基于LIN總線的車燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為汽車發(fā)展帶來了巨大的變化，但隨著汽車電子裝置的增多導(dǎo)致車身布線的增加和復(fù)雜化。傳統(tǒng)的集中式車身控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)很難滿足大量的數(shù)據(jù)信息在不同電子單元中的共享和實(shí)時(shí)交換．從而使系統(tǒng)運(yùn)行可靠性降低、故障維修難度增大。因此，提高汽車車身電子控制系統(tǒng)的人性化和智能化程度，達(dá)到減少線束、降低成本、實(shí)現(xiàn)信息共享的目的，以提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性勢(shì)在必行。

1 LIN總線技術(shù)
    LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊協(xié)議，以廣泛應(yīng)用的SCI(UART)為基礎(chǔ)定義，硬件實(shí)現(xiàn)成本低廉。它基于主從結(jié)構(gòu)，單主節(jié)點(diǎn)多從節(jié)點(diǎn)，無須仲裁機(jī)制，使用單線通信，減少了大量線束的重量和費(fèi)用，其應(yīng)用目標(biāo)是帶寬性能要求不高的低速系統(tǒng)，通信速率為1～20 Kb／s，目前主要被用于替代CAN總線在汽車網(wǎng)絡(luò)化電子控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求不高的底端電子控制裝置間的通訊。
    LIN總線報(bào)文傳輸是由報(bào)文幀的格式形成和控制。報(bào)文幀由主機(jī)任務(wù)向從機(jī)任務(wù)傳送同步和標(biāo)識(shí)符信息，并將一個(gè)從機(jī)任務(wù)的信息傳送給其他從機(jī)任務(wù)。主機(jī)任務(wù)位于主機(jī)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，它負(fù)責(zé)報(bào)文的進(jìn)度表、發(fā)送報(bào)文頭(HEADER)。從機(jī)任務(wù)位于所有的節(jié)點(diǎn)中(即主機(jī)和從機(jī))，其中一個(gè)發(fā)送報(bào)文的響應(yīng)(RESPONSE)。
    一個(gè)報(bào)文幀(見圖1)是由一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文頭和一個(gè)主機(jī)或從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的響應(yīng)組成。

    報(bào)文幀的報(bào)文頭包括一個(gè)同步間隔場(chǎng)(SYNCHBREAK FIELD)、一個(gè)同步場(chǎng)(SYNCH FIELD)和一個(gè)標(biāo)識(shí)符場(chǎng)(IDENTITY FIELD)。報(bào)文幀的響應(yīng)(RESPONSE)則由3～9個(gè)字節(jié)場(chǎng)組成：2，4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場(chǎng)(DATA FIELD)和1個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)和場(chǎng)(CHECKSUM FIELD)。字節(jié)場(chǎng)由字節(jié)間空間分隔，報(bào)文幀的報(bào)文頭和響應(yīng)是由一個(gè)幀內(nèi)響應(yīng)空間分隔。最小的字節(jié)間空間和幀內(nèi)響應(yīng)空間是0。

2 車燈系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 車燈系統(tǒng)方案介紹
    整個(gè)車燈系統(tǒng)共包括五個(gè)模塊(見圖2)：一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)掃描來自操作面板開關(guān)信息(如近光燈，霧燈，轉(zhuǎn)向燈)和來自CAN網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)信息(如剎車燈)。并通過LIN總線將其發(fā)送給四個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)；四個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)包括車頭和車尾各兩個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收來自LIN總線的開關(guān)信息，控制車燈負(fù)載動(dòng)作，并采集由驅(qū)動(dòng)芯片反饋的車燈故障信息，通過LIN總線反饋給主機(jī)，由主機(jī)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)故障信息的處理和顯示。

