基于LIN總線(xiàn)的汽車(chē)HID前照燈自動(dòng)調光系統

摘 要：針對汽車(chē)HID前照燈對自動(dòng)調光的需求，本文設計了一套基于LIN總線(xiàn)的前照燈自動(dòng)調光系統。介紹了系統的總體設計方案、硬件組成和軟件設計基本思想，并給出了軟件編程的基本框架。
關(guān)鍵詞：前照燈；自動(dòng)調光；LIN總線(xiàn)；步進(jìn)電機控制

引言
HID是高壓氣體放電燈(High Intensity Discharge)的縮寫(xiě)，也可稱(chēng)為重金屬燈或者氙氣大燈。與傳統鹵素燈泡相比，HID有亮度高、壽命長(cháng)、省電等優(yōu)點(diǎn)。
正是由于HID具有高亮度的特點(diǎn)，如果使用時(shí)照射高度調節不當，在會(huì )車(chē)時(shí)將會(huì )對迎面來(lái)車(chē)的司機造成強烈的眩目，產(chǎn)生安全隱患。為了規范HID前照燈的市場(chǎng)，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(huì )(United Nations Economic Commission for Europe)在ECE-R48條款中明確規定：裝備HID前照燈的車(chē)輛必須配備能夠全自動(dòng)調節其照射高度的系統，也可稱(chēng)之為前照燈水平自動(dòng)調光系統。該系統工作時(shí)，會(huì )根據車(chē)輛負載的變化自動(dòng)調整HID前燈的投射俯仰角度，確保其投射高度在合適的范圍內，既達到良好的照明效果，又不會(huì )對迎面車(chē)輛的司機造成眩目。

系統總體方案設計
如圖1所示，系統可分為三個(gè)部分，即車(chē)身高度傳感器、中央控制單元和驅動(dòng)執行單元。系統運作情況如下：該系統的主MCU(MC68HC908GZ60)采集車(chē)身前后軸高度傳感器的信號，經(jīng)運算后發(fā)出控制信號分別給左右前照燈的水平調光步進(jìn)電機，指示電機轉動(dòng)到指定位置，完成自動(dòng)調光。

圖1 前照燈自動(dòng)調光系統方案設計


系統硬件設計
車(chē)身高度傳感器
該系統的主要原理是利用測定車(chē)內兩個(gè)基準點(diǎn)(約前、后軸位置)到地面的距離差得出車(chē)輛的傾斜角度信號，從而進(jìn)行水平調節?？蛇x擇光電編碼式的車(chē)高傳感器，把車(chē)身高度的變化(懸架變形量的變化)變換成傳感器軸的旋轉，將檢測出的旋轉角度信號轉變?yōu)殡妷盒盘栞斎隡CU。實(shí)驗中，車(chē)身高度傳感器在車(chē)左前輪和左后輪內側各裝一個(gè)。

中央控制單元
系統中央控制單元采用飛思卡爾(Freescale)公司生產(chǎn)的MC68HC908GZ60芯片為主MCU，配合其他必要元件組成控制單元電路。該芯片主要特性有：8位HC08型CPU，開(kāi)發(fā)資源豐富，兼容性好；片載60KB Flash EEPROM，2KB RAM；24通道A/D轉換模塊，10位精度。

此外，選擇飛思卡爾MC33399芯片與核心MCU通過(guò)SCI口相連，作為LIN總線(xiàn)收發(fā)器。該芯片最多可以驅動(dòng)16個(gè)節點(diǎn)。

之所以選擇LIN總線(xiàn)，是因為它已經(jīng)是車(chē)用總線(xiàn)中較為普及的一種，它的優(yōu)點(diǎn)是芯片價(jià)格低廉，性?xún)r(jià)比高。LIN總線(xiàn)信號傳輸速率可達19.2kbps，一般用在對汽車(chē)安全性要求不高的控制場(chǎng)合，例如電控門(mén)窗、車(chē)燈開(kāi)關(guān)控制等。
LIN總線(xiàn)主節點(diǎn)電路原理圖如圖2所示。

圖2 LIN總線(xiàn)主節點(diǎn)電路原理圖


驅動(dòng)執行單元
驅動(dòng)執行單元，主要是通過(guò)獲取LIN總線(xiàn)上的信號，來(lái)控制步進(jìn)電機轉動(dòng)，從而帶動(dòng)前照燈反光板沿垂直方向轉動(dòng)，完成水平調光。

此處選擇了美國AMI半導體公司的AMIS-30623步進(jìn)電機控制芯片。該芯片屬高集成度芯片，內建了電源模塊、控制器、LIN總線(xiàn)收發(fā)器和步進(jìn)電機驅動(dòng)。其主要特性有：最高峰值電流輸出達800mA；提供最高達16細分數的步進(jìn)電機驅動(dòng)；內建加減速算法；完全兼容LIN1.3規范。

由于A(yíng)MIS-30623芯片本身不可重新編程，一切操作均通過(guò)LIN總線(xiàn)調用其內部函數來(lái)完成，所以使用起來(lái)十分簡(jiǎn)便。內建的加減速算法對于控制步進(jìn)電機變速運動(dòng)非常有效。

LIN總線(xiàn)從節點(diǎn)電路原理圖如圖3所示。

圖3 LIN總線(xiàn)從節點(diǎn)電路原理圖

系統軟件設計
軟件方面，采用1ms定時(shí)中斷采集，每次中斷到來(lái)時(shí)采取一組傳感器輸出的電壓值。經(jīng)過(guò)預判斷后，將有效數據保留，帶入公式計算，得出需要步進(jìn)電機轉動(dòng)到的目標位置。通過(guò)LIN總線(xiàn)向相應的AMIS-30623芯片發(fā)送信號，控制步進(jìn)電機按加速―勻速―減速的方式平穩運動(dòng)到相應位置。該程序在Freescale CodeWarrior 5.7.0環(huán)境下編譯通過(guò)。主程序流程如圖４所示。

圖4 系統主程序流程圖

實(shí)驗結果
為了驗證該系統的動(dòng)態(tài)調光性能，在實(shí)驗室環(huán)境下搭建了一個(gè)能夠模擬車(chē)身俯仰運動(dòng)的實(shí)驗平臺。實(shí)驗過(guò)程中，控制平臺本身按一定幅度作俯仰運動(dòng)，測得調光系統階躍響應時(shí)間約420ms，調整時(shí)間小于1s，穩態(tài)誤差約0.035，滿(mǎn)足了動(dòng)態(tài)自動(dòng)調光的基本要求。

結語(yǔ)
該系統實(shí)現了對汽車(chē)前照燈自動(dòng)調光的基本功能，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更為復雜的自適應前照燈系統(Adaptive Frontlighting System)奠定了基礎。

此外，該系統實(shí)際上是一套基于LIN總線(xiàn)和單片機的小功率步進(jìn)電機控制系統。LIN總線(xiàn)作為一種成本低廉、有較強容錯性的局域總線(xiàn)，在汽車(chē)和工業(yè)控制等環(huán)境中正得到越來(lái)越廣泛地應用。該系統易開(kāi)發(fā)、易維護、成本低廉，可最多添加至16個(gè)子節點(diǎn)，增減節點(diǎn)前后軟件方面完全兼容，無(wú)需重新編程。因此，該設計方案在小功率步進(jìn)電機控制領(lǐng)域具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻
１齊志鵬，汽車(chē)傳感器和執行器的原理與檢修，北京：人民郵電出版社 2002.9：224~226
2 MC68HC908GZ60 Data Sheet Rev. 3.0, Freescale, 2006
3 MC33399 Data Sheet Rev. 6.0, Freescale, 2005