模塊化車(chē)身控制器的開(kāi)發(fā)

黎 新，陳 暉，董慶大，吳明瞭，李 良，李 敏，姜 凱，張 皓

Li Xin，Chen Hui，Dong Qingda，Wu Mingliao，Li Liang，Li Min，Jiang Kai，Zhang Hao

（東風(fēng)汽車(chē)股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430057）

隨著車(chē)身上的執(zhí)行器越來(lái)越多，將各種燈具、門(mén)鎖、刮雨器等整合起來(lái)集中控制比單獨(dú)控制具有相當(dāng)大的優(yōu)越性，因此車(chē)身控制器逐漸成為汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置。雖然車(chē)身控制器的控制邏輯并不復(fù)雜，但是由于車(chē)型不同配置不同，因此車(chē)身控制的功能需求也不同，往往需要針對(duì)具體車(chē)型重新開(kāi)發(fā)配套的車(chē)身控制器，不僅開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，而且容易出現(xiàn)軟、硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，因此需要開(kāi)發(fā)一種通用的可根據(jù)需求增減功能的車(chē)身控制器。

1 車(chē)身控制器開(kāi)發(fā)目標(biāo)

軟、硬件平臺(tái)化、模塊化設(shè)計(jì)，各種功能可相對(duì)獨(dú)立配置，可按用戶需求增減，滿足客戶不同配置車(chē)型。車(chē)身控制器的主要功能是采集各種輸入信號(hào)（包括高有效/低有效開(kāi)關(guān)、模擬量、脈沖信號(hào)、CAN/LIN總線報(bào)文等），對(duì)各種燈具（包括轉(zhuǎn)向燈、室內(nèi)燈、位置燈、前后霧燈、遠(yuǎn)近光燈、超車(chē)燈、制動(dòng)燈等）、遙控電動(dòng)門(mén)鎖、刮雨器、車(chē)窗等車(chē)體控制單元進(jìn)行控制和檢測(cè)。

實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的方案是：針對(duì)各個(gè)被控對(duì)象設(shè)計(jì)相應(yīng)的輸入、輸出接口電路和驅(qū)動(dòng)程序，根據(jù)具體車(chē)型實(shí)際配置的被控對(duì)象，選擇相應(yīng)的輸入、輸出接口電路；根據(jù)被控對(duì)象的具體需求，建立相應(yīng)的應(yīng)用層模型。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了能夠適應(yīng)不同配置車(chē)型對(duì)車(chē)身控制的不同功能需求，硬件平臺(tái)要針對(duì)全部功能模塊進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)，預(yù)留足夠的接口。若無(wú)需某功能，不焊接該單元電路，適當(dāng)用飛線連接即可。例如，自動(dòng)上鎖功能和安全帶未系報(bào)警功能要根據(jù)車(chē)速信號(hào)來(lái)判斷，車(chē)速既可以通過(guò)采集脈沖推算出來(lái)，也可以通過(guò)CAN總線接收。這兩種方案在不同車(chē)型上都有應(yīng)用，因此控制器 PCB板上預(yù)留了脈沖輸入電路和CAN收發(fā)電路。完整的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電路原理如圖2～圖10所示。

硬件平臺(tái)主要包括以下模塊：

1）單片機(jī)最小系統(tǒng)，由48腳MC9S08DZ60為核心的主控芯片、4MHz晶振和若干電容構(gòu)成；

2）以TLE4275為核心的電源電路為整機(jī)提供5V直流工作電壓，由二極管、三極管、電阻、電容等分立器件組成防反接、防浪涌模塊；

3）開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入，包括高有效開(kāi)關(guān)和低有效開(kāi)關(guān)單元電路。由于開(kāi)關(guān)信號(hào)較多，為了節(jié)約單片機(jī)I/O口資源，開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)74HC165并轉(zhuǎn)串芯片輸入主控芯片；

4）模擬信號(hào)輸入；

5）脈沖信號(hào)整形輸入；

6）燈絲檢測(cè)電路，包括轉(zhuǎn)向燈燈絲開(kāi)路檢測(cè)，制動(dòng)燈、位置燈、后霧燈燈絲開(kāi)路或短路檢測(cè)；

7）開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出及功率放大，由于開(kāi)關(guān)信號(hào)較多，為了節(jié)約單片機(jī)I/O口資源，開(kāi)關(guān)信號(hào)由主控芯片串行輸出，通過(guò)74HC595串轉(zhuǎn)并芯片和由BSP75、ULN2803A、VND5E025MK組成的驅(qū)動(dòng)電路控制負(fù)載；

