。

３ 系統通訊

本系統采用ＬＩＮ總線(xiàn)通訊方式。ＬＩＮ總線(xiàn)是基于通用ＳＣＩ／ＵＡＲＴ接口的，其成本要低于ＣＡＮ通訊。ＬＩＮ可以作為ＣＡＮ通訊網(wǎng)絡(luò )的輔助。ＬＩＮ總線(xiàn)主要應用于不需要ＣＡＮ的性能、帶寬及復雜性的低速系統，如開(kāi)關(guān)類(lèi)負載或位置型系統（包括車(chē)的后視鏡、車(chē)鎖、車(chē)座椅、車(chē)窗等）的控制。因此，ＬＩＮ更有助于實(shí)現汽車(chē)與ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò )連接的分布式控制系統。

ＬＩＮ總線(xiàn)的特點(diǎn)如下：

●采用低成本的單線(xiàn)１２Ｖ數據傳輸，線(xiàn)驅動(dòng)和接收特性符合改進(jìn)的ＩＳＯ ９１４１單線(xiàn)標準；

●傳輸速率可達２０ｋｂｉｔ／ｓ ；

●采用單主／多從的結構，不需要總線(xiàn)仲裁，由主節點(diǎn)來(lái)控制總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)；

●基于通用ＵＡＲＴ／ＳＣＩ的硬件接口，幾乎所有的微控制器都有ＬＩＮ 必需的硬件；

●從節點(diǎn)不需要晶振或陶瓷振蕩器就可實(shí)現自同步，從而減少了從節點(diǎn)的硬件成本；

●最差狀況下的信號傳送等待時(shí)間可得到充分保證，因此可避免總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)沖突。

本系統的通訊順序由主控模塊控制，ＬＩＮ的數據幀是按數據內容，而不是數據的目的地址定義的。這樣定義可使多個(gè)節點(diǎn)收到同樣的信息，并且數據能夠以多種方式交換。數據可以從主節點(diǎn)發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)從節點(diǎn)，也可以通過(guò)從節點(diǎn)發(fā)送給主節點(diǎn)或其它從節點(diǎn)。因此從節點(diǎn)之間的通訊并不需要經(jīng)過(guò)主節點(diǎn)，并且主節點(diǎn)可以將信息廣播給網(wǎng)絡(luò )內的所有節點(diǎn)。系統中的數據通訊主要是主模塊向三個(gè)子模塊發(fā)送控制命令和三個(gè)子模塊向主模塊反饋故障狀態(tài)數據。本系統定義了四種數據類(lèi)型，一種是三個(gè)模塊各自接收的數據，第二種是前模塊和后模塊同時(shí)接收的數據，第三種是三個(gè)模塊同時(shí)接收的數據，第四種是三個(gè)模塊各自獨立發(fā)送的數據。其通訊過(guò)程可參見(jiàn)圖５所示的系統軟件流程。

４ 系統抗干擾設計

由于汽車(chē)上的電磁干擾比較厲害?因此對系統的抗干擾能力要求較高，本系統在硬件和軟件上均進(jìn)行了抗干擾設計。在硬件上，通訊線(xiàn)路采用了光電隔離電路?電源也采用ＤＣ－ＤＣ隔離。在電源和地之間設計了一個(gè)去耦電容，可用來(lái)過(guò)濾掉來(lái)自電源的高頻噪聲。在印刷線(xiàn)路板的布局上，將數字電路和功率驅動(dòng)電路合理分開(kāi)，這可使相互間的信號耦合減少到最小。在軟件上采用了看門(mén)狗技術(shù)，從而增加了系統的可靠性。

５ 結論

本設計方案可實(shí)現分布式車(chē)身控制系統的基本功能，且結構簡(jiǎn)單、成本低。此外，該設計思想同樣也適用于轎車(chē)和中型車(chē)輛控制。