基于LIN通信的車內(nèi)環(huán)境照明解決方案

更為有遠(yuǎn)見(jiàn)的OEM汽車廠商已經(jīng)意識(shí)到車內(nèi)環(huán)境照明的價(jià)值，以在日益競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中提升產(chǎn)品的差異化。進(jìn)而由于電子設(shè)備已成為汽車組件中增長(zhǎng)最快的部分，速度超過(guò)了機(jī)械裝置、氣動(dòng)裝置和液壓裝置。隨著車內(nèi)環(huán)境照明應(yīng)用數(shù)量的不斷增多，OEM汽車廠商對(duì)不同顏色的LED環(huán)境照明方案進(jìn)行了區(qū)分應(yīng)用，現(xiàn)在主要是應(yīng)用于其中的中級(jí)橋車模型，將來(lái)如何大規(guī)模擴(kuò)展的唯一真正問(wèn)題是怎樣在可接受的成本內(nèi)實(shí)現(xiàn)所需的照明系統(tǒng)。

為了滿足上述應(yīng)用要求并降低成本、縮短實(shí)現(xiàn)時(shí)間，選擇正確的解決方案至關(guān)重要。本文將從以下幾個(gè)方面對(duì)車內(nèi)環(huán)境照明解決方案進(jìn)行闡述：

(1)車內(nèi)環(huán)境照明實(shí)現(xiàn)方法的選擇;

(2)使用控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)RGB LED顏色的混光，溫度補(bǔ)償以及LED之間的差異化補(bǔ)償;

(3)車內(nèi)環(huán)境照明網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式的討論。

一、車內(nèi)環(huán)境照明系統(tǒng)的發(fā)展

基本的環(huán)境照明機(jī)制大約在五年前開(kāi)始應(yīng)用于汽車。在這個(gè)階段，它們可支持的功能非常有限，并且實(shí)現(xiàn)方式也被認(rèn)為是相當(dāng)昂貴的。如果要將車內(nèi)環(huán)境照明作為一個(gè)市場(chǎng)賣點(diǎn)，就需要增加終端客戶的調(diào)節(jié)靈便性。這導(dǎo)致了從傳統(tǒng)早期的被動(dòng)方案到更智能化的環(huán)境氛圍燈系統(tǒng)。借助于完全可調(diào)節(jié)化環(huán)境氛圍燈的發(fā)展，車輛駕駛員將在不久的將來(lái)根據(jù)個(gè)人情緒或品味將車內(nèi)氛圍燈調(diào)整為他們想要的任何顏色。在未來(lái)的車型中，車內(nèi)氛圍燈非常有可能成為高級(jí)駕駛員信息系統(tǒng)的一部分。例如，汽車在城市

中，鄉(xiāng)村公路上或高速路上行駛時(shí)，環(huán)境氛圍燈顏色會(huì)有所不同，紅色可提高駕駛員的預(yù)警性，而黃色則有助于駕駛員在高速路上放松駕駛心情。在很多情況下，車內(nèi)環(huán)境氛圍燈可與OEM汽車廠商的價(jià)值以及個(gè)性化定位聯(lián)系在一起，使其產(chǎn)品更加有獨(dú)特性。

二、環(huán)境照明的實(shí)現(xiàn)

為了使環(huán)境照明能在車載環(huán)境里有實(shí)際的影響，并真正讓到乘客和駕駛員體驗(yàn)其舒適性，需要在車內(nèi)布置大量的固態(tài)光源 ——可設(shè)置于腳部空間，沿儀表板，穿過(guò)車頂部下側(cè)，或是門板等，以及用于照亮車內(nèi)特定部位(車內(nèi)門把手、杯托等)。在光電領(lǐng)域?qū)τ趩畏庋b發(fā)光器件的三原色混色并使其擴(kuò)散于整個(gè)車內(nèi)已經(jīng)取得了進(jìn)展，然而隨著需要將所有RGB LED互連的成本要求對(duì)環(huán)境氛圍光的實(shí)現(xiàn)方式有著非常大的制約，考慮到這個(gè)因素，現(xiàn)可能只會(huì)被用于豪華車內(nèi)。這無(wú)疑是不幸的，因?yàn)槿绻麅r(jià)格適當(dāng)，它完全可以被廣泛用于中檔或是入門級(jí)轎車。

