基于LIN總線(xiàn)的汽車(chē)方向盤(pán)按鍵控制器的設計與實(shí)現

人們在選購家用轎車(chē)時(shí)，對舒適性的要求在不斷提高，舒適性能已成為購車(chē)因素的一項重要指標。傳統的汽車(chē)方向盤(pán)只具備控制轉向和喇叭的功能，而隨著(zhù)汽車(chē)車(chē)身電子的發(fā)展，方向盤(pán)上正逐漸集成許多用于控制其他功能的按鍵，如控制收音機的按鈕、控制DVD或者CD播放的按鈕、手機藍牙免提、自動(dòng)巡航控制等，甚至還預留了用戶(hù)可配置功能的按鍵，即學(xué)習型按鍵。

方向盤(pán)按鍵的設計風(fēng)格體現了每種車(chē)型不同的個(gè)性，因此方向盤(pán)的按鍵控制設計正受到越來(lái)越多車(chē)廠(chǎng)的關(guān)注?？紤]到汽車(chē)方向盤(pán)按鍵控制器受到安裝空間、多重命令和設計成本等諸多因素的限制，同時(shí)LIN(Local Interconnect Network)總線(xiàn)在車(chē)身電子低速應用領(lǐng)域具有可靠性高、節省線(xiàn)束的優(yōu)勢，我們選用飛思卡爾半導體公司的MC9S08SC4作為主控制器，設計了一種基于LIN總線(xiàn)的汽車(chē)方向盤(pán)按鍵控制器。

按鍵控制器設計難點(diǎn)

汽車(chē)方向盤(pán)按鍵控制器的設計主要有以下三個(gè)難點(diǎn)。

1 安裝空間限制

由于按鍵控制器被安裝在方向盤(pán)面板附近的位置，因此需要在設計時(shí)盡可能減小印制板的面積，以方便嵌入到方向盤(pán)下方狹小的空間，并且要避免與其他模塊（如ABS）安裝的位置發(fā)生沖突。

2 線(xiàn)束數量限制

方向盤(pán)按鍵控制器在為駕駛員帶來(lái)操控舒適性和駕駛樂(lè )趣的同時(shí)，需要及時(shí)處理各按鍵發(fā)出的多重控制命令，并將這些命令發(fā)送給相應的控制模塊，以完成如CD/DVD播放、定速巡航控制或手機電話(huà)的免提功能等。如果使用線(xiàn)束方式將按鍵控制器分別與被控模塊相連，勢必增加線(xiàn)束的成本、布線(xiàn)復雜度和整車(chē)重量，因此采用汽車(chē)總線(xiàn)的方式實(shí)現與各被控模塊之間的通信是高性?xún)r(jià)比的理想選擇。

3成本限制

從原理上講，按鍵控制器只是將按鍵操作轉化為對應的命令并以最低廉可靠的方式傳給各功能模塊。盡可能減少外圍元器件的個(gè)數，以及盡可能利用微控制器提供的片上資源來(lái)實(shí)現系統功能是設計關(guān)鍵所在。

按鍵控制器硬件系統設計

按鍵控制器系統主要由輸入信號調理電路、主控單片機、LIN總線(xiàn)收發(fā)器和按鍵背光輸出驅動(dòng)電路組成，系統框圖如圖1所示。輸入信號調理電路主要對按鍵信號進(jìn)行鎖存、去抖等處理，處理后的模擬信號送入單片機的AD單元進(jìn)行數字化轉換，數字信號則送入單片機中斷接口。主控單片機主要完成按鍵信號的檢查、LED背光的控制以及LIN通信。LIN總線(xiàn)收發(fā)器配合LIN控制器完成與各控制模塊的總線(xiàn)通信。下面著(zhù)重對主控單片機和LIN總線(xiàn)收發(fā)器的選型予以闡述。

圖1 按鍵控制器系統框圖

的控制以及LIN通信。LIN總線(xiàn)收發(fā)器配合L I N控制器完成與各控制模塊的總線(xiàn)通信。下面著(zhù)重對主控單片機和LIN總線(xiàn)收發(fā)器的選型予以闡述。

