基于CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)的車門控制系統(tǒng)

張昱，魯睿婷，唐厚君，陳偉

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

CAN總線最初是由德國Bosch公司提出的，是一種多主方式的串行通訊協(xié)議。隨著汽車上的控制裝置的增加，功能越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的點對點通信方式帶來汽車車身線束質(zhì)量劇增、線路繁冗復(fù)雜等問題，CAN總線作為一種技術(shù)先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，被廣泛應(yīng)用于車身控制系統(tǒng)中。LIN是專門為汽車開發(fā)的低成本串行通信網(wǎng)絡(luò)。通常采用LIN總線作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的擴充。在低速的車身控制條件下，與CAN總線相比，LIN總線控制方案成本較低，因為LIN硬件的實現(xiàn)是基于普通的串行通信接口，甚至在子節(jié)點中可以用普通的I/O口加上定時器進行模擬。另外，在LIN網(wǎng)絡(luò)中只需要為主節(jié)點設(shè)置較高精度的時鐘，從節(jié)點只需通過主節(jié)點發(fā)送的同步段就能獲得位速率信息，這樣一方面減少了高精度時鐘數(shù)量，降低了成本［1］;另一方面不需要仲裁，降低了軟硬件設(shè)計的復(fù)雜度。采用CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)，汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計可以更加靈活。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用CAN總線和LIN總線相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)，形成層次式和并列式混合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［2］。左前門、右前門、左后門、右后門四個車門節(jié)點組成并列式的CAN通訊網(wǎng)絡(luò)，CAN總線可靠性好，實時性強，應(yīng)用在控制功能比較復(fù)雜的場合，車門控制系統(tǒng)的主要功能是接收來自中控鎖、玻璃升降器開關(guān)、車門鎖等控制開關(guān)的信號，控制車窗、車燈、車門鎖等執(zhí)行器并記錄其狀態(tài)。由于左前門上的開關(guān)可以控制四個車門的車窗和車鎖，功能比較復(fù)雜，將其作為控制節(jié)點，負責(zé)接收其他節(jié)點的狀態(tài)信號并根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)給出控制信號。其他節(jié)點功能較簡單，主要用來接收左前門發(fā)送的命令，對節(jié)點上的執(zhí)行器進行驅(qū)動和狀態(tài)反饋。LIN總線用于速度和可靠性要求不高的場合，連接后視鏡、車內(nèi)閱讀燈、雨刷等從節(jié)點。LIN主節(jié)點由左前門節(jié)點來完成，與從節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，同時充當(dāng)CAN和LIN網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)。

圖1 車門控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 CAN節(jié)點和LIN節(jié)點設(shè)計

CAN節(jié)點采用飛思卡爾MC9S08DZ60單片機作為主控芯片，該芯片是基于HCS08內(nèi)核的高度集成的高性能8位單片機，具有很強大電磁兼容性。其主要功能模塊包括24路12bitA/D采樣口;1路MSCAN模塊兼容CAN協(xié)議2.0A/B;2路串行通信接口模塊（SCI），支持 LIN2.0協(xié)議;1路串行外圍接口模塊（SPI）;2個定時器模塊等，能完全滿足系統(tǒng)的功能需求，且片上資源能夠得到充分利用。以左前門為例，圖2為主控芯片的硬件原理圖。

對于LIN節(jié)點，由于左前門節(jié)點使用的MC9S08DZ60芯片的串行通信SCI模塊支持LIN2.0協(xié)議，可以直接使用MC9S08DZ60作為LIN主節(jié)點控制器。從節(jié)點采用微芯的PIC16F886芯片作為控制器，PIC16F886帶有增強型UART模塊，支持LIN2.0協(xié)議，并能實現(xiàn)自動波特率檢測和校準(zhǔn)、接收到間隔字符時喚醒、13位間隔字符發(fā)送等附加功能，簡化了LIN總線系統(tǒng)的實現(xiàn)。

汽車的電池一般提供的電壓為12 V直流，而控制芯片的供電電壓一般為5 V直流，同時輸入信號調(diào)理電路也需要5 V的電壓，因此需要進行電平轉(zhuǎn)換［3］。采用 LP2985－50穩(wěn)壓芯片提供穩(wěn)定的5 V電壓。