圖1 應(yīng)用車內(nèi)環(huán)境照明的實(shí)際效果

1.LIN 控制

與考慮任何一種方案一樣，成本的要求是首當(dāng)其沖的。在車內(nèi)環(huán)境照明解決方案中實(shí)施本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)通信是最佳的做法，可有助于降低開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期，因此利用現(xiàn)有的總線設(shè)施，重量輕、單線LIN通信是對(duì)高性能，成本昂貴的CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))通信的補(bǔ)充。每個(gè)RGB LED模塊可以連接在LIN網(wǎng)絡(luò)而不需要額外的布線。因此，整體系統(tǒng)成本可保持在最低水平，再加上汽車總重量不會(huì)增加——從而避免了燃油損耗的增加，而且設(shè)計(jì)者也可以利用LED的封裝優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提升車內(nèi)體驗(yàn)。

2.恒流源驅(qū)動(dòng)

LED必須使用恒流源驅(qū)動(dòng)。大部分LED都有一個(gè)規(guī)定的電流級(jí)別，LED在這個(gè)電流級(jí)別可達(dá)到最大的亮度，且有助于LED壽命。另外LED的光能輸出和其流經(jīng)的電流是成正比的。

控制LED亮度通常有兩種方式：一是改變LED電流;二是對(duì)LED驅(qū)動(dòng)的恒流源電流采用脈寬調(diào)制(PWM)改變占空比。

第一種方式的主要缺點(diǎn)：隨著電流的降低，LED效率也隨之降低，對(duì)于高功率LED，電流的降低還會(huì)導(dǎo)致顏色偏差。然而PWM調(diào)光方式以全電流驅(qū)動(dòng)LED，可避免效率降低和顏色偏差等問(wèn)題。

邁來(lái)芯電子最新推出的MLX81106包含上述必要的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)技術(shù)，芯片可利用內(nèi)建恒流源直接驅(qū)動(dòng)4顆LEDs(紅、綠、藍(lán)和白)，并且使用MOS柵電壓幅值調(diào)整實(shí)現(xiàn)PWM占空比調(diào)制。

圖2 MLX81106驅(qū)動(dòng)RGB LED電路圖

3.RGB LED 顏色控制算法以及補(bǔ)償

使用集成MCU微控制器方式可檢測(cè)并控制RGB LED顏色，產(chǎn)生特定的顏色，以及混合的顏色。如，可以混合RGB的成分來(lái)產(chǎn)生特定的白光。

通過(guò)采用紅色、綠色和藍(lán)色的顏色值以及亮度值可產(chǎn)生所需的顏色，對(duì)應(yīng)地采用三個(gè)PWM通道或是四個(gè)PWM通道實(shí)現(xiàn)，本文討論的是采用三個(gè)PWM通道實(shí)現(xiàn)將顏色和亮度控制結(jié)合在一起的方式，因此需要更高的PWM分辨率以及功能強(qiáng)大的MCU。

MLX81106 本身集成了MCU，其4路輸出能實(shí)現(xiàn)最高到30mA (使用內(nèi)部電路增強(qiáng)功能可達(dá)48mA)的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)外部RGB LED(如果需要輸出更大電流來(lái)驅(qū)動(dòng)白色LED，可以采用芯片本身高邊IOs驅(qū)動(dòng)外接器件來(lái)實(shí)現(xiàn))混光產(chǎn)生2.7 x 1014不同的顏色—— 從而使用戶有更加廣泛的選擇。

另外LED的溫度和差異性是影響LED顏色因素的一部分，因此需要對(duì)這兩者的影響進(jìn)行補(bǔ)償。

對(duì)于溫度補(bǔ)償，低成本且有效的方式是采用芯片內(nèi)部集成的溫度傳感器和比較器;或是檢測(cè)LED的正向壓降，MLX81106可提供上述兩種方式的實(shí)現(xiàn)硬件，其集成的LED閾值檢測(cè)能力不僅對(duì)LED溫度進(jìn)行補(bǔ)償，也可對(duì)LED老化實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，而不需要任何外部元器件。

