基于LIN總線(xiàn)的汽車(chē)雨刮控制系統設計

摘要 為提高雨刮系統的安全性及智能性，以MC9S12DG128為主控制器、MM908E625為雨刮控制器，采用LIN總線(xiàn)的分布式控制方案，設計了一款智能雨刮控制系統。主控單元將液晶觸摸信號轉換為L(cháng)IN指令以控制雨刮的啟停，并通過(guò)紅外傳感器檢測雨量的大小，自動(dòng)控制雨刷器的擺動(dòng)頻率，使用過(guò)程中無(wú)需駕駛員手動(dòng)操作。實(shí)驗結果表明，該系統能有效地根據雨量對汽車(chē)雨刮進(jìn)行智能控制，具有安全性好、可靠性高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)上的各種電子裝置也越來(lái)越多，電子控制裝置之間的通訊也越來(lái)越復雜，而汽車(chē)上傳統的電氣系統大多采用點(diǎn)對點(diǎn)的單一通信方式，造成龐大的布線(xiàn)系統，增加了制造及維護成本。LIN總線(xiàn)全稱(chēng)為區域互連網(wǎng)絡(luò )，用于實(shí)現汽車(chē)車(chē)身控制系統的分布式控制，其具有價(jià)格低廉、結構簡(jiǎn)單、配置靈活等特點(diǎn)，為現代汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )提供功能上的補充，使汽車(chē)結構的設計變得更加靈活。LIN總線(xiàn)主要被應用于車(chē)門(mén)、方向盤(pán)、座椅、雨刮器、車(chē)窗等控制單元，并將分布的智能傳感器和執行器連接到車(chē)內主控制器。本文將LIN總線(xiàn)技術(shù)應用到汽車(chē)雨刷系統上，提出了安全性好、可靠性高的設計方法，該系統經(jīng)實(shí)際調試，取得了良好的應用效果。

1 LIN協(xié)議介紹

LIN(Local Interconnect Network)總線(xiàn)是現代汽車(chē)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中一種低端的通用協(xié)議。其采用一主多從模式，數據的優(yōu)先級由主節點(diǎn)確定，且帶時(shí)間同步的多點(diǎn)廣播接收，從機節點(diǎn)無(wú)需石英或陶瓷諧振器即可實(shí)現同步。同時(shí)，可選報文幀長(cháng)度為2、4或8 Byte;傳輸速率最高可達20 kbit·s-1;并基于通用UART接口的廉價(jià)硬件實(shí)現，單線(xiàn)傳送方式，總線(xiàn)通信距離最長(cháng)可達40 m。

LIN總線(xiàn)的數據以報文幀的格式進(jìn)行傳輸，報文幀由主任務(wù)的幀頭和從任務(wù)的響應組成。幀頭包括同步間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和受保護的標識符;響應分為數據場(chǎng)和校驗和場(chǎng)兩部分。LIN網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)主節點(diǎn)，一個(gè)或多個(gè)從節點(diǎn)組成，通過(guò)主機節點(diǎn)(CAN-LIN網(wǎng)關(guān))，可將LIN與上層網(wǎng)絡(luò )相連接。一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )最多可連接16個(gè)節點(diǎn)，主機節點(diǎn)有且僅有一個(gè)，從機節點(diǎn)有1～15個(gè)。主機任務(wù)負責接收從機節點(diǎn)發(fā)出的總線(xiàn)喚醒命令，調度總線(xiàn)上幀的傳輸次序，并監測數據、處理錯誤，同時(shí)可作為標準時(shí)鐘的參考。從機接收主機發(fā)送的幀頭包含的信息以進(jìn)行判斷：發(fā)送應答、接收應答、或既不發(fā)送也不接收應答。

2 智能雨刷系統方案

在汽車(chē)安裝的眾多執行器中，雨刷對于雨天行駛的汽車(chē)起著(zhù)至關(guān)重要的作用。雨雪天氣，汽車(chē)駕駛員需謹慎應對路滑、視野小等問(wèn)題，使得在雨天的操控過(guò)程中，精力受到較大干擾。為此開(kāi)發(fā)一種智能雨刷控制系統，有效提高汽車(chē)的安全性能。

智能雨刷系統主要包括一個(gè)主控單元和一個(gè)子單元，主控單元包含微控制器模塊和液晶控制屏，子單元由控制器、雨量檢測模塊、電機驅動(dòng)模塊和電機檢測模塊組成。當雨刮處于自動(dòng)擋時(shí)，可根據紅外傳感器檢測雨量大小，自動(dòng)控制雨刷器的擺動(dòng)頻率。子單元通過(guò)LIN總線(xiàn)與主控單元連接，形成車(chē)載LIN網(wǎng)絡(luò )，駕駛員可通過(guò)液晶控制屏對雨刷進(jìn)行控制并查看雨刷工作狀態(tài)。該智能雨刷系統框圖如圖1所示。