圖2 主控芯片的硬件原理圖

2.2 CAN＆LIN收發(fā)電路設(shè)計

CAN收發(fā)器集成了CAN協(xié)議中物理層的部分功能。采用TJA1040收發(fā)器，每個節(jié)點通過收發(fā)器物理連接到CAN總線線路，收發(fā)器能夠驅(qū)動CAN總線所需的大電流，并具有對故障CAN或故障節(jié)點的電流保護。MC9S08DZ60單片機有一個MSCAN模塊，用于控制CAN報文的收發(fā)處理，該模塊用單片機外部的兩個引腳，包括一個CANRX和一個CANTX引腳。在CAN總線上，CANTX輸出的電平0表示顯性，電平1表示隱性。

在每個LIN節(jié)點都采用TJA1020收發(fā)器作為LIN協(xié)議控制器與LIN物理總線之間的接口。TJA1020能支持最好至20 Kbps的波特率，具有很好的EMI特性，為LIN總線的從節(jié)點集成了終端電阻，具有睡眠模式，能有效減少功耗［4］。TJA1020與TJA1040收發(fā)電路如圖2所示。主節(jié)點中MC9S08DZ60的SCI2模塊中的TxD2和RxD2與從節(jié)點中PIC16F886的Tx與Rx分別連接到相應(yīng)的TJA1020的TxD和RxD端，LIN總線的輸出引腳通過一個內(nèi)部的終端電阻被拉高。收發(fā)器在LIN總線的輸入引腳檢測數(shù)據(jù)流并通過引腳RXD發(fā)送到微處理器。

2.3 信號調(diào)理電路設(shè)計

圖3 CAN/LIN總線收發(fā)電路

車窗升降開關(guān)和后視鏡控制開關(guān)的輸出信號是模擬量，在開關(guān)內(nèi)部不同檔位對應(yīng)不同大小的電阻，通過開關(guān)進行切換。在開關(guān)內(nèi)部沒有分壓電阻，需要在輸出信號端加入上拉電阻，將輸出信號連接到的MCU管腳上拉。當(dāng)開關(guān)沒有動作時，A/D管腳采集到上拉電平;當(dāng)開關(guān)有動作時，電阻分壓得到相應(yīng)的模擬電平。在A/D管腳處連接一個4.7 V的穩(wěn)壓管，減小電壓波動，避免對MCU造成破壞。

車門鎖接觸開關(guān)信號是開關(guān)量信號，高電平為12 V，低電平為0 V，需要采用一個電平轉(zhuǎn)換電路對開關(guān)量信號進行調(diào)理，否則電壓值會超過I/O口能承受的最高電壓。當(dāng)開關(guān)沒有按下時，輸入為高電平，二極管和三極管都截止，I/O口的電平被拉低為低電平。當(dāng)開關(guān)被按下時，輸入為低電平，二極管和三極管導(dǎo)通，輸出電平為高電平（5 V）。這樣的轉(zhuǎn)換電路減少了外部開關(guān)信號對內(nèi)部微處理器系統(tǒng)的干擾。輸入信號調(diào)理電路如圖4所示。

2.4 系統(tǒng)執(zhí)行器的驅(qū)動

圖4 輸入信號調(diào)理電路

圖5 VNH3ASP30－E的驅(qū)動電路

系統(tǒng)所用的玻璃升降器電機的正常工作電流在10 A一下，約為3～5 A，考慮到其帶動的玻璃重量、運動過程中遇到的阻力，峰值電流在15 A左右。由于單片機的輸出功率不能直接驅(qū)動電機，因此需要采用專用的電動玻璃升降器驅(qū)動芯片VNH3ASP30－E［5］。 使 用VNH3ASP30－E的驅(qū)動電路如圖5所示。圖5中來自MCU的控制信號有INA/INB、ENA/ENB以及PWM。兩路輸出分別用于控制車窗的上升和下降。VNH3ASP30－E內(nèi)部集成了電流反饋電路，能夠在CS管腳輸出一個與輸出電流成正比的反饋電流，反饋給MCU的信號為CS經(jīng)低通濾波后的信號。MCU根據(jù)采樣到的MCU值判斷玻璃升降器的工作狀態(tài):正常運行、遇到阻力或堵轉(zhuǎn)，可以進行防夾設(shè)計。