2．2 硬件選擇及說明
    主機(jī)和從機(jī)MCU分別選用FREESCALE的MC9S08DZ60和MC9S08SG04芯片。DZ60芯片內(nèi)部集成一個(gè)CAN控制器和兩個(gè)SCI模塊，可以作為車燈控制模塊和其他車身網(wǎng)絡(luò)連接的CAN／LIN網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)整車網(wǎng)絡(luò)通訊的統(tǒng)一。SG04是FREESCALE公司開發(fā)的專門用于車身底端網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)的汽車級(jí)低成本芯片，內(nèi)部集成一個(gè)SCI模塊、兩個(gè)PWM模塊和多個(gè)A／D轉(zhuǎn)換模塊，可直接作為L(zhǎng)IN網(wǎng)絡(luò)的從機(jī)節(jié)點(diǎn)并能方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)車燈負(fù)載的控制及對(duì)模擬負(fù)載故障信息的采集。
    LIN收發(fā)器選用InfineonTLE6258系列收發(fā)器。TLE6258是單線收發(fā)器，適用于LIN協(xié)議，發(fā)送速率可達(dá)20 Kb／s，功耗低，具有短路保護(hù)和過溫保護(hù)功能，適用于汽車和工業(yè)應(yīng)用。為了減小電流損耗，TLE6258提供了一種空閑模式，在空閑模式下，TLE6258退出總線活動(dòng)，電流降到最低，從而達(dá)到減小功率損耗的目的。在正常工作模式下，通過對(duì)ENN引腳置1進(jìn)入空閑模式；在空閑模式下，通過在總線上發(fā)送喚醒幀，可把主機(jī)或從機(jī)從空閑模式喚醒，返回到正常工作模式。進(jìn)入正常模式后，ENN引腳復(fù)位為0，釋放RxD引腳到傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)。
    功率驅(qū)動(dòng)芯片選用Infineon的BTS系列驅(qū)動(dòng)芯片：BTS6143D用于驅(qū)動(dòng)大燈，如近光燈、霧燈，BTS724G用于驅(qū)動(dòng)小燈，如轉(zhuǎn)向燈、位燈。BTS6143D是N溝道FET功率管，內(nèi)部集成充電泵，電流驅(qū)動(dòng)，并且具有負(fù)載電流檢測(cè)的故障反饋功能，包括過載、過溫和短路檢測(cè)，BTS6143D為單通道輸入輸出，可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的模擬量診斷反饋；BTS724G是電源MOSFET高位開關(guān)，帶四通道輸入輸出，且每一對(duì)輸入輸出相互獨(dú)立，可輸出數(shù)字量診斷反饋信號(hào)。如圖3，圖4以近光燈、轉(zhuǎn)向燈和位燈為例分別顯示了大燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和小燈的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

3 車燈系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊設(shè)計(jì)：主機(jī)對(duì)來自操作面板和CAN總線的開關(guān)信息掃描模塊；主機(jī)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)之間信息的通訊模塊；各從機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)車燈負(fù)載的動(dòng)作控制及故障信息采集模塊。其中后兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分的核心。
3．1 LIN通訊模塊設(shè)計(jì)
    LIN通訊網(wǎng)絡(luò)包含五個(gè)節(jié)點(diǎn)：一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)和四個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)，其中主機(jī)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向四個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制車燈亮滅的開關(guān)信息，并定時(shí)詢問各個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)，接收各從機(jī)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的故障信息；四個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)分別控制汽車右前方、右后方、左前方、左后方四個(gè)方位的車燈負(fù)載動(dòng)作，并同步采集各個(gè)車燈的故障信息，等待主機(jī)節(jié)點(diǎn)詢問時(shí)將其發(fā)送給主機(jī)。定義五個(gè)標(biāo)識(shí)符ID_0～I(xiàn)D_4，分別表示主機(jī)節(jié)點(diǎn)和四個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)的專屬地址，用于控制報(bào)文準(zhǔn)確地傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)，當(dāng)主機(jī)向各個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)詢問故障信息時(shí)，只有專屬地址與當(dāng)前報(bào)文標(biāo)識(shí)符一致的子節(jié)點(diǎn)響應(yīng)報(bào)文，將故障信息發(fā)送給主機(jī)節(jié)點(diǎn)；定義標(biāo)識(shí)符ID_5表示所有子節(jié)點(diǎn)共屬地址，當(dāng)主機(jī)發(fā)送車燈開關(guān)信息時(shí)，保證所有子節(jié)點(diǎn)都響應(yīng)當(dāng)前報(bào)文，并根據(jù)開關(guān)信息控制車燈負(fù)載動(dòng)作。
    LIN網(wǎng)絡(luò)主機(jī)節(jié)點(diǎn)包含主機(jī)任務(wù)，負(fù)責(zé)對(duì)報(bào)文傳輸進(jìn)行調(diào)度。LIN通訊協(xié)議中沒有定義仲裁機(jī)制，因此任何從機(jī)任務(wù)想要發(fā)送報(bào)文必須通過主機(jī)任務(wù)的調(diào)度：主機(jī)任務(wù)發(fā)送報(bào)文頭，標(biāo)識(shí)符匹配的從機(jī)任務(wù)發(fā)送響應(yīng)幀。LIN網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含從機(jī)任務(wù)。主機(jī)節(jié)點(diǎn)中的從機(jī)任務(wù)負(fù)責(zé)將車燈的開關(guān)信息發(fā)送給各從機(jī)節(jié)點(diǎn)，接收來自從機(jī)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)幀；從機(jī)節(jié)點(diǎn)中的從機(jī)任務(wù)負(fù)責(zé)將從機(jī)檢測(cè)到的故障信息發(fā)送給主機(jī)節(jié)點(diǎn)，接收主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的開關(guān)信息。開關(guān)信息，和故障信息各占用一個(gè)字節(jié)從屬LIN報(bào)文幀的數(shù)據(jù)場(chǎng)，其定義格式如圖5，其中開關(guān)信息占用一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，包含所有的車燈開關(guān)信息，邏輯“O”表示相應(yīng)位中車燈開關(guān)閉合，邏輯“1”表示相應(yīng)位中車燈開關(guān)斷開；每個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)的車燈故障信息占用一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，圖5中顯示的是右前方車燈的故障信息，故障信息的編碼如圖中所示。

