基于LIN 總線的汽車雨刮控制系統(tǒng)設(shè)計

成立存，郭利進(jìn)，呂亞鋒

(天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387)

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車上的各種電子裝置也越來越多，電子控制裝置之間的通訊也越來越復(fù)雜，而汽車上傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點對點的單一通信方式，造成龐大的布線系統(tǒng)，增加了制造及維護(hù)成本。LIN 總線全稱為區(qū)域互連網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)汽車車身控制系統(tǒng)的分布式控制，其具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活等特點，為現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡(luò)提供功能上的補充，使汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計變得更加靈活。LIN 總線主要被應(yīng)用于車門、方向盤、座椅、雨刮器、車窗等控制單元，并將分布的智能傳感器和執(zhí)行器連接到車內(nèi)主控制器［1］。本文將LIN 總線技術(shù)應(yīng)用到汽車雨刷系統(tǒng)上，提出了安全性好、可靠性高的設(shè)計方法，該系統(tǒng)經(jīng)實際調(diào)試，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 LIN 協(xié)議介紹

LIN(Local Interconnect Network)總線是現(xiàn)代汽車總線網(wǎng)絡(luò)中一種低端的通用協(xié)議。其采用一主多從模式，數(shù)據(jù)的優(yōu)先級由主節(jié)點確定，且?guī)r間同步的多點廣播接收，從機節(jié)點無需石英或陶瓷諧振器即可實現(xiàn)同步。同時，可選報文幀長度為2、4 或8 Byte;傳輸速率最高可達(dá)20 kbit·s－1;并基于通用UART 接口的廉價硬件實現(xiàn)，單線傳送方式，總線通信距離最長可達(dá)40 m［2］。

LIN 總線的數(shù)據(jù)以報文幀的格式進(jìn)行傳輸，報文幀由主任務(wù)的幀頭和從任務(wù)的響應(yīng)組成。幀頭包括同步間隔場、同步場和受保護(hù)的標(biāo)識符;響應(yīng)分為數(shù)據(jù)場和校驗和場兩部分。LIN 網(wǎng)絡(luò)由一個主節(jié)點，一個或多個從節(jié)點組成，通過主機節(jié)點(CAN－LIN 網(wǎng)關(guān))，可將LIN 與上層網(wǎng)絡(luò)相連接。一個LIN 網(wǎng)絡(luò)最多可連接16 個節(jié)點，主機節(jié)點有且僅有一個，從機節(jié)點有1 ～15個。主機任務(wù)負(fù)責(zé)接收從機節(jié)點發(fā)出的總線喚醒命令，調(diào)度總線上幀的傳輸次序，并監(jiān)測數(shù)據(jù)、處理錯誤，同時可作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘的參考。從機接收主機發(fā)送的幀頭包含的信息以進(jìn)行判斷:發(fā)送應(yīng)答、接收應(yīng)答、或既不發(fā)送也不接收應(yīng)答。

2 智能雨刷系統(tǒng)方案

在汽車安裝的眾多執(zhí)行器中，雨刷對于雨天行駛的汽車起著至關(guān)重要的作用。雨雪天氣，汽車駕駛員需謹(jǐn)慎應(yīng)對路滑、視野小等問題，使得在雨天的操控過程中，精力受到較大干擾［3］。為此開發(fā)一種智能雨刷控制系統(tǒng)，有效提高汽車的安全性能。

智能雨刷系統(tǒng)主要包括一個主控單元和一個子單元，主控單元包含微控制器模塊和液晶控制屏，子單元由控制器、雨量檢測模塊、電機驅(qū)動模塊和電機檢測模塊組成。當(dāng)雨刮處于自動擋時，可根據(jù)紅外傳感器檢測雨量大小，自動控制雨刷器的擺動頻率。子單元通過LIN 總線與主控單元連接，形成車載LIN 網(wǎng)絡(luò)，駕駛員可通過液晶控制屏對雨刷進(jìn)行控制并查看雨刷工作狀態(tài)。該智能雨刷系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 雨刮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在擋風(fēng)玻璃上水量較大時，雨刮電機的間歇時間短，水量較小時，間歇時間相應(yīng)較長。當(dāng)工作過程中雨量傳感器發(fā)生故障時，系統(tǒng)將以預(yù)設(shè)的固定間歇時間來控制雨刷電機的運轉(zhuǎn);若電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)，電樞電流超過閾值電流，并持續(xù)一段時間，則雨刷會進(jìn)行復(fù)位動作。若嘗試3 次仍無法通過，則退回復(fù)位位置停止動作，并通過LIN 總線發(fā)送故障報文，由液晶屏進(jìn)行顯示及報警。

