AFS系統(tǒng)主從ECU的LIN通訊優(yōu)化研究?

王成志，李建成，張 銳，彭 毅，范多旺

（蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730070）

AFS系統(tǒng)主從ECU的LIN通訊優(yōu)化研究?

王成志，李建成，張 銳，彭 毅，范多旺

（蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730070）

智能化自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）是汽車(chē)安全性和舒適性的重要指標(biāo)之一。目前汽車(chē)AFS主要是利用單LIN總線(xiàn)通訊實(shí)現(xiàn)主ECU與從ECU的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了前照燈的智能控制，但存在發(fā)送幀冗余、多從ECU之間數(shù)據(jù)干擾、實(shí)時(shí)響應(yīng)慢等問(wèn)題。在分析現(xiàn)有AFS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出利用雙LIN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)主從ECU通信的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)證明，雙LIN總線(xiàn)結(jié)構(gòu)能夠有效減少信號(hào)之間的干擾，通信過(guò)程穩(wěn)定性高，實(shí)時(shí)調(diào)光效果好。

智能化自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)；LIN通訊；單片機(jī)

1 引 言

智能化自適應(yīng)前照燈照明系統(tǒng)AFS（advanced front-lighting system）是一個(gè)由傳感器組、傳輸通路、電控單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)［1］。AFS從多種傳感元件和其它控制系統(tǒng)取得相應(yīng)的車(chē)輛行駛信息，經(jīng)過(guò)處理器的分析和處理，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)不同行使路況（如高速公路、城市道路、顛簸路面等）、不同環(huán)境模式（如夜間、白天、下雨、下雪）、不同行駛情況（如拐彎、剎車(chē)等）下的前照燈自動(dòng)調(diào)整，以提供最好的照明效果，增加駕駛的安全性和舒適性。

目前，汽車(chē)AFS系統(tǒng)主要是利用單LIN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)主ECU與從ECU的數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)前照燈步進(jìn)電機(jī)的控制［2-3］。其主節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀頭，從節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送的幀頭類(lèi)型決定應(yīng)該由哪個(gè)從節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)，如圖1（a）所示。這種系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)模塊之間數(shù)據(jù)的傳輸，但存在如下問(wèn)題［4-5］：①發(fā)送幀冗余；②同一信號(hào)發(fā)送到兩從ECU之間造成從ECU之間的數(shù)據(jù)干擾；③實(shí)時(shí)響應(yīng)執(zhí)行效果較差。為了解決以上問(wèn)題，提出左右從ECU采用不同的LIN總線(xiàn)進(jìn)行通訊的優(yōu)化方案，如圖1（b）所示。

圖1 主從ECU結(jié)構(gòu)示意圖

2 AFS硬件設(shè)計(jì)

AFS控制單元包括主ECU和左、右從ECU。主ECU包括：主控制器、CAN控制器、LIN控制器、LIN收發(fā)器；從ECU包括：LIN收發(fā)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、霍爾電路及電源管理模塊。電控單元ECU通過(guò)CAN總線(xiàn)從方向盤(pán)角度、車(chē)速、車(chē)身高度位移等傳感器分別取得轉(zhuǎn)向輪旋轉(zhuǎn)角度、車(chē)體速度和車(chē)身傾斜度等的精確車(chē)輛行駛信息，經(jīng)過(guò)控制器運(yùn)算和處理，并獲得恰當(dāng)?shù)那罢諢艨刂浦担詈笸ㄟ^(guò)LIN總線(xiàn)傳輸?shù)阶笥臆?chē)燈的從ECU控制模塊。從ECU根據(jù)接收到的LIN信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)外部步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。AFS系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 AFS系統(tǒng)硬件框圖

2.1 控制器設(shè)計(jì)

MCU選用infineon公司的單片機(jī)XC2234L［6］。該單片機(jī)是汽車(chē)電子專(zhuān)用16／32位單片機(jī)，具有MultiCAN控制器單元，支持異步數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，同時(shí)具有四路串行接口通道和窗口看門(mén)狗的程序檢錯(cuò)模塊。