3．2 車燈負(fù)載智能驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)
    車燈負(fù)載故障最容易發(fā)生在開啟的一瞬間，為了減少大燈(近光燈)開啟時(shí)的瞬間電流過沖，延長(zhǎng)大燈的使用壽命，在開啟時(shí)采用PwM控制方式，開啟時(shí)逐步提高PWM占空比直到100％，使近光燈的電壓逐步上升到電源電壓，近光燈的控制開關(guān)采用BTS6143D芯片，其內(nèi)部集成的電流反饋功能，能根據(jù)實(shí)際通過車燈的電流輸出一個(gè)與之成正比的反饋電流，圖3中反饋引腳IS端的外圍電路設(shè)計(jì)是將電流輸出轉(zhuǎn)換為O～5V電壓輸出供從機(jī)MCU的A／D采樣。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)命令開通控制開關(guān)后，將啟動(dòng)A／D實(shí)時(shí)采集電壓反饋，如果采樣值低于設(shè)定值則認(rèn)定為車燈斷路故障，如果采樣值大于設(shè)定值則認(rèn)定為過載或短路故障，從機(jī)MCU將迅速關(guān)閉開關(guān)以保護(hù)該器件，并生成相應(yīng)的故障信息待主機(jī)詢問時(shí)將其反饋給主機(jī)節(jié)點(diǎn)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)解碼故障信息并通過發(fā)光二極管顯示出來。近光燈的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

3．3 抗干擾冗余軟件設(shè)計(jì)
    汽車運(yùn)行時(shí)的工況極其惡劣，發(fā)電機(jī)的供電電壓在較大范圍內(nèi)波動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間高頻電磁干擾等對(duì)車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言都是很大的干擾；汽車使用過程中，由于線路絕緣磨損或者接插件不可靠等因素，可能出現(xiàn)LIN子節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中斷開或者短路等情況。據(jù)此，將總線故障劃分為瞬間干擾故障和永久性故障，并進(jìn)行了相應(yīng)的可靠性冗余設(shè)計(jì)：在硬件上采用汽車級(jí)的高性能芯片，在軟件通訊設(shè)計(jì)上對(duì)子節(jié)點(diǎn)的命令及狀態(tài)信息采取反饋機(jī)制：主機(jī)將開關(guān)信息發(fā)送給各從機(jī)節(jié)點(diǎn)后，啟動(dòng)500 ms定時(shí)器，計(jì)時(shí)時(shí)間到后主機(jī)依次詢問各子節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)求其反饋各自的狀態(tài)信息。在這種機(jī)制下，一旦子節(jié)點(diǎn)在通訊中出現(xiàn)：沒有反饋命令和狀態(tài)；數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)和錯(cuò)誤；子節(jié)點(diǎn)接收到的命令與主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令不一致等情況，主節(jié)點(diǎn)馬上重新發(fā)送命令，確保各個(gè)子節(jié)點(diǎn)信息接收的正確性。如果某一個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間沒有反饋信息，則可認(rèn)定此節(jié)點(diǎn)已從網(wǎng)絡(luò)中丟失，主機(jī)節(jié)點(diǎn)生成相應(yīng)故障信息，并通過發(fā)光二極管顯示出來；如果LIN總線與地短接，LIN總線一直成顯性狀態(tài)(低電平狀態(tài))，則主機(jī)不能接收到任何從機(jī)節(jié)點(diǎn)的反饋信息，主機(jī)將關(guān)閉LIN收發(fā)器，保護(hù)此器件，并將故障顯示給駕駛員。

4 結(jié) 語
    提出一個(gè)基于LIN總線的車燈控制系統(tǒng)方案，實(shí)驗(yàn)證明總線化的控制系統(tǒng)方案較傳統(tǒng)的集中式控制方案具有布線簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)清晰，不同控制模塊間的獨(dú)立性強(qiáng)，便于以后的系統(tǒng)檢修及系統(tǒng)的升級(jí)擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的可行性。