3 硬件設(shè)計

3.1 控制器模塊

主控單元微控制器采用Freescale 公司的高性能、低功耗汽車電子芯片MC9S12DG128［4］，該芯片屬于HCS12 系列增強型16 位單片機，片內(nèi)擁有128 kB 的Flash ROM，8 kB 的RAM 和2 kB 的EEPROM，2 個異步串行通信口SCI，2 個同步串行通信口SPI，8 通道輸入捕捉/輸出比較定時器，1 個8 通道脈寬調(diào)制模塊，兩個MSCAN 控制器。液晶模塊是整個系統(tǒng)運行的一個重要輸入，設(shè)計采用的液晶型號為Z2104，內(nèi)置VGA控制板，該屏幕為電阻屏，與控制器通過串口進(jìn)行通信，其工作電壓為12 V。主控制器可通過串口讀取液晶屏觸摸信號［5］，將液晶屏幕的觸摸信號轉(zhuǎn)換成LIN 總線指令，通過UART/SCI 模塊發(fā)送到LIN 總線，對子單元進(jìn)行控制，同時也可將雨刷的狀態(tài)反饋到液晶屏幕上。

3.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊為雨刷控制系統(tǒng)提供電源。汽車使用蓄電池提供的12 V 電源系統(tǒng)，而本系統(tǒng)中電源電壓均為5 V，故需要對汽車上的電源系統(tǒng)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計選用LM2576－5 芯片作為系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓芯片，該芯片具有可靠的工作性能、較高的工作效率、優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力，且可大幅減少散熱片的體積，為控制電路穩(wěn)定可靠工作提供保證。

3.3 雨量檢測電路設(shè)計

智能雨刷系統(tǒng)中，控制器通過雨量檢測裝置檢測降雨量的大小，自動控制雨刷器的擺動頻率，使用過程中無需駕駛員人為操作，大幅提高行車的安全性。不同的檔位對應(yīng)不同的刮水頻率和不同的LIN 協(xié)議信號報文頭，間歇暫停時間和刮水頻率由雨量傳感器的數(shù)據(jù)決定。設(shè)計采用紅外雨量檢測裝置，紅外發(fā)射器將光束以一定的角度投射到汽車擋風(fēng)玻璃，經(jīng)由擋風(fēng)玻璃反射回到紅外接收器。當(dāng)有雨滴落到擋風(fēng)玻璃上時，部分光束會因折射、散射等現(xiàn)象而分散到外部，導(dǎo)致接收器收到的紅外線總量少于其發(fā)出總量。由此得出擋風(fēng)玻璃上的雨量變化情況，再發(fā)出刮水請求至主控制器，以此控制雨刮器完成不同速度的刮水動作，同時與主控單元進(jìn)行總線通信，隨時發(fā)送子系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

3.4 霍爾位置傳感器

智能雨刷系統(tǒng)采用霍爾傳感器對雨刷電機的轉(zhuǎn)動情況實時進(jìn)行監(jiān)控，包括對電機位置和轉(zhuǎn)速的檢測，當(dāng)檢測到雨刷電機的位置后，單片機判斷當(dāng)前位置是否正確，若不正確，控制電機轉(zhuǎn)動到正確位置［6］。同時檢測雨刷電機的轉(zhuǎn)速，單片機接收后與給定的速度值作比較，經(jīng)過內(nèi)部處理得出下一步運行步驟，控制電機運行在最精確的速度值。文中選用英飛凌公司的TLE4941，芯片內(nèi)部集成有差分霍爾傳感器與信號調(diào)理器電路，TLE4941 的電路原理如圖2 所示。C5為消噪電容，通過電阻R 可將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出端連接至MM908E625 的霍爾效應(yīng)傳感器輸入引腳。

圖2 霍爾傳感器電路圖

3.5 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊是系統(tǒng)的核心部分，其承擔(dān)著雨刷電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，以及檢測電流的變化，當(dāng)雨刷遇堵轉(zhuǎn)時則作出相應(yīng)的處理。出于成本及穩(wěn)定性等多方面因素的考慮，選用 Freescale 的汽車電子芯片MM908E625，用于開發(fā)汽車分布式控制單元，該芯片取代了傳統(tǒng)的MCU、H 橋驅(qū)動器和LIN 物理層收發(fā)器的解決方案，有效降低了外圍器件的數(shù)量，且減小了成本。

