分布式車身控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

   摘要：分布式車身控制系統(tǒng)是針對(duì)國產(chǎn)重型車電子化自控操作和故障診斷顯示的需求而設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)和LIN(Local Interconnect Network)總線通訊方式，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了電纜數(shù)量。該系統(tǒng)同時(shí)采用智能功率芯片來驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載，從而增加了系統(tǒng)的可靠性，降低了售后服務(wù)的成本。

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

１ 引言

隨著汽車電子的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代汽車中電控單元的數(shù)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(jī)控制和變速控制）、底盤控制（如汽車防抱死系統(tǒng)ＡＢＳ）和車身控制三類。其中車身控制系統(tǒng)主要用來提高駕駛的方便性和乘坐的舒適性，該系統(tǒng)涵蓋的范圍較廣，包括燈光控制、車門控制、座位控制、氣候（空調(diào)）控制、儀表盤顯示等。本文將介紹一種分布式車身控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)可對(duì)汽車燈光、雨刷及底盤部分電磁閥等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式控制。

該控制系統(tǒng)的主要功能如下：

●控制汽車上所有車燈。

●控制雨刷低速、高速、間歇式工作。

●控制與取力器、全輪驅(qū)動(dòng)、輪間和軸間差速器相連的電磁閥工作。

●實(shí)時(shí)響應(yīng)駕駛室控制開關(guān)的動(dòng)作：按照ＳＡＥ（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)性響應(yīng)時(shí)間在１０ｍｓ～１００ｍｓ之間。

●燈光自檢功能：汽車上電后所有的燈點(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：智能功率開關(guān)具有過流、過溫、過壓保護(hù)和開路檢測功能，ＭＣＵ通過檢測智能功率開關(guān)各通路的Ｓｔａｔｅ引腳狀態(tài)可判斷出哪路負(fù)載出現(xiàn)故障。

２ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)。因?yàn)檐嚿砜刂葡到y(tǒng)的控制對(duì)象比較多而且位置分散，若采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)集中控制方式，控制模塊與被控對(duì)象之間就需要大量連接電纜，這勢(shì)必造成車內(nèi)布線復(fù)雜、制造和安裝困難，并存在故障隱患。而分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)控制對(duì)象的位置來設(shè)計(jì)控制模塊，從而縮短了控制對(duì)象和控制模塊的距離。各模塊間通過ＬＩＮ總線來通訊，該方式僅需一根線作為通訊線，這樣加上地線和電源線總共三根線，從而簡化了布線和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?增加了系統(tǒng)的靈活性，并可方便地增減節(jié)點(diǎn)。此外，分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還可降低單板的靜態(tài)電流，增加單板的穩(wěn)定性。圖１所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該控制系統(tǒng)被分成主控模塊和三個(gè)子模塊（前模塊、底盤模塊和后模塊）。其中主控模塊位于車的駕駛室內(nèi)，主要檢測駕駛室內(nèi)控制開關(guān)的狀態(tài)，并根據(jù)這些控制開關(guān)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)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(shè)備的工作狀態(tài)，若有故障則報(bào)警顯示。前模塊位于車的前部，主要控制車前部的用電設(shè)備，包括車前部的燈（遠(yuǎn)光燈、近光燈、霧燈、左右前轉(zhuǎn)向燈）、雨刷、風(fēng)扇、加熱、緊急報(bào)警、喇叭的工作等。底盤模塊位于車的底盤，主要控制與取力器、全輪驅(qū)動(dòng)、輪間和軸間差速器相連的電磁閥的工作。后模塊位于車的后部，主要控制車后部的用電設(shè)備，包括尾燈、剎車燈、左右后轉(zhuǎn)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(diào)整單元可將汽車內(nèi)的２４Ｖ電壓轉(zhuǎn)換成５Ｖ電壓，供給單片機(jī)、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來實(shí)現(xiàn)，主要用于采集輸入的開關(guān)狀態(tài)，以完成相應(yīng)的控制策略，同時(shí)將控制命令通過串口送給各子模塊，并根據(jù)各子模塊反饋的負(fù)載狀態(tài)判斷是否存在故障，若有故障則報(bào)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(fù)載驅(qū)動(dòng)，并采集負(fù)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。

