一種基于CAN的電動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇萬檣

（蘇州紫荊清遠(yuǎn)新能源汽車技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215299）

1 概述

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車的智能化和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為汽車電子的發(fā)展方向，汽車空調(diào)也越來越多地引入了電子控制。對(duì)于在電動(dòng)汽車上的車用空調(diào)，由于沒有了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的皮帶輪驅(qū)動(dòng)，一般都采用電動(dòng)空調(diào)，其壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)擺脫了與發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械連接，加熱功能一般采用PTC加熱器，也不用受制于發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣余熱，即電動(dòng)空調(diào)比傳統(tǒng)空調(diào)具備更好的可控性。與此同時(shí)，作為車聯(lián)網(wǎng)的核心，智能中控平臺(tái)已經(jīng)在汽車上越來越廣泛地使用，這些中控平臺(tái)具有大屏幕觸控界面，性能強(qiáng)大，能夠在平臺(tái)上開發(fā)各種應(yīng)用程序，不斷擴(kuò)展中控平臺(tái)的功能［1］。這兩方面的技術(shù)發(fā)展為電動(dòng)空調(diào)的智能化控制提供了很好的前提條件［2］。

但目前電動(dòng)空調(diào)在電動(dòng)汽車上的安裝使用，絕大多數(shù)還是沿用傳統(tǒng)車上的空調(diào)使用方式：即把集成了空調(diào)控制面板的空調(diào)控制器安裝在車內(nèi)儀表板上，用戶通過操作空調(diào)面板上的開關(guān)或旋轉(zhuǎn)旋鈕，給空調(diào)控制器輸入控制信號(hào)，空調(diào)控制器根據(jù)輸入的信號(hào)來控制壓縮機(jī)、風(fēng)門等執(zhí)行器，使空調(diào)按用戶需求運(yùn)行。這種做法和傳統(tǒng)車上的空調(diào)操作方式一致，但未能充分利用電動(dòng)空調(diào)更靈活的可控性。

本文提出一種基于CAN的電動(dòng)空調(diào)控制器設(shè)計(jì)，去除傳統(tǒng)的空調(diào)實(shí)體控制面板，改由智能中控的觸摸屏界面控制，用戶通過點(diǎn)擊智能中控觸摸屏的相應(yīng)界面，產(chǎn)生用戶控制需求輸入，智能中控通過觸摸屏獲取到用戶輸入后，將這些控制信號(hào)通過CAN總線發(fā)送給空調(diào)控制器，空調(diào)控制器根據(jù)接收到的控制命令來執(zhí)行控制動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)空調(diào)進(jìn)行工作［3］。將這種基于CAN的無實(shí)體控制面板的空調(diào)控制器和智能平臺(tái)的中控系統(tǒng)結(jié)合起來，就可以很容易地和其他車載應(yīng)用組合，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制空調(diào)及智能控制空調(diào)，使之成為汽車智能化、互聯(lián)化的一個(gè)特性。車內(nèi)增加一個(gè)環(huán)境溫度傳感器，還可以在不改變空調(diào)本體的條件下，實(shí)現(xiàn)空調(diào)溫度的自動(dòng)控制。

這種方案已在我司的067型雙門4座小型純電動(dòng)汽車及小型裝甲電動(dòng)SUV車型上試裝，實(shí)用性得到了驗(yàn)證，即將推向市場(chǎng)。

2 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，智能中控在觸摸屏上顯示虛擬空調(diào)面板，并接收用戶的觸摸輸入，通過CAN總線將用戶對(duì)空調(diào)控制的請(qǐng)求發(fā)送給空調(diào)控制器，空調(diào)控制器讀取CAN信號(hào)并提取空調(diào)控制請(qǐng)求信息，結(jié)合讀取的蒸發(fā)器溫度傳感器和PTC溫度傳感器信息后，根據(jù)空調(diào)控制邏輯，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)的執(zhí)行器以實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制，并將當(dāng)前的空調(diào)控制狀態(tài)通過CAN總線以空調(diào)反饋信號(hào)的形式反饋給智能中控。

用戶除了可以通過智能中控觸摸屏上的虛擬空調(diào)旋鈕手動(dòng)設(shè)定空調(diào)之外，還可以直接設(shè)定所需要的溫度后，由智能中控和空調(diào)控制器一起實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的自動(dòng)控制。智能中控讀取車內(nèi)溫度傳感器的信號(hào)，得到當(dāng)前車內(nèi)的環(huán)境溫度，根據(jù)車內(nèi)當(dāng)前溫度和用戶設(shè)定溫度的差值，通過CAN總線發(fā)出對(duì)空調(diào)的控制需求，空調(diào)控制器通過CAN總線收到空調(diào)控制輸入，并根據(jù)控制輸入的要求驅(qū)動(dòng)空調(diào)工作在相應(yīng)的制熱或制冷狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的自動(dòng)控制。

3 硬件設(shè)計(jì)

本文所述方案中的空調(diào)相關(guān)的傳感器和執(zhí)行器沿用現(xiàn)有的成熟方案；智能中控的硬件設(shè)計(jì)，可以選擇基于安卓系統(tǒng)、IOS或WinCE的車機(jī)產(chǎn)品。由于安卓系統(tǒng)的開放性，目前市面上應(yīng)用較多的是基于安卓系統(tǒng)的車機(jī)產(chǎn)品，只需要選擇帶CAN通信功能并且能夠支持讀取溫度傳感器信號(hào)的安卓車機(jī)產(chǎn)品即可。