與車窗類似，車鎖和后視鏡的驅(qū)動采用L9949驅(qū)動芯片，該芯片通過SPI與MCU連接，獲得控制字。LIN節(jié)點控制的車內(nèi)閱讀燈的功率為5 W，其驅(qū)動也選擇高側(cè)開關(guān)集成芯片VND5E050AK－E來完成。VNH3ASP30－E能提供的驅(qū)動電流可達30 A，驅(qū)動電壓可達41 V;L9949的直流供電電源電壓可達28 V，片內(nèi)有一個最大輸出電流為6 A的全橋驅(qū)動電路;VND5E050AK－E最大瞬態(tài)供電電壓為41 V，正常操作電壓在4.5 V－28 V，最大輸出電流為27 A，驅(qū)動電壓、電流、功率完全能夠滿足系統(tǒng)需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在CAN節(jié)點的程序中，首先對系統(tǒng)的時鐘模塊、A/D模塊、TPM模塊、MSCAN模塊、SPI模塊等進行初始化。程序進入循環(huán)主體檢測各自節(jié)點的狀態(tài)量、等待其他節(jié)點發(fā)送的CAN報文。對于檢測到的開關(guān)輸入信號，按照主節(jié)點的功能要求進行相關(guān)報文的邏輯組合，進行CAN報文的發(fā)送，如果有對LIN節(jié)點的控制，則進行LIN報文的發(fā)送［6］。對于其他節(jié)點發(fā)送的CAN報文采用中斷接收方式，在中斷程序中先根據(jù)相關(guān)報文的意義對標(biāo)志位進行設(shè)置，退出中斷后再根據(jù)標(biāo)志位對節(jié)點的執(zhí)行器進行驅(qū)動。

在LIN主節(jié)點和從節(jié)點的程序中，首先進行SCI端口一些標(biāo)志位等參數(shù)的初始化。主節(jié)點在檢測到開關(guān)狀態(tài)變化時，向從節(jié)點發(fā)送報文頭，依次發(fā)送間隔場、同步場和ID場，之后等待從節(jié)點響應(yīng)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，接收到數(shù)據(jù)后相應(yīng)地修改狀態(tài)標(biāo)志位。

從節(jié)點負責(zé)發(fā)布或者接聽幀的應(yīng)答，包括兩個部分:檢測同步間隔和同步場、幀處理。幀處理包括接收并分析幀 ID，按照事先的設(shè)計，選擇是發(fā)送應(yīng)答、接收應(yīng)答（為數(shù)據(jù)提供緩沖區(qū)）或者既不接收也不發(fā)送應(yīng)答。這里采用主節(jié)點發(fā)送報文頭并接收從節(jié)點的應(yīng)答，從節(jié)點發(fā)送相應(yīng)的狀態(tài)信息的方式。從節(jié)點采用中斷的方式來接收LIN報文并響應(yīng)，PIC16F886有間隔場自動喚醒功能，只要檢測到間隔場就會進入中斷服務(wù)程序，因此將控制程序放入中斷服務(wù)程序。根據(jù)接收到的幀ID判斷是否接收報文，對室內(nèi)燈、雨刷或后視鏡進行控制，并將執(zhí)行器的狀態(tài)反饋到數(shù)據(jù)場中，發(fā)送給主節(jié)點［7］。程序流程圖如圖6所示。

圖6 CAN節(jié)點與LIN節(jié)點程序流程圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了以左前門為主的汽車車門控制系統(tǒng)，表明利用多種現(xiàn)場總線可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制方法，并且可以改善控制效果，提高控制系統(tǒng)的性能，同時也能有效地減少成本。本系統(tǒng)已經(jīng)在實驗臺架上調(diào)試完成，可以可靠地完成控制功能。

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