模塊采用MM908E625 直接控制雨刷繼電器的方法，繼電器選用歐姆龍的G5CA－1A－E，并利用H 橋低端通道的電流反饋功能實時監(jiān)控電機的工作狀態(tài)。通過模擬多路復(fù)用器選擇相應(yīng)的H 橋低端通道，并采用MCU 上的ADC 監(jiān)測該電流來判斷電機是否堵轉(zhuǎn)，當(dāng)電流大于某一閾值時，故障信息會被單片機采集，并進(jìn)行相應(yīng)處理，并通過LIN 總線傳輸?shù)街骺貑卧囊壕溜@示。片內(nèi)集成的LIN 物理層收發(fā)器通過MCU上的ESCI 模塊實現(xiàn)LIN 協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層驅(qū)動器，從而實現(xiàn)LIN 總線通訊的功能。子單元控制芯片引腳使用情況，如圖3 所示。

圖3 子單元控制芯片接線圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

電機檢測模塊對電機的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測，然后將不同的檢測信息分別發(fā)送給消息解析模塊和電機控制模塊，通過這些檢測信息，對電機進(jìn)行有效的控制。檢測信息經(jīng)解析處理后，分別發(fā)送給LIN 通信和功能處理模塊，LIN 模塊將信息發(fā)送到LIN 總線上，實現(xiàn)系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)的通信。診斷模塊將從功能處理模塊上獲得的故障信息進(jìn)行診斷，也同樣通過LIN 通信模塊和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。電機控制模塊通過接收到的檢測信息，來判斷雨刷電機的轉(zhuǎn)速，再將輸出轉(zhuǎn)速和檢測轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比，經(jīng)優(yōu)化算法得出更為優(yōu)化的控制［7］。

由于MM908E625 內(nèi)部并未集成EEPROM，因此雨刷電機的閾值電流等信息需通過LIN 總線發(fā)送到主控單元進(jìn)行保存，系統(tǒng)上電啟動時，再進(jìn)行初始化。此外通過LIN 總線去讀取主控單元的觸摸輸入信號，以控制雨刷電機的運轉(zhuǎn)。在運行過程中，實時采集電樞的電流，判斷是否大于閾值電流IM，若電流值大于閾值電流3 次，則將雨刷電機復(fù)位，停止刮水動作。此過程中，子控制器將當(dāng)前雨刷的狀態(tài)參數(shù)通過LIN 總線實時反饋給主控器并進(jìn)行顯示［8］。子系統(tǒng)軟件流程如圖4 所示。

圖4 子系統(tǒng)程序流程圖

5 實驗測試

圖5 所示為智能雨刷控制系統(tǒng)工作時，使用示波器采集到的LIN 總線上報文幀的信號波形。從圖中顯示的兩個報文幀可看出，每個報文幀由幀頭和響應(yīng)組成，兩個報文中間是中斷場。圖中信號的峰值電壓為11.72 V，表明LIN 總線采用12 V 供電模式。電樞電流的正常值為6 A，人為使電機堵轉(zhuǎn)時，電流上升至10 A，在經(jīng)過一段時間后，雨刷電機復(fù)位，停止刮水動作。經(jīng)反復(fù)測試，該系統(tǒng)可根據(jù)雨量大小對雨刮運轉(zhuǎn)速度進(jìn)行智能控制，實現(xiàn)預(yù)期的智能控制。

圖5 LIN 總線報文幀信號波形

6 結(jié)束語

本文介紹了基于LIN 總線的智能雨刷系統(tǒng)設(shè)計，通過紅外傳感、電流檢測和主控液晶進(jìn)行了檢測控制，并可根據(jù)雨量大小對雨刮運轉(zhuǎn)速度進(jìn)行智能控制，無需駕駛員手動控制。同時將其接入LIN 網(wǎng)絡(luò)，簡化了硬件結(jié)構(gòu)、提高了安全性且降低了成本。實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的功能。

［1］ 趙巖，王麗.汽車雨刮系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2009(2):47－49.

［2］ SPECKS J W.LIN－protocol，development tools，and software interface for LIN in vehicles［J］.IEEE Transaction on LIN，2002(10):852－56.

［3］ 葛化敏，肖志銘，王勤偉.新型智能汽車雨刮系統(tǒng)的設(shè)計［J］.科技信息，201(23):46，39.

［4］ 王宜懷，劉曉升.嵌入式系統(tǒng)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［5］ 沈萬松.汽車LIN 總線數(shù)據(jù)監(jiān)視器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.淮陰工學(xué)院學(xué)報，2012(3):43－48.

［6］ 丁芝琴.基于霍爾傳感器的電機測速裝置設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2010(5):81－83.

［7］ 鮑迪.智能雨刮控制器的研究與實現(xiàn)［D］.長春:長春工業(yè)大學(xué)，2010.

［8］ 呂春豪，郭利進(jìn)，陳東旭.基于LIN 總線的汽車后視鏡控制模塊設(shè)計［J］.電子科技，2012，25(12):90－92，99.