對(duì)于空調(diào)控制器的硬件設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)空調(diào)控制器相比，去掉了實(shí)體空調(diào)控制面板，改由通過CAN總線接收空調(diào)控制要求，其他對(duì)執(zhí)行器的空調(diào)控制邏輯基本相同。但由于傳統(tǒng)空調(diào)控制器一般不對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，而是由使用者通過旋轉(zhuǎn)風(fēng)量檔位開關(guān)的方式改變串入鼓風(fēng)機(jī)電路的電阻大小來實(shí)現(xiàn)不同的鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速檔位，因此本方案為了實(shí)現(xiàn)空調(diào)的自動(dòng)控制，還需要增加對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路。

空調(diào)控制器的整體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。該控制器的主控芯片采用飛思卡爾的MC9S08DZ60為主控制芯片，此芯片是一款價(jià)格低廉性能強(qiáng)大的8位單片機(jī)，主頻40MHz，具有4KB的RAM和60KB的Flash，接口豐富，具有1路CAN、1路SPI、24通道12位ADC。

電源芯片選用LM2940電源穩(wěn)壓芯片，可以將車上的12 V電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5 V電源，為主芯片MC9S08DZ60供電。由于MC9S08DZ60具有一個(gè)CAN通信模塊，只需要增加一個(gè)CAN收發(fā)器TJA1051即可實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。選用安森美的NCV7708B電橋驅(qū)動(dòng)器對(duì)3個(gè)風(fēng)門電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其余2個(gè)溫度傳感器的模擬信號(hào)輸入及4個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出較為簡(jiǎn)單，通過選擇合適的采樣及放大元器件即可搭建實(shí)現(xiàn)接口電路。

4 軟件設(shè)計(jì)

智能中控的軟件設(shè)計(jì)，如果采用安卓系統(tǒng)的車機(jī)，則只需要開發(fā)安卓系統(tǒng)的應(yīng)用程序即可，智能中控的應(yīng)用程序需實(shí)現(xiàn)的控制邏輯流程圖如圖3所示［4］。

空調(diào)控制器收到CAN總線上智能中控發(fā)來的空調(diào)控制CAN信號(hào)后，需執(zhí)行對(duì)空調(diào)的控制動(dòng)作，空調(diào)控制器上需實(shí)現(xiàn)的空調(diào)控制邏輯流程圖如圖4所示。

5 CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能中控和空調(diào)控制器之間的通信并實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，需要設(shè)計(jì)合理的通信協(xié)議。智能中控和空調(diào)控制器之間采用CAN通信協(xié)議，將空調(diào)控制CAN信號(hào)和空調(diào)反饋CAN信號(hào)均設(shè)計(jì)為單幀信號(hào)，每幀信號(hào)帶有8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這樣可以使所有空調(diào)控制信息和空調(diào)反饋信息均在單幀內(nèi)完成，無需設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸層，便于簡(jiǎn)化智能中控和空調(diào)控制器的通信代碼的實(shí)現(xiàn)［5］。

空調(diào)控制CAN信號(hào)的一個(gè)示例設(shè)計(jì)如表1所示，每個(gè)字節(jié)代表不同的空調(diào)控制功能，字節(jié)的不同取值代表不同的控制要求。CAN ID：0x100；CAN總線速率：250 Kb；發(fā)送周期：100 ms；發(fā)送方：中控；接收方：空調(diào)控制器。

表1 空調(diào)控制CAN信號(hào)設(shè)計(jì)示例

空調(diào)反饋CAN信號(hào)的一個(gè)示例設(shè)計(jì)如表2所示，每個(gè)字節(jié)代表不同的空調(diào)功能狀態(tài)。CAN ID：0x101；CAN總線速率：250Kb；發(fā)送周期：100ms；發(fā)送方：空調(diào)控制器；接收方：中控。

表2 空調(diào)反饋CAN信號(hào)設(shè)計(jì)

6 總結(jié)

充分利用電動(dòng)汽車上所用的電動(dòng)空調(diào)的可控性及現(xiàn)有智能中控平臺(tái)的可擴(kuò)展性，可以將傳統(tǒng)的空調(diào)控制面板取消，改用智能中控的觸摸屏虛擬實(shí)現(xiàn)，并將空調(diào)的控制需求通過CAN總線發(fā)送給空調(diào)控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的控制，這種方案不但可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)手動(dòng)空調(diào)的各種功能，而且通過增加對(duì)車內(nèi)環(huán)境溫度的檢測(cè)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的自動(dòng)控制；而空調(diào)面板本身虛擬化后，其人機(jī)交互界面也可以不斷更新，可以做出各種酷炫效果和個(gè)性化的空調(diào)面板而無需任何硬件改動(dòng)及增加硬件成本，具有很好的市場(chǎng)實(shí)用價(jià)值。

［1］王怡潔.Google推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)進(jìn)程［J］.汽車與配件，2014（27）： 31-33.

［2］曹中義.電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)解決方案［J］.汽車電器，2008（3）： 1-4.

［3］蔡黎，代妮娜，鄧明.基于OBD協(xié)議的Android平臺(tái)汽車虛擬儀表設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37 （12）：83-86.

［4］鄭昕斌.基于CAN總線的汽車自動(dòng)空調(diào)控制器開發(fā)［J］.機(jī)電技術(shù)，2012（2）：122-125.

［5］李風(fēng)雷.新能源車用空調(diào)壓縮機(jī)控制板的CAN通信系統(tǒng)開發(fā)［J］.測(cè)控技術(shù)與儀器儀表， 2012， 5 （1）： 36-39，53.