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[導讀]在現(xiàn)代行車安全系統(tǒng)中,車燈控制系統(tǒng)有著重要的作用。據(jù)資料記載,交通事故大部分發(fā)生在夜間或惡劣天氣下,而在這些交通事故當中,大部分是由于車燈控制系統(tǒng)不能及時滿足安全需求所造成的,例如傳統(tǒng)車燈亮度單一,視

在現(xiàn)代行車安全系統(tǒng)中,車燈控制系統(tǒng)有著重要的作用。據(jù)資料記載,交通事故大部分發(fā)生在夜間或惡劣天氣下,而在這些交通事故當中,大部分是由于車燈控制系統(tǒng)不能及時滿足安全需求所造成的,例如傳統(tǒng)車燈亮度單一,視距較短,不能隨外界環(huán)境的變化自動調(diào)節(jié)亮度和模式,有時會造成能源浪費,有時又不能滿足照明需求等。因此,設計更實用、更智能的車燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當務之急。

  本文研制的車燈控制系統(tǒng),采用發(fā)光亮度高、反應速度快、耐惡劣環(huán)境、工作性能可靠的LED燈,提高燈光亮度和視角范圍,減小安全車距,有效地改善了行車安全性能。本系統(tǒng)應用了傳感器技術、微處理器技術、電子電路技術和CAN總線技術,對環(huán)境亮度和行車狀況實現(xiàn)精確感測和判斷,并根據(jù)行車需要自動選擇合適的照明模式,從而實現(xiàn)了車燈的自適應控制。該控制器能有效地輔助駕駛員行車,減輕駕駛員的操作負擔,最大限度的避免了人為因素導致的違章使用燈光,從而達到了減少交通事故的目的。

  1 車燈控制系統(tǒng)

  1.1 系統(tǒng)工作原理

  該系統(tǒng)通過外置的傳感器感測環(huán)境亮度強弱和控制板溫度,將其轉化為光敏和熱敏電阻的分壓信號及LED驅動分壓信號,并由單片機AD模塊進行采集。

  單片機根據(jù)事先劃分好的等級對AD轉換后的數(shù)字信息進行分析歸類,判斷出汽車當前所處的行車環(huán)境(白天、雨霧天氣、戶外傍晚或深夜、會車、隧道等),再與內(nèi)置的特征參數(shù)進行對比和開關掃描后自動選擇燈光亮度和行車模式。根據(jù)選定的參數(shù),由XC164CM輸出相應的PWM信號來調(diào)節(jié)車燈的亮度。

  車燈當前所處的狀態(tài)可以通過CAN總線接口發(fā)送到上位機,上位機也可以發(fā)送調(diào)整信息改變車燈的狀態(tài),從而實現(xiàn)了人機交互功能。系統(tǒng)結構如圖1所示。

  

  1.2 系統(tǒng)功能設計

  文中設計的LED車燈控制系統(tǒng)主要完成了以下幾個功能。

  1.2.1 亮度自適應調(diào)節(jié)

  將外界的環(huán)境亮度分為3個等級:明亮(晴天戶外等),昏暗(戶外陰雨,戶外傍晚,隧道,停車場等室內(nèi)場所),漆黑(戶外深夜或其他類似場合)。系統(tǒng)可以根據(jù)當前環(huán)境的亮度等級自動調(diào)整車燈的亮度,以滿足不同情況下的照明需求。車燈亮度分為4級、6級、8級亮度,其中4級最暗,8級最亮,6級居中。車燈亮度的調(diào)節(jié)策略如下:

  1)當環(huán)境亮度增強時,信號燈的亮度增強;環(huán)境亮度減弱時,照明燈的亮度增強。

  2)由于將車燈亮度瞬間降低具有一定的危險性,所以在降低車燈亮度時,需做兩次判斷:在環(huán)境亮度增強時,照明燈的亮度并不立即減弱,而是繼續(xù)等待一個周期,若環(huán)境亮度保持在較低的值沒有變化,再將照明燈調(diào)暗;在環(huán)境亮度減弱時,對信號燈采取同樣的操作。

  1.2.2 狀態(tài)監(jiān)控及過溫保護

  實時監(jiān)控驅動器輸出到LED燈的電壓并將結果通過上位機顯示。LED燈定義為3種狀態(tài):故障態(tài)、關閉態(tài)、工作態(tài),這3種工作狀態(tài)由LED燈當前工作電壓和開關狀態(tài)區(qū)分。過溫保護是通過實時監(jiān)控驅動器工作溫度實現(xiàn),當驅動器環(huán)境溫度值超過80度時,產(chǎn)生過溫提示信號,以提示選取溫控模式(驅動輸出降額允許)。