由于LEDs 通常因?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程會(huì)造成的光強(qiáng)度的差異，這會(huì)引起輸出混光顏色的差異。為了彌補(bǔ)該效應(yīng)MLX81106集成的128字節(jié)EEPROM可用來(lái)在模塊生產(chǎn)線上對(duì)LEDs進(jìn)行終端校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)LED差異性補(bǔ)償。

4.網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式

由于整個(gè)車內(nèi)部需要大量的固態(tài)光源，基于物流原因，重要的一點(diǎn)是確保所有模塊都是相同的(硬件和軟件方面)。為了簡(jiǎn)化汽車的生產(chǎn)過(guò)程，需要對(duì)單個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)的控制，就需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)汽車內(nèi)每個(gè)模塊的具體位置。此外，對(duì)汽車內(nèi)照明節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)以及診斷的要求，都需要使用適合的低成本通信協(xié)議，如之前討論 OEM汽車廠商最新開(kāi)發(fā)的車內(nèi)照明采用的最經(jīng)濟(jì)有效方式是LIN/J2602通信協(xié)議，進(jìn)而考慮到需要檢測(cè)每個(gè)模塊并對(duì)其實(shí)現(xiàn)診斷，現(xiàn)在一些OEM汽車廠商正考慮采用具有自動(dòng)尋址功能的LIN通信。該方式基于總線并聯(lián)(已用于空調(diào)系統(tǒng))方式實(shí)現(xiàn)。雖然與標(biāo)準(zhǔn)LIN通信相比增加了硅的成本，但是該系統(tǒng)提供在整車EOL過(guò)程中對(duì)所有模塊實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的功能，降低OEM汽車廠商和一級(jí)供應(yīng)商的物流成本。[!--empirenews.page--]

邁來(lái)芯電子對(duì)此方案提供了簡(jiǎn)單的參考電路設(shè)計(jì)，包含RGB LED、驅(qū)動(dòng)電路和自動(dòng)尋址功能，全都置于一塊僅有9mm x 9mm大小的PCB上。

圖3 LIN網(wǎng)絡(luò)中總線并聯(lián)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋址示意圖

三、MLX81106解決方案介紹

為應(yīng)對(duì)汽車廠商OEM的實(shí)際需求，且為實(shí)現(xiàn)成本有效的環(huán)境照明方案，邁來(lái)芯電子推出了MLX81106車用級(jí)芯片。該芯片借助 0.18μm高壓CMOS工藝，是顆高度集成、可自由編程的LIN RGB LED 從節(jié)點(diǎn)器件。芯片本身采用SOIC8小尺寸封裝方式，可滿足客戶PCB設(shè)計(jì)的大小以及空間要求。其次集成了多種功能，包括物理層LIN收發(fā)器，19.2kbit/s LIN 控制器(支持 LIN 2.x 和 SAE J2602)，預(yù)分頻的10-位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) ，電壓調(diào)節(jié)器和16位微控制器 (有24/32K字節(jié)大小的Flash， 512字節(jié)的 RAM， 128字節(jié) EEPROM存儲(chǔ))。

另外為了滿足汽車廠商OEM對(duì)車內(nèi)環(huán)境照明節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的要求，研發(fā)人員對(duì)芯片內(nèi)部電路做了特殊設(shè)計(jì)，使得LIN總線上最多可連接25個(gè)從節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)大于LIN總線規(guī)定的16個(gè)從節(jié)點(diǎn)。

圖4 MLX81106參考PCB設(shè)計(jì)

結(jié)論

該文主要闡述了高度集成單芯片實(shí)現(xiàn)的環(huán)境照明系統(tǒng)解決方案。意味著RGB 氛圍燈模塊可通過(guò)車內(nèi)LIN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互連，同時(shí)該方案也不需要花費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間研發(fā)過(guò)程或是大量的人力資源。這樣的技術(shù)勢(shì)必會(huì)成為OEM汽車廠商的主要賣點(diǎn)。通過(guò)LIN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的環(huán)境氛圍燈功能，會(huì)使汽車廠商的車型更具個(gè)性化，進(jìn)而使得他們從競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中脫穎而出。因此未來(lái)該功能將不再局限于高端汽車，而將變得更加適用于OEM汽車廠商的大批量暢銷車型中。