分布式汽車車身控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著汽車電子的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代汽車中電控單元逐漸增多，這些電控單元大致可分成三類：動力傳動裝置控制(如發(fā)動機(jī)控制和變速控制)，底盤部分控制(如汽車防抱死系統(tǒng)ABS)和車身控制。其中車身控制系統(tǒng)主要是為了提高駕駛的方便性和乘坐的舒適性。車身控制系統(tǒng)涵蓋范圍廣，包括燈光控制系統(tǒng)，車門控制系統(tǒng)，座位控制系統(tǒng)，氣候(空調(diào))控制系統(tǒng)，儀表盤顯示等。本文選取燈光、雨刷及底盤部分電磁閥這些控制節(jié)點(diǎn)來說明車身控制系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)分布式控制方案。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

　　* 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、輪間和軸間差速器相連的電磁閥的工作。

　　* 實(shí)時(shí)響應(yīng)駕駛室控制開關(guān)的動作。

　　* 燈光自檢功能。

　　* 故障診斷定位能力。

　　該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，因?yàn)檐嚿砜刂葡到y(tǒng)的控制對象比較多而且位置分散，若采用點(diǎn)對點(diǎn)集中控制方式，控制模塊與被控對象之間需大量電纜連接，這勢必造成車內(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)控制對象的位置來設(shè)計(jì)控制模塊，從而縮短了控制對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，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰。同時(shí)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的靈活性，可方便地增減節(jié)點(diǎn)。此外分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還降低了單板的靜態(tài)電流，增加了單板的穩(wěn)定性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖1。

　　圖 1 分布式車身控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　根據(jù)系統(tǒng)功能要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)被分成四個(gè)模塊：主控模塊和三個(gè)子模塊(前模塊、底盤模塊和后模塊)。

　　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)送給向各子模塊，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器，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。底盤模塊位于車的底盤，主要控制與取力器、全輪驅(qū)動、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器，包括車后部的燈：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框圖示于圖2和圖3。

　　圖2 主模塊的硬件框圖

　　圖3 子模塊的硬件框圖

　　電壓調(diào)整單元將汽車內(nèi)24V電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓供給單片機(jī)、功率芯片等。

　　微處理器控制單元(MCU)采用Motorola的MC68HC908GZ16和MC68HC908GR8，主控模塊的微處理器控制單元采集輸入的開關(guān)狀態(tài)，完成相應(yīng)的控制，將控制命令通過串口送給各子模塊，同時(shí)根據(jù)各子模塊反饋的負(fù)載的狀態(tài)判斷是否存在故障，若有故障則報(bào)警顯示。各子模塊的微處理器控制單元完成對負(fù)載的驅(qū)動，并采集負(fù)載的工作狀態(tài)發(fā)送給主控模塊。

　　開關(guān)狀態(tài)檢測單元將開關(guān)狀態(tài)的24V電壓轉(zhuǎn)換成5V后，將此并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成串行數(shù)據(jù)給MCU，這樣可大大減少了所需的MCU引腳數(shù)量。

　　功率驅(qū)動單元由功率芯片和串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)的芯片組成，功率芯片代替了傳統(tǒng)的繼電器，許多汽車負(fù)載不能被MCU或低電流接口器件直接驅(qū)動，而功率芯片可通過MCU控制輸出大電流來驅(qū)動各種負(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,驅(qū)動阻性負(fù)載選用了MC33286和MC33888，驅(qū)動感性負(fù)載選用了MC33289。MCU通過I/O端口將控制命令串行輸出，通過串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成并行數(shù)據(jù)的芯片送給功率開關(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，若子模塊出現(xiàn)故障，相對應(yīng)的發(fā)光二極管會點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器會報(bào)警。同時(shí)子模塊上也用發(fā)光二極管來表示子模塊所驅(qū)動的負(fù)載的狀態(tài)，這樣可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、過壓等的故障。

　　本系統(tǒng)采用LIN總線的通訊方式。LIN總線基于通用的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)用在不需要CAN的性能、帶寬及復(fù)雜性的低速系統(tǒng)，如

　　nbsp; 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、車窗等的控制系統(tǒng)。LIN更有助于實(shí)現(xiàn)汽車中與CAN網(wǎng)絡(luò)連接的分布式控制系統(tǒng)。LIN以其低成本的優(yōu)勢成為車身控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的首選。

　　系統(tǒng)的通訊由主控模塊控制通訊順序，LIN的數(shù)據(jù)幀是按數(shù)據(jù)內(nèi)容定義的，而不是數(shù)據(jù)的目的地址。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)或其他從節(jié)點(diǎn)。因此從節(jié)點(diǎn)之間通訊并不需要經(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)。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通訊主要是主模塊向三個(gè)模塊發(fā)送控制命令和三個(gè)子模塊向主模塊反饋的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)定義了幾種數(shù)據(jù)類型，一種是三個(gè)模塊各自接收的數(shù)據(jù)，另一種是前模塊和后模塊同時(shí)接收的數(shù)據(jù)，第三種是三模塊同時(shí)接收的數(shù)據(jù)，第四種是三模塊各自獨(dú)立發(fā)送的數(shù)據(jù)。通訊過程見系統(tǒng)軟件流程。

　　汽車上電磁干擾較厲害,對系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高，系統(tǒng)在硬件和軟件上進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)。在硬件上，通訊線路上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，它可以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)動電路合理分開，使相互間的信號耦合減少到最小。在軟件上，系統(tǒng)采用了看門狗技術(shù)，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)軟件流程圖示于圖4。