網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下的車身中央控制器設(shè)計

[摘  要] 本文介紹了基于CAN總線的智能車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計，提出了舒適車身總線系統(tǒng)功能框架，并給出了車身中央控制器的硬件設(shè)計和功能描述，中央控制器采用MC68HC908AZ60控制器作為核心單元，應(yīng)用智能觸點檢測模塊和集成電源模塊，節(jié)約系統(tǒng)資源，降低系統(tǒng)成本；通過光電隔離和優(yōu)化的EMC設(shè)計，有效的解決了系統(tǒng)抗干擾問題，經(jīng)過試驗證實系統(tǒng)工作可靠。

[關(guān)鍵詞] CAN  車身電子  控制器

 
1.前言

隨著對車輛舒適性要求的提高和更多輔助智能功能的出現(xiàn)，ECU單元、執(zhí)行器、傳感器大量增加，為了限制線束重量和保證各電控單元協(xié)調(diào)工作，進行車身網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計是必要的。

考慮到數(shù)據(jù)傳輸速率、協(xié)議機制、可靠性、容錯性和成本的要求，車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的類型依賴于它們的應(yīng)用領(lǐng)域，不同網(wǎng)絡(luò)類型的介紹和應(yīng)用見表1。

表一  主流車輛網(wǎng)絡(luò)類型及應(yīng)用

2. 系統(tǒng)的功能和框架

本文的車身總線系統(tǒng)功能主要包括電動車窗控制（帶有防夾功能）、中央集控鎖（帶有遙控功能）、防盜報警、電動后視鏡、雨刮器/洗滌泵控制及后視鏡除霜等，整個系統(tǒng)包括5個節(jié)點，采用低速CAN通信，波特率為100kbit/s，信息編碼采用SAEJ1939編碼規(guī)則。系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖１。

圖1 車身總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

其中中央控制器作為一個網(wǎng)關(guān)，采集各種開關(guān)和傳感器信號，通過CAN總線通信，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。

3.中央控制器的硬件設(shè)計

3.1 中央控制器的核心單元

核心單元采用freescale 的Mc68HC08AZ60,該芯片內(nèi)部帶有60K的 flash memory ,2K的RAM，1K的eeprom用于系統(tǒng)保存故障信息，并且有SPI模塊和外圍的智能芯片通訊， 8位的A/D模塊，CAN控制器和定時器單元。中央控制器的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 中央控制器的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 輸入量的調(diào)理和采集模塊

系統(tǒng)需要采集的輸入量包括脈沖量、開關(guān)量和模擬量。開關(guān)量包括組合燈光開關(guān)，前雨刷開關(guān)，洗滌泵開關(guān)，車內(nèi)燈開關(guān)和起動鑰匙等大量的開關(guān)信號，為了節(jié)約系統(tǒng)資源，采用了MC33993觸點監(jiān)測模塊來擴展系統(tǒng)的I/O口，MC33993具有22路輸入，其中8路可以配置成接地或者接電源，其余14路為接地開關(guān)監(jiān)測，通過SPI與微控制器通訊，并且可以通過開關(guān)電平跳變觸發(fā)中斷喚醒，因為是接地檢測，無需采用光電隔離，極大的節(jié)約了資源，增強了系統(tǒng)的EMC性能。如圖3所示。

圖3  MC33993接線圖

車內(nèi)溫度等模擬量傳感器由中央控制器供電，與外部信號經(jīng)電氣隔離，經(jīng)過低通濾波進入系統(tǒng)A/D模塊，因而可有效地防止外部干擾。

3.3 車速信號的采集

車速信號可以從儀表輸出得到，也可以采集車速傳感器器信號，安裝在變速器上的車速傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過隔離、電平轉(zhuǎn)換和整形后，進入TPU通道。TPU工作于輸入跳變計數(shù)(ITC)模式，通過2次跳變的時間差來檢測車速信號。需要注意的是車速傳感器可能是公用的，在設(shè)計過程中需要考慮從傳感器拉出電流的大小，如圖4所示。

圖4 車速傳感器的前端調(diào)理電路

3.4 通信接口模塊
 
為了實現(xiàn)整車有效控制和管理，各控制器之間需要信息共享，因此本系統(tǒng)的所有信息交換都采用CAN總線。低速CAN總線物理接口采用了系統(tǒng)集成電源模塊MC33889，其內(nèi)部集成了低速CAN驅(qū)動器，并且提供系統(tǒng)5V的電源，與微控制器之間采用SPI通訊可以配置模塊的功能。

3.5 功率驅(qū)動模塊和電源模塊 

功率驅(qū)動主要是車內(nèi)燈光和電機驅(qū)動，包括雨刷電機和洗滌泵電機。本設(shè)計采用的是基于VMOS管的智能驅(qū)動芯片MC33286和MC33486，MC33286具有2路輸出，每一路具有6 A輸出電流，并且具有短路、過溫和過壓等故障保護功能，故障信息可通過電流反饋標(biāo)志端由微控制器讀取。MC33486具有2路輸出，每一路具有10 A輸出電流。這有利于系統(tǒng)的故障檢測和提高系統(tǒng)的安全可靠性。 

系統(tǒng)為了降低成本，沒有采用DC-DC電源隔離，而是選者了系統(tǒng)集成電源模塊MC33889,內(nèi)部集成了CAN 驅(qū)動器，并且具有硬件看門狗功能，同時有2路的喚醒輸入和兩路5V輸出，可配置工作在4種模式（調(diào)式、正常、睡眠、停止）下，滿足系統(tǒng)的需求，降低功耗和增強系統(tǒng)的抗干擾性能。

4 系統(tǒng)的電磁兼容和可靠性設(shè)計 

因為中央控制器靠近點火系統(tǒng)，電磁干擾較大，在電源模塊上安裝了屏蔽殼，在電路中加入濾波和去耦電容。在電路設(shè)計、元器件布置和布線時，嚴(yán)格按照電磁兼容(EMC)的設(shè)計原則。電路板采用模塊化設(shè)計，模擬電路、數(shù)字電路和功率電路獨立布置，用地線將數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，盡可能把干擾源與敏感器件(如單片機、存儲器等)遠離。盡量選用集成度高和表面安裝的元器件，以減少元器件數(shù)目、減小元件之間的連線長度、電路板的面積與高度，使印刷電路板布局簡單，因而大大降低了故障率和受干擾的可能性。

由于MC68HC908AZ60支持高級編程語言，軟件可以方便地采用分層結(jié)構(gòu)和模塊化的設(shè)計思想，以及實時多任務(wù)的機制，因此可有效地提高系統(tǒng)的可靠性和實時性。除此之外，在細(xì)節(jié)上采取了以下措施：對模擬量采用畸值剔除和一階遞推濾波算法；對開關(guān)信號延時、防抖和多次校驗來防止誤操作；對控制量采用冗余技術(shù)確保操作的可靠性；對CAN上接受和發(fā)送的數(shù)據(jù)用閥值進行限制并判斷其有效性；采用Watch Dog和軟件陷阱來提高軟件運行失常時的自恢復(fù)能力。

5 總結(jié)

作為駕乘者舒適性的最集中體現(xiàn)，車身各部件控制的網(wǎng)絡(luò)化已成為必然的趨勢。本文開發(fā)的車身網(wǎng)絡(luò)通過了一些列試驗，結(jié)果證明了系統(tǒng)設(shè)計的正確性和可靠性。

參考文獻
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