8）蜂鳴器及驅(qū)動(dòng)電路，以不同頻率和持續(xù)時(shí)間鳴叫，提醒司乘人員；

9）總線通信電路，包括CAN總線和LIN總線接口電路，既便于車(chē)身控制器的調(diào)試和標(biāo)定，又能與其他控制器通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)借鑒AUTOSAR的分層思想，自底向上依次分為驅(qū)動(dòng)層、接口層和應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)層的作用是：1）完成微控制器內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O、CAN/LIN等模塊的初始化；2）讀寫(xiě)各模塊寄存器獲取輸入信號(hào)、輸出控制信號(hào)；3）提供中斷服務(wù)。接口層的作用是隱藏操作硬件的細(xì)節(jié)，屏蔽不同硬件的具體差異，為應(yīng)用層代碼提供統(tǒng)一的調(diào)用接口。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)具體的控制邏輯，通過(guò)接口層獲取各種輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出控制信號(hào)，再通過(guò)接口層間接調(diào)用驅(qū)動(dòng)層控制被控對(duì)象。

由于硬件平臺(tái)已經(jīng)確定，驅(qū)動(dòng)層和接口層基本上不會(huì)再有大的變化，可以采用手寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)；而應(yīng)用層正好相反，會(huì)因?yàn)椴煌?chē)型配置的不同需求而頻繁修改，傳統(tǒng)的手寫(xiě)代碼的開(kāi)發(fā)方式很難勝任。Matlab軟件的Simulink和Stateflow能夠以非常直觀易懂的圖形方式即模型來(lái)表達(dá)復(fù)雜的控制邏輯，并且能在Matlab環(huán)境下測(cè)試控制邏輯的正確性，還能自動(dòng)將模型轉(zhuǎn)化為等價(jià)C語(yǔ)言代碼，因此應(yīng)用層采用Matlab進(jìn)行基于模型的開(kāi)發(fā)。每個(gè)功能模塊封裝為一個(gè)子系統(tǒng)，如不需要某個(gè)功能模塊，可將其對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)注釋掉，生成的C代碼就不包含該模塊。

模型搭建測(cè)試完畢后生成C代碼，與底層、接口層C代碼一起添加到CodeWarrior項(xiàng)目中編譯為S19文件。通過(guò)Freescale專用仿真器可以將S19文件從上位機(jī)下載到微控制器芯片里，還可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與車(chē)身控制器雙機(jī)聯(lián)合調(diào)試。

4 應(yīng)用案例

東風(fēng)A08客車(chē)車(chē)身控制對(duì)象有燈、鎖、刮雨器、車(chē)窗等。該車(chē)門(mén)鎖要求能夠用遙控鑰匙開(kāi)啟或關(guān)閉，而上述硬件平臺(tái)不含遙控接收電路，但預(yù)留了與專用遙控接收電路板對(duì)接的接口，因此上述硬件平臺(tái)能夠滿足該車(chē)車(chē)身控制的需求，不需要重新開(kāi)發(fā)硬件。

該車(chē)車(chē)身控制邏輯如下。

4.1 燈具控制

4.1.1 轉(zhuǎn)向燈控制

采集轉(zhuǎn)向燈開(kāi)關(guān)和危險(xiǎn)警報(bào)開(kāi)關(guān)的信號(hào)，轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)接通后，相應(yīng)方向的轉(zhuǎn)向燈閃爍。危險(xiǎn)警報(bào)開(kāi)關(guān)按下后，所有轉(zhuǎn)向燈同時(shí)閃爍。

4.1.2 室內(nèi)燈控制

采集門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)，任一車(chē)門(mén)打開(kāi)，當(dāng)IGN信號(hào)有效時(shí)，室內(nèi)燈常亮；當(dāng)IGN信號(hào)無(wú)效時(shí)，最多延時(shí)5 min自動(dòng)熄滅。遙控開(kāi)鎖時(shí)，當(dāng)IGN信號(hào)無(wú)效時(shí)，最多延時(shí)5 s自動(dòng)熄滅。全部車(chē)門(mén)關(guān)閉，室內(nèi)燈熄滅。