1 主控單片機

按鍵控制器的設計存在安裝空間、線(xiàn)束數量、成本等諸多限制，關(guān)鍵元器件的選型必須綜合考慮這些因素，力求性?xún)r(jià)比最優(yōu)。飛思卡爾半導體公司基于增強型H C S08核的8位高性能單片機M C9S08S C4 采用16-T S S O P封裝，外形尺寸僅僅6.40m m×5.00m m，用于方向盤(pán)鍵盤(pán)控制器設計將大幅減少P C B面積。另一方面，M C9S08S C4內部自帶一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器，校準后能實(shí)現全溫度和全電壓范圍內最大誤差不超過(guò)±2%的精度，足以滿(mǎn)足時(shí)鐘精度要求最高的L I N通信應用。因此，可以直接使用內部數字時(shí)鐘提供L I N通信和整個(gè)系統所需的時(shí)鐘信號，省去了芯片外部的時(shí)鐘振蕩器，從而達到節省印制板面積和系統成本的目的。

M C9S08S C4內部集成有L I N控制器，對于汽車(chē)方向盤(pán)按鍵所要負責的多種控制功能，通過(guò)L I N總線(xiàn)可以節省線(xiàn)束成本、減輕重量，也便于功能的升級和裁剪。L I N總線(xiàn)作為一種低成本、高可靠性的汽車(chē)總線(xiàn)系統，已在車(chē)身電子系統中得到廣泛的應用。雖然L I N控制器可以使用普通的串行口控制器U A R T實(shí)現，但是M C9S08S C4內部的串行口控制器S C I模塊不僅能實(shí)現U A R T的功能，而且還集成了與L I N通信相關(guān)的某些硬件特性（例如，對于L I N通信中非常特殊的Break域的產(chǎn)生和檢測過(guò)程）。這種硬件集成的L I N通信的功能，相比使用普通U A R T控制器可幫助用戶(hù)降低L I N通信軟件設計復雜度，加快產(chǎn)品研發(fā)周期和上市時(shí)間。

在汽車(chē)方向盤(pán)按鍵控制系統中，系統掉電之前的一些數據（例如，最后的音量信息或者定速巡航的速度信息）都需要在下一次上電之后恢復。如果采用傳統的方法即增加一片E E P R O M來(lái)保存相應的數據，則會(huì )帶來(lái)增加印制板面積和成本的雙重壓力。如果單片機片上的F l a s h能夠模擬E E P R O M的操作實(shí)現數據的存儲，那么將是最理想的解決方式。而MC9S08SC4 內部FLASH控制器自帶高壓泵支持F L A S H編程和擦除所需要的電壓，同時(shí)支持較高的重復編程和擦除操作，也可以動(dòng)態(tài)地保存參數到F L A S H中，因此M C9S08S C4內部FLASH存儲器能夠模擬EEPROM的操作實(shí)現數據的存儲，省去了EEPROM芯片。

2 LIN總線(xiàn)收發(fā)器

L I N總線(xiàn)收發(fā)器是L I N控制器和L I N物理總線(xiàn)之間的接口，其選型應從L I N協(xié)議版本、靜態(tài)功耗、成本等方面綜合考慮。在本設計中選用的L I N收發(fā)器是恩智浦半導體公司的T J A1021。T J A1021支持最新的L I N2.1協(xié)議，數據傳輸速率從1～20k b p s，輸入電平兼容3.3V和5V器件，具有極低的電磁發(fā)射和高抗電磁干擾性，在睡眠模式下供電電流只有10μ A左右，可實(shí)現本地或遠程喚醒，L I N總線(xiàn)對電池和地自動(dòng)短路保護。T J A1021應用電路如圖2所示，具有4種工作模式：正常工作模式、睡眠模式、待機模式以及啟動(dòng)模式。當VBAT上電，且控制信號NSLP為低電平，T J A1021即進(jìn)入啟動(dòng)模式。正常啟動(dòng)以后，若NSLP被置為高電平并超過(guò)2μ s，T J A1021則進(jìn)入正常工作模式。此時(shí)，若NSLP被置為低電平并超過(guò)2μ s，T J A1021則進(jìn)入睡眠模式。睡眠模式下，如果R X D信號由懸浮狀態(tài)變?yōu)榈碗娖?，則說(shuō)明檢測到喚醒信號（T X D信號輸出狀態(tài)為弱下拉則為本地喚醒，強下拉則為遠程喚醒），TJA1021將自動(dòng)進(jìn)入待機模式。V15為齊納二極管，用來(lái)抑制汽車(chē)電源瞬態(tài)過(guò)壓以保護收發(fā)器的正常工作。