2.2 LIN信號(hào)收發(fā)器設(shè)計(jì)

LIN信號(hào)收發(fā)器選用TI公司的SN65HVDA100-Q1收發(fā)器。SN65HVDA100-Q1為汽車(chē)專(zhuān)用器件，是LIN通訊的物理接口，并且符合LIN2.0規(guī)范。該收發(fā)器具有最高20kbps的傳送功能和高強(qiáng)度的信號(hào)接收能力。SN65HVDA100-Q1與單片機(jī)的連接圖如圖3所示。

圖3 SN65HVDA100-Q1與單片機(jī)的連接圖

3 LIN總線(xiàn)通訊

LIN總線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)開(kāi)發(fā)的一種低成本串行網(wǎng)絡(luò)，是對(duì)現(xiàn)有汽車(chē)多元化網(wǎng)絡(luò)公文包的一個(gè)補(bǔ)充。LIN通訊基于SCI（UART）數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器／多從設(shè)備的模式，僅使用一根12V信號(hào)總線(xiàn)和一個(gè)無(wú)固定時(shí)間基準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)同步時(shí)鐘線(xiàn)，并且從機(jī)節(jié)點(diǎn)不需要石英或陶瓷諧振器就能實(shí)現(xiàn)自同步。LIN協(xié)議作為一個(gè)成本低、距離短、速度慢的串行通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠連接車(chē)輛內(nèi)各種子系統(tǒng)，增強(qiáng)子系統(tǒng)之間的通訊效率，提高可靠性。同時(shí)，在帶寬要求不高、功能簡(jiǎn)單、性能指標(biāo)較低的情況下，使用更低成本的解決方案補(bǔ)充類(lèi)似CAN的高端汽車(chē)總線(xiàn)的不足［7］。該LIN通訊遵循LIN2.0規(guī)范。

3.1 幀信號(hào)傳輸

LIN總線(xiàn)上進(jìn)行傳送的實(shí)體是幀信號(hào)，幀是由一個(gè)幀頭和一個(gè)幀響應(yīng)組成。幀頭包括同步間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和標(biāo)識(shí)符場(chǎng)。間隔場(chǎng)標(biāo)識(shí)一個(gè)新幀的起始點(diǎn)，標(biāo)識(shí)符場(chǎng)在間隔場(chǎng)和同步場(chǎng)之后，唯一決定了幀的目的。數(shù)據(jù)場(chǎng)和校驗(yàn)和場(chǎng)屬于幀響應(yīng)部分，用于輸送該目的。每個(gè)預(yù)定的幀總會(huì)在總線(xiàn)上分配一個(gè)幀槽，幀槽的時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，以便在最糟情況下也能裝載幀。幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 LIN機(jī)群任務(wù)

LIN機(jī)群由一個(gè)主機(jī)任務(wù)和幾個(gè)從機(jī)任務(wù)組成，主節(jié)點(diǎn)包括主機(jī)任務(wù)和從機(jī)任務(wù)，而從節(jié)點(diǎn)只包含從機(jī)任務(wù)。在幀傳輸過(guò)程中，所有幀頭都由主機(jī)任務(wù)發(fā)起，如果從機(jī)任務(wù)對(duì)標(biāo)識(shí)符有關(guān)的數(shù)據(jù)感興趣，那么它就可以接收這個(gè)響應(yīng)。圖 5（a）和圖5（b）所示分別為主機(jī)任務(wù)狀態(tài)和從機(jī)任務(wù)狀態(tài)，主機(jī)任務(wù)發(fā)送幀頭，在接收完間隔和同步場(chǎng)之后，從機(jī)任務(wù)繼續(xù)接收標(biāo)識(shí)符場(chǎng)，并據(jù)此判斷接收主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)或者回發(fā)主機(jī)所需要的幀數(shù)據(jù)，并使用傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)數(shù)據(jù)。該幀的傳送過(guò)程使得LIN通訊具有以下特點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)可被添加到LIN機(jī)群上，而不改變其它從節(jié)點(diǎn)的軟件硬件；信息的內(nèi)容由標(biāo)識(shí)符定義；多個(gè)節(jié)點(diǎn)可同時(shí)接收信息并共用單個(gè)幀。