  1.2.3 人機交互

  控制系統(tǒng)通過XC164CM單片機自帶的CAN總線接口與上位機CAN接收器連接,實現(xiàn)與上位機信息的交互。上位機不僅可以查詢和獲取車燈的工作狀態(tài)數(shù)字量(故障態(tài)、關閉態(tài)或亮度級),還可以發(fā)送控制命令調(diào)整車燈的亮度以及是否進入智能照明模式,從而實現(xiàn)人機交互。

  2 硬件設計

  硬件主要由單片機控制模塊,傳感器模塊,CAN總線模塊和LED驅動模塊四部分組成。

  2.1 XC164CM單片機簡介

  XC164CM單片機是Infineon公司推出的采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的增強型16位單片機,其主要特點有:1)采用C166SV2內(nèi)核;2)內(nèi)部集成大容量的存儲器;3)帶自校檢的14路A/D轉換器;4)兩個比較,捕獲單元,可方便地產(chǎn)生PWM波;5)Twin CAN模塊,可通過網(wǎng)關交換數(shù)據(jù)。

  2.2 傳感器裝置

  環(huán)境亮度的采集由3組位于不同位置(前部、側身、頂部)的亮度傳感器完成。其中亮度傳感器為安裝在感光位置的光敏電阻GM5528(亮電阻10~20 kΩ,暗電阻1 MΩ,響應時間20~30 ms),GM5528通過分壓電路輸出的電壓值隨著環(huán)境亮度變化而改變;溫度監(jiān)控電路使用熱敏電阻MF58構成分壓電路,將溫度值的變化轉換為電壓值的變化;狀態(tài)監(jiān)控電路通過電阻分壓網(wǎng)絡分別采樣10路LED驅動器的輸出電壓,并以此判斷LED燈的工作狀態(tài)。

  2.3 CAN控制模塊

  XC164CM單片機集成了TwinCAN模塊,實現(xiàn)CAN總線通信功能。其主要特性為:1)包括兩個全CAN功能節(jié)點,每一個CAN節(jié)點通過一對接收和發(fā)送引腳連接到總線收發(fā)器,可獨立工作或者通過網(wǎng)關功能交換數(shù)據(jù)幀和遠程幀。2)CAN幀的發(fā)送和接收遵循CAN V2.0B(acTIve)規(guī)范,且每個CAN節(jié)點都能接收和發(fā)送帶11個標識符的標準幀和帶29位標識符的擴展幀。3)具有靈活和功能強大的報文傳送控制和錯誤處理能力,CAN總線通信處理更加精確和方便。4)2個CAN節(jié)點的位定時源于外設時鐘,可以通過編程使數(shù)據(jù)速率達到1 Mbps。5)具有8個單獨的可編程中斷節(jié)點和適用于發(fā)送和接收的FIFO。

  系統(tǒng)通過XC164CM單片機CAN總線接口與采用SJA1000控制器和82C250收發(fā)器的單片機開發(fā)板連接測試CAN通信模塊,實現(xiàn)人機交互功能。電路圖如圖2所示。

  

  2.4 LED驅動器

  驅動模塊參照西工大LED驅動電源標準,信號燈選用了3~15 W功率范圍的LM3406型驅動器,照明燈選用了20~45 W功率范圍的LM3409型驅動器。

  LM3406型驅動器是具備寬輸入電壓范圍,低參考電壓和雙導線調(diào)光功能的降壓穩(wěn)壓器,可提供高達1.5 A的正向電流,是LED的理想恒流供應源。這款芯片內(nèi)置有可確保電流平均輸出的積分電路。在轉換器采用連續(xù)導電模式((CCM)操作時,受控導通時間結構可以確保無論輸入及輸出電壓的變動如何,開關頻率都會恒定不變。因此LM3406的輸出電流極為準確,瞬態(tài)響應也極快,可以在不同的情況下確保開關頻率恒定不變。

  LM3409是一款降壓穩(wěn)流的P溝道MOSFET控制器,提供寬輸人電壓范圍,具有高邊電流檢測功能,采用增強散熱的eMSOP-10封裝。因此,LM3409是驅動LED的理想恒流源,輸出的正向電流可高達5 A。另外,LM3409采用恒定關斷時間(COT)控制功能調(diào)整電流,確保輸出電流大小恒定,而且無需通過外置元件提供環(huán)路補償,可以輕易實現(xiàn)模擬及 PWM調(diào)光功能,可充分發(fā)揮亮度變化高度線性以及高對比度的優(yōu)點,并提供可編程欠壓鎖定、低功耗關斷及熱關斷等功能。

  信號燈和照明燈驅動器結構分別采用NI公司的LM3406和LM3409作為主控芯片的BUCK電路,芯片工作的溫度范圍為-40+125℃。其電路原理如圖3所示。

  