按鍵控制器軟件系統設計

在由方向盤(pán)按鍵控制器、收音機功能模塊、車(chē)載D V D或者C D功能模塊、自動(dòng)巡航控制模塊等組成的L I N總線(xiàn)系統中，方向盤(pán)按鍵控制器為主節點(diǎn)，其余為從節點(diǎn)。按鍵控制器軟件主程序是采用循環(huán)方式不斷掃描按鍵矩陣，當某個(gè)按鍵狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，就調用LIN發(fā)送函數，通過(guò)LIN總
線(xiàn)輸出相應的指令。主程序軟件包括協(xié)議層軟件、接口層軟件和應用層軟件三部分。協(xié)議層軟件負責底層通信協(xié)議的實(shí)現及總線(xiàn)信號的產(chǎn)生，接口層軟件提供應用程序接口，應用層軟件負責具體功能的控制。

1 協(xié)議層軟件

協(xié)議層是整個(gè)系統L I N協(xié)議實(shí)現的核心，負責物理鏈路的控制和使用，它接收來(lái)自接口層函數的調用，主要完成多字節數據的發(fā)送。在本設計中，多字節發(fā)送函數為v o i d_s e n d_data(u8 *temp, u8 num)，待發(fā)送的數據數組通過(guò)指針t e m p傳遞，n u m為要發(fā)送的數據字節數，發(fā)送程序流程圖如圖3(a)所示。

2 接口層軟件

接口層是協(xié)議層與應用層聯(lián)系的橋梁，負責將應用層的命令轉換為協(xié)議層的數據格式，然后通過(guò)協(xié)議層將這些數據發(fā)送到總線(xiàn)，在本設計中，接口層多字節發(fā)送函數為v o i d_u8_d a t a_wr(d a t a_h a n d l e u u u, u8*ptr)，程序流程如圖3(b)所示。

圖3 多字節發(fā)送流程圖

3 應用層軟件

應用層軟件主要分為3 個(gè)基本模塊：總線(xiàn)通信模塊v o i d _ L I N _s e n d(v o i d)、鍵盤(pán)狀態(tài)檢測模塊v o i dk e y_s c a n(v o id)和鍵盤(pán)處理模塊v o i dprocess_(void)。程序開(kāi)始運行時(shí)，先對L I N總線(xiàn)進(jìn)行初始化，初始化完畢就轉入鍵盤(pán)狀態(tài)掃描函數key_scan()。該函數監測鍵盤(pán)狀態(tài)標志，如果狀態(tài)改變就調用L I N_s e n d()把對應命令發(fā)送到總線(xiàn)上。

試驗測試

根據上述方案，設計了一款簡(jiǎn)易的按鍵控制器，配置了3個(gè)按鍵來(lái)模擬方向盤(pán)按鍵的功能，并進(jìn)行了通信試驗和初步的抗干擾試驗，印制電路板（P C B）如圖4所示。測試方法如下：

圖4 按鍵控制器PCB圖
將按鍵控制器的L I N線(xiàn)、地線(xiàn)分別和自制的LIN總線(xiàn)測試臺LI N線(xiàn)、地線(xiàn)相連，供電電壓為直流12V。當任意按鍵按下時(shí)，控制器作為主節點(diǎn)主動(dòng)向LI N總線(xiàn)發(fā)送“#F0”指令，如果LIN總線(xiàn)測試臺接收到該命令字就啟動(dòng)蜂鳴器報警，同時(shí)發(fā)光二極管閃爍。實(shí)際測試表明按鍵控制器LIN通信功能正常。由于汽車(chē)電磁環(huán)境惡劣,因此L I N通信系統的抗干擾能力尤為重要。按鍵控制器在B Z-5型汽車(chē)電火花干擾試驗臺上進(jìn)行了抗干擾試驗，試驗中LIN通信功能正常，達到了設計目標。