開關(guān)狀態(tài)檢測單元的任務(wù)是在２４Ｖ的開關(guān)狀態(tài)電壓轉(zhuǎn)換成５Ｖ后，將此并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送給ＭＣＵ，這樣可大大減少所需ＭＣＵ的引腳數(shù)量。

功率驅(qū)動(dòng)單元由功率芯片和串／并轉(zhuǎn)換芯片組成，功率芯片代替了傳統(tǒng)的繼電器后，許多汽車負(fù)載不能被ＭＣＵ或低電流接口器件直接驅(qū)動(dòng)，但功率芯片可通過ＭＣＵ控制輸出大電流來驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載。各子模塊可根據(jù)所帶負(fù)載來選擇不同的功率芯片?本設(shè)計(jì)選用ＭＣ３３２８６和ＭＣ３３８８８來驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載，選用ＭＣ３３２８９來驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載。ＭＣＵ通過Ｉ／Ｏ端口串行輸出控制命令后，將通過串／并芯片送給功率開關(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(xiàn)故障，相應(yīng)的發(fā)光二極管會(huì)點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器會(huì)報(bào)警。此時(shí)該子模塊上用發(fā)光二極管來表示子模塊所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載狀態(tài)顯示也會(huì)作出響應(yīng)，從而可以非常直觀地看出子模塊上哪路負(fù)載出現(xiàn)開路、過流、過溫、過壓等故障。

３ 系統(tǒng)通訊

本系統(tǒng)采用ＬＩＮ總線通訊方式。ＬＩＮ總線是基于通用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總線主要應(yīng)用于不需要ＣＡＮ的性能、帶寬及復(fù)雜性的低速系統(tǒng)，如開關(guān)類負(fù)載或位置型系統(tǒng)（包括車的后視鏡、車鎖、車座椅、車窗等）的控制。因此，ＬＩＮ更有助于實(shí)現(xiàn)汽車與ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)連接的分布式控制系統(tǒng)。

ＬＩＮ總線的特點(diǎn)如下：

●采用低成本的單線１２Ｖ?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，線驅(qū)動(dòng)和接收特性符合改進(jìn)的ＩＳＯ ９１４１單線標(biāo)準(zhǔn)；

    ●傳輸速率可達(dá)２０ｋｂｉｔ／ｓ ；

●采用單主／多從的結(jié)構(gòu)，不需要總線仲裁，由主節(jié)點(diǎn)來控制總線的訪問；

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

●最差狀況下的信號(hào)傳送等待時(shí)間可得到充分保證，因此可避免總線訪問沖突。

本系統(tǒng)的通訊順序由主控模塊控制，ＬＩＮ的數(shù)據(jù)幀是按數(shù)據(jù)內(nèi)容，而不是數(shù)據(jù)的目的地址定義的。這樣定義可使多個(gè)節(jié)點(diǎn)收到同樣的信息，并且數(shù)據(jù)能夠以多種方式交換。數(shù)據(jù)可以從主節(jié)點(diǎn)發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，也可以通過從節(jié)點(diǎn)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)或其它從節(jié)點(diǎn)。因此從節(jié)點(diǎn)之間的通訊并不需要經(jīng)過主節(jié)點(diǎn)，并且主節(jié)點(diǎn)可以將信息廣播給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。本系統(tǒng)定義了四種數(shù)據(jù)類型，一種是三個(gè)模塊各自接收的數(shù)據(jù)，第二種是前模塊和后模塊同時(shí)接收的數(shù)據(jù)，第三種是三個(gè)模塊同時(shí)接收的數(shù)據(jù)，第四種是三個(gè)模塊各自獨(dú)立發(fā)送的數(shù)據(jù)。其通訊過程可參見圖５所示的系統(tǒng)軟件流程。

４ 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

由于汽車上的電磁干擾比較厲害?因此對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高，本系統(tǒng)在硬件和軟件上均進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)。在硬件上，通訊線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(shè)計(jì)了一個(gè)去耦電容，可用來過濾掉來自電源的高頻噪聲。在印刷線路板的布局上，將數(shù)字電路和功率驅(qū)動(dòng)電路合理分開，這可使相互間的信號(hào)耦合減少到最小。在軟件上采用了看門狗技術(shù)，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。

５ 結(jié)論

本設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)分布式車身控制系統(tǒng)的基本功能，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低。此外，該設(shè)計(jì)思想同樣也適用于轎車和中型車輛控制。