圖4 幀結(jié)構(gòu)

圖5 主／從機(jī)任務(wù)

3.3 進(jìn)度表

進(jìn)度表為L(zhǎng)IN通訊中的一個(gè)重要概念。它具體規(guī)定了每個(gè)幀頭的標(biāo)識(shí)符號(hào)及幀與幀之間的間隔，如圖6所示。一個(gè)主機(jī)程序中可以使用多個(gè)進(jìn)度表，同時(shí)幀被分配了具體的入口點(diǎn)，一旦當(dāng)前進(jìn)度達(dá)到下一個(gè)目的入口點(diǎn)，新的進(jìn)度將會(huì)被激活。

圖6 進(jìn)度表

在以上實(shí)例中，VL1代表進(jìn)度表標(biāo)識(shí)符，其在Schedule_tables中具有唯一性；VL1_CEM_Frm1、VL1_LSM_Frm1、VL1_CPM_Frm1、VL1_CPM_Frm2為幀標(biāo)識(shí)符，其為Frames子集中定義的frame_name標(biāo)識(shí)符中的一個(gè)；delay后的時(shí)間表示了兩相鄰幀之間的時(shí)間間隔。

4 雙LIN總線(xiàn)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序采用TASKING_C166編譯器，并利用infineon的DAVE［6］生成器生成MCU底層驅(qū)動(dòng)代碼。DAVE生成代碼后在user code中添加用戶(hù)程序，以實(shí)現(xiàn)全部功能，該程序以調(diào)用進(jìn)度表的形式實(shí)現(xiàn)LIN通訊的全過(guò)程，共三個(gè)進(jìn)度表，分別為進(jìn)度表0、進(jìn)度表1、進(jìn)度表2。

4.1 程序流程圖

系統(tǒng)首先進(jìn)行LIN的底層初始化，調(diào)用進(jìn)度表0查詢(xún)從節(jié)點(diǎn)有無(wú)故障，如有，根據(jù)故障信息調(diào)用進(jìn)度表0進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù)；確認(rèn)從節(jié)點(diǎn)無(wú)故障后，調(diào)用進(jìn)度表2（配置幀的高位為1）進(jìn)行馬達(dá)初始化，還要通過(guò)再次調(diào)用進(jìn)度表0查詢(xún)初始化的完成情況；初始化后，調(diào)用進(jìn)度表2（配置幀的高位為0）進(jìn)行正確位置配置。該過(guò)程分配80ms的定時(shí)時(shí)間，以80ms為周期無(wú)限循環(huán)，從而發(fā)送最新的更新數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境改變的實(shí)時(shí)調(diào)整。LIN通訊流程示意圖如圖7所示。

4.2 程序代碼

進(jìn)度表0包含34、35狀態(tài)查詢(xún)幀的發(fā)送，分別對(duì)應(yīng)左右從節(jié)點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)兩路LIN通訊。進(jìn)度表1中含有20命令幀，包括對(duì)從節(jié)點(diǎn)故障清除請(qǐng)求位域和從節(jié)點(diǎn)休眠請(qǐng)求位域。進(jìn)度表2含有位置配置幀30，幀以16位數(shù)據(jù)為劃分單位，分別對(duì)應(yīng)DHL位置、左AFL位置、右AFL位置的數(shù)據(jù)。部分代碼如下：