  3 軟件設計

  程序主要采用中斷控制方式,系統(tǒng)流程主要包括主函數(shù),定時器中斷子程序,CAN接收中斷子程序3部分。具體系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

  

  3.1 主函數(shù)部分

  1)初始化部分:設置各端口的輸入輸出狀態(tài),對各個模塊進行初始化并開啟定時器。

  2)開關掃描:選用6路開關控制10路燈的開啟和關閉。當開關閉合時輸出低電平,此時對應LED燈的開啟狀態(tài);開關斷開時輸出高電平,對應LED燈的關閉狀態(tài)。

  3)狀態(tài)數(shù)字量生成:狀態(tài)數(shù)字量為16位數(shù)據(jù),狀態(tài)位(高八位)表示驅動器狀態(tài),標志位(低八位)表示驅動器編號。車燈的初始亮度設為6級。

  4)使能全局中斷,等待定時器中斷信號和CAN總線通信中斷信號,并在接收到中斷信號后進入相應的中斷服務程序。

  3.2 定時器中斷子程序

  定時器每20 ms產(chǎn)生一次定時中斷信號,進入定時器中斷服務程序。在定時器中斷服務程序中實現(xiàn)的操作有:

  1)開啟AD轉換,等待AD轉換完成,并將對AD采樣結果做歸一化處理。

  2)環(huán)境亮度檢測:為避免亮度信息的誤判斷,只有當位于車身前向、側面和頂部3個方向的光敏電阻器同時檢測到亮度值變化時(且同時超過判斷門限),才認為檢測結果有效,判斷所處環(huán)境亮度等級,并將結果送至車燈亮度調(diào)整程序。若3個光敏電阻未同時檢測到亮度值變化,則認為只是外界干擾造成的亮度差異,而行車環(huán)境的亮度未發(fā)生變化。

  3)在檢測環(huán)境亮度的同時,對10路LED燈的開關量也進行檢測和更新。

  4)車燈亮度調(diào)整:將檢測到的外界環(huán)境亮度和前一次檢測到的環(huán)境亮度進行比較,并根據(jù)比較結果對亮度進行相應調(diào)整。具體調(diào)整策略在2.2節(jié)中。

  5)過溫保護:對采樣的溫度結果進行比較判斷,若溫度超過80度,首先產(chǎn)生一個過溫提示信息,提示控制系統(tǒng)進入降額應用,將降額標志位置1,驅動器功率減半,隨后將降額標志位歸零。

  6)狀態(tài)數(shù)字量更新:首先,對AD采樣結果做歸一化處理,將驅動器電壓信號的轉化結果與測定的工作電壓范同比較,超出范圍的認定為故障態(tài),生成狀態(tài)位 101,否則使用亮度級寄存器的值作為狀態(tài)位。其次,將得到的狀態(tài)位與開關寄存器值相與(開關寄存器取值表:開啟為1,關閉為0)得到最終狀態(tài)位。最后,狀態(tài)位與驅動器標志位形成狀態(tài)數(shù)字量,并將其放入CAN發(fā)送緩沖區(qū)。

  3.3 CAN接收中斷子程序

  1)CAN總線接口正確接收信息后,置位中斷標志位,進入接收中斷服務程序。

  2)判斷中斷是否為遠程幀中斷,是則將狀態(tài)量信息寫CAN模塊發(fā)送緩存區(qū),并啟動自動發(fā)送;否則進一步判斷是否為數(shù)據(jù)幀接收中斷。如果是數(shù)據(jù)幀接收中斷,則讀CAN接收緩存區(qū)的值并將其寫入CAN調(diào)整量。最后清除相應的標志位,返回到主函數(shù)。流程圖如圖5所示。

  

  4 結論

  文中設計了基于XC164CM單片機的高端車用燈光控制模塊,該模塊不僅完成了對每個車燈的亮度控制,而且可實現(xiàn)對每個車燈的狀態(tài)檢測。汽車燈光控制模塊的工作過程是一個不斷循環(huán)的檢測過程,通過對比前后兩次的檢測結果對亮度信息不斷更新,再根據(jù)更新的亮度信息來調(diào)節(jié)車燈亮度,從而實現(xiàn)了燈光的亮度自適應調(diào)整。在實驗過程中,選用LED5050白燈作為車燈實驗燈,并配以車燈罩,制成車燈模擬演示板。在車燈負載和單片機接口之間由自主研發(fā)的實驗電路連接,并在實驗電路上設置6路開關,實現(xiàn)對10路車燈的接通、斷開控制。實驗結果證明,本系統(tǒng)性能穩(wěn)定,實現(xiàn)了設計的所有功能,并可以正確返回結果。

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