在擋風(fēng)玻璃上水量較大時(shí)，雨刮電機的間歇時(shí)間短，水量較小時(shí)，間歇時(shí)間相應較長(cháng)。當工作過(guò)程中雨量傳感器發(fā)生故障時(shí)，系統將以預設的固定間歇時(shí)間來(lái)控制雨刷電機的運轉;若電機發(fā)生堵轉，電樞電流超過(guò)閾值電流，并持續一段時(shí)間，則雨刷會(huì )進(jìn)行復位動(dòng)作。若嘗試3次仍無(wú)法通過(guò)，則退回復位位置停止動(dòng)作，并通過(guò)LIN總線(xiàn)發(fā)送故障報文，由液晶屏進(jìn)行顯示及報警。

3 硬件設計

3.1 控制器模塊

主控單元微控制器采用Freescale公司的高性能、低功耗汽車(chē)電子芯片MC9S12DG128，該芯片屬于HCS12系列增強型16位單片機，片內擁有128 kB的Flash ROM，8 kB的RAM和2 kB的EEPROM，2個(gè)異步串行通信口SCI，2個(gè)同步串行通信口SPI，8通道輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器，1個(gè)8通道脈寬調制模塊，兩個(gè)MSCAN控制器。液晶模塊是整個(gè)系統運行的一個(gè)重要輸入，設計采用的液晶型號為Z2104，內置VGA控制板，該屏幕為電阻屏，與控制器通過(guò)串口進(jìn)行通信，其工作電壓為12 V。主控制器可通過(guò)串口讀取液晶屏觸摸信號，將液晶屏幕的觸摸信號轉換成LIN總線(xiàn)指令，通過(guò)UART/SCI模塊發(fā)送到LIN總線(xiàn)，對子單元進(jìn)行控制，同時(shí)也可將雨刷的狀態(tài)反饋到液晶屏幕上。

3.2 電源模塊設計

電源模塊為雨刷控制系統提供電源。汽車(chē)使用蓄電池提供的12 V電源系統，而本系統中電源電壓均為5 V，故需要對汽車(chē)上的電源系統進(jìn)行電平轉換。設計選用LM2576-5芯片作為系統的電源轉換穩壓芯片，該芯片具有可靠的工作性能、較高的工作效率、優(yōu)異的線(xiàn)性和負載調整能力，且可大幅減少散熱片的體積，為控制電路穩定可靠工作提供保證。

3.3 雨量檢測電路設計

智能雨刷系統中，控制器通過(guò)雨量檢測裝置檢測降雨量的大小，自動(dòng)控制雨刷器的擺動(dòng)頻率，使用過(guò)程中無(wú)需駕駛員人為操作，大幅提高行車(chē)的安全性。不同的檔位對應不同的刮水頻率和不同的LIN協(xié)議信號報文頭，間歇暫停時(shí)間和刮水頻率由雨量傳感器的數據決定。設計采用紅外雨量檢測裝置，紅外發(fā)射器將光束以一定的角度投射到汽車(chē)擋風(fēng)玻璃，經(jīng)由擋風(fēng)玻璃反射回到紅外接收器。當有雨滴落到擋風(fēng)玻璃上時(shí)，部分光束會(huì )因折射、散射等現象而分散到外部，導致接收器收到的紅外線(xiàn)總量少于其發(fā)出總量。由此得出擋風(fēng)玻璃上的雨量變化情況，再發(fā)出刮水請求至主控制器，以此控制雨刮器完成不同速度的刮水動(dòng)作，同時(shí)與主控單元進(jìn)行總線(xiàn)通信，隨時(shí)發(fā)送子系統的運行狀態(tài)。

3.4 霍爾位置傳感器

智能雨刷系統采用霍爾傳感器對雨刷電機的轉動(dòng)情況實(shí)時(shí)進(jìn)行監控，包括對電機位置和轉速的檢測，當檢測到雨刷電機的位置后，單片機判斷當前位置是否正確，若不正確，控制電機轉動(dòng)到正確位置。同時(shí)檢測雨刷電機的轉速，單片機接收后與給定的速度值作比較，經(jīng)過(guò)內部處理得出下一步運行步驟，控制電機運行在最精確的速度值。文中選用英飛凌公司的TLE4941，芯片內部集成有差分霍爾傳感器與信號調理器電路，TLE4941的電路原理如圖2所示。C5為消噪電容，通過(guò)電阻R可將輸出電流轉換成電壓信號，輸出端連接至MM908E625的霍爾效應傳感器輸入引腳。