其中，LINSchMng（）函數(shù)即實(shí)現(xiàn)了主機(jī)根據(jù)進(jìn)度表發(fā)送幀的過(guò)程。

圖7 LIN通訊流程示意圖

5 軟件仿真結(jié)果與分析

MASTERECU和SLAVE ECU通過(guò)CANoe［8］工具軟件監(jiān)控二者之間的LIN通訊，由CAN仿真LIN的主節(jié)點(diǎn)，通過(guò)trace窗口觀察到的通訊如圖8所示。主ECU與兩路LIN通訊對(duì)應(yīng)的從ECU很好的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步傳輸，解決了原系統(tǒng)中發(fā)送幀冗余及數(shù)據(jù)干擾問(wèn)題。整個(gè)通訊過(guò)程中，幀數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定，沒(méi)有造成掉幀錯(cuò)幀等錯(cuò)誤，左右LIN的通信時(shí)差為微秒級(jí)，實(shí)時(shí)同步調(diào)光效果好。

圖8 系統(tǒng)仿真圖

6 結(jié)束語(yǔ)

單LIN總線(xiàn)是目前應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)前照燈的智能控制提供了新思路。實(shí)驗(yàn)表明，雙LIN總線(xiàn)結(jié)構(gòu)能夠有效減少多從ECU數(shù)據(jù)信號(hào)之間的干擾，同時(shí)，整個(gè)主從通訊過(guò)程穩(wěn)定性能高，實(shí)時(shí)調(diào)光效果好，無(wú)丟幀失幀現(xiàn)象，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本課題的未來(lái)研究重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)雙LIN總線(xiàn)在汽車(chē)智能駕駛中的實(shí)踐應(yīng)用。

［1］崔惠中，關(guān)志偉.智能前照燈系統(tǒng)（AFS）研究現(xiàn)狀綜述［J］.天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（3）：47-54.

［2］林國(guó)余，王東，姚平.基于LIN總線(xiàn)的主從式自適應(yīng)前照燈控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011（9）：2142-2146.

［3］鄭榮良，胡永亮，俞方磊.基于CAN／LIN混合網(wǎng)絡(luò)的智能汽車(chē)前照燈系統(tǒng)（AFS）的設(shè)計(jì)［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2009（10）：112-115.

［4］佟為明，孫凡金，趙志衡.LIN總線(xiàn)技術(shù)［J］.低壓電器，2004（2）：35-38.

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［6］Infineon Technologies AG.16／32-Bit Architecture（XC2234L）User＇s Manual［Z］.Munich，Germany：V1.3，2010（04）.

［7］鄭榮良，袁鵬平.局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)LIN總線(xiàn)在車(chē)輛上的應(yīng)用［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（3）：129-132.

［8］閆旭琴，王知學(xué)，李建新.CANoe軟件在車(chē)載診斷中的應(yīng)用［J］.科技傳播，2009（12）：88-90.

Study on LIN Communication Optim izing of the Master-Slave ECU of AFS System

WANG Cheng-zhi，LIJian-cheng，ZHANG Rui，PENG Yi，F(xiàn)AN Duo-wang
（Key Laboratory of Opto-electronic Technology and Intelligent Control（Ministry of Education），Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

The advanced front-lighting system（AFS）is important for safety and comfort of the automobile.Currently automotive AFSmainly uses single LIN to conduct data communication between the master ECU and slave ECU.The system basically realizes intelligent control for the headlamp，but there are some problems such as the redundant transmission frames，the interference of data between several slave ECUs and slow real-time response.The new system uses dual LIN bus to realize the communication between themaster ECU and slave ECU by the analysis of the existing AFSsystem.The experimental results show that the dual LIN bus system can reduce the interference of data between several slave ECUs effectively，the communication process of the system is stabile and the real-time dimming response is effective.

AFS；LIN communication；Single-Chip Microcomputer

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.017

TN919

：A

：1002-2279（2014）04-0052-04

國(guó)家高科技研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題資助（2012AA040207）

王成志（1988-），男，山東人，碩士研究生，主研方向：鐵路交通信息工程及控制。

2013-12-23