4.1.3 位置燈控制

位置燈開(kāi)關(guān)閉合，位置燈開(kāi)啟；位置燈開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，位置燈關(guān)閉。

4.1.4 霧燈控制

IGN信號(hào)和位置燈開(kāi)啟情況下，按下前霧燈開(kāi)關(guān)，控制前霧燈繼電器吸合，開(kāi)啟前霧燈；無(wú)IGN信號(hào)、位置燈關(guān)閉或再次按下前霧燈開(kāi)關(guān)，控制前霧燈繼電器斷開(kāi)，關(guān)閉前霧燈。采集 IGN信號(hào)、位置燈信號(hào)、前霧燈開(kāi)關(guān)信號(hào)和后霧燈開(kāi)關(guān)信號(hào)，如果這 4個(gè)信號(hào)都能檢測(cè)到，開(kāi)啟后霧燈，否則關(guān)閉后霧燈。

其他燈具，如近光燈、遠(yuǎn)光燈、超車(chē)燈、制動(dòng)燈控制策略類似，都是通過(guò)檢測(cè)IGN信號(hào)和相應(yīng)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)控制燈具開(kāi)啟或關(guān)閉。

4.2 門(mén)鎖控制

所有門(mén)鎖電機(jī)并聯(lián)控制，開(kāi)鎖閉鎖有遙控、電動(dòng)和手動(dòng)3種方式。遙控開(kāi)鎖后30 s未開(kāi)門(mén)，自動(dòng)閉鎖。車(chē)速大于15km/h，自動(dòng)上鎖。當(dāng)鑰匙插入點(diǎn)火鎖打到ACC檔或ON檔時(shí)或者門(mén)未關(guān)，遙控功能無(wú)效。當(dāng)車(chē)速小于15km/h時(shí)，電動(dòng)開(kāi)閉鎖功能有效。當(dāng)左前門(mén)處于開(kāi)鎖狀態(tài)時(shí)，按電動(dòng)中控門(mén)鎖開(kāi)關(guān)，信號(hào)持續(xù)100 ms及以上，門(mén)閉鎖；當(dāng)左前門(mén)處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，按電動(dòng)中控門(mén)鎖開(kāi)關(guān)，信號(hào)持續(xù)100 ms及以上，門(mén)開(kāi)鎖。操縱駕駛員側(cè)門(mén)栓，其他門(mén)跟隨駕駛員側(cè)門(mén)上鎖或開(kāi)鎖。任一車(chē)門(mén)未關(guān)好上鎖時(shí)，所有轉(zhuǎn)向燈閃爍30s，門(mén)鎖電機(jī)不工作。

4.3 刮雨器和洗滌系統(tǒng)控制

ACC或IGN信號(hào)接通時(shí)，若刮雨器低速開(kāi)關(guān)閉合，則刮雨器電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)；若刮雨器高速開(kāi)關(guān)閉合，則刮雨器電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)；若刮雨器間歇開(kāi)關(guān)閉合，則刮雨器電機(jī)間歇運(yùn)轉(zhuǎn)，間歇開(kāi)關(guān)為無(wú)級(jí)變速，間隔時(shí)間為1～12 s。若ACC或IGN信號(hào)消失或刮雨器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則刮雨器電機(jī)在刮水片到達(dá)起始位置時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。ACC或IGN信號(hào)接通時(shí)，若洗滌開(kāi)關(guān)閉合，刮雨器電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)；洗滌開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，刮雨器電機(jī)刮刷2次。

4.4 其他輔助功能

ACC關(guān)閉情況下，車(chē)門(mén)開(kāi)啟，位置燈未關(guān)，聲音報(bào)警。檢測(cè)IGN信號(hào)，車(chē)速大于15km/h時(shí)安全帶未系，聲音報(bào)警。檢測(cè)車(chē)窗按鍵，控制電機(jī)帶動(dòng)車(chē)窗升降。

根據(jù)上述控制邏輯建立 Simulink模型如圖11～圖16所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)軟、硬件模塊化設(shè)計(jì)和基于Simulink建模實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層控制策略來(lái)開(kāi)發(fā)通用的車(chē)身控制器，根據(jù)各種不同的車(chē)身控制需求對(duì)模塊增減功能，可以避免重新開(kāi)發(fā)，提高產(chǎn)品可靠性，加快產(chǎn)品上市。