總線式智能化汽車室內(nèi)燈光控制技術(shù)

曹 陽

（華域視覺科技（上海）有限公司，上海 201821）

引言

汽車自動駕駛技術(shù)日益成熟，如果自動駕駛汽車在不久的將來全面普及，那么整個車燈行業(yè)可能會發(fā)生比較大的變化，這種變化來自于自動駕駛汽車對車燈的外部照明和信號提示的功能的要求可能會弱化，而對汽車室內(nèi)燈光的要求可能會越來越高。因為那時的汽車已演變成為一個可以移動的客廳，人們對自家客廳燈光效果的追求那是永無止境的。

節(jié)能環(huán)保，智能化，網(wǎng)絡(luò)化，這些都是未來汽車技術(shù)發(fā)展的大趨勢，也是未來汽車室內(nèi)燈光技術(shù)發(fā)展的方向。更加節(jié)能、高效、體積小、可實現(xiàn)多樣化燈光效果的LED和OLED光源毫無疑問將是汽車室內(nèi)燈光源的首選。汽車的室內(nèi)燈光也不僅局限于室內(nèi)照明，它還要根據(jù)汽車的狀態(tài)表現(xiàn)出不同的場景，根據(jù)用戶的喜好調(diào)節(jié)出不同的氛圍，甚至進一步通過智能終端設(shè)備和用戶進行互動，增添汽車室內(nèi)燈光的娛樂元素。這些功能的實現(xiàn)要求汽車室內(nèi)燈控制系統(tǒng)必須是接入汽車總線的智能化控制系統(tǒng)。

1 基本原理

1.1 汽車總線

汽車總線也稱為車載網(wǎng)絡(luò)，是有效的支持實時控制和分布式控制的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)[1]在汽車上的應(yīng)用。美國汽車工程師協(xié)會 (SAE)把車載網(wǎng)絡(luò)劃分為A、B、C、D四類。A類的LIN總線成本最低，但傳輸速率也低，適合于對實時性要求不高的控制上，比如車門、車燈等。B類網(wǎng)絡(luò)支持事件驅(qū)動，傳輸速率和成本都比較適中，最典型的是 CAN總線，目前在汽車上得到了最廣泛的應(yīng)用。傳輸速率更高的 CAN總線也屬于C類網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)lexRay總線是另一個典型的C類網(wǎng)絡(luò)，這類網(wǎng)絡(luò)有很高的速率，對實時性的要求比較高，必須涉及確定的狀態(tài)、分布式的時鐘同步等與安全相關(guān)的性能。目前FlexRay總線的硬件成本還比較高，但因為它技術(shù)優(yōu)勢明顯，滿足未來汽車發(fā)展的需求，所以可能會取代其他汽車總線成為下一代車載網(wǎng)絡(luò)的主流。D類網(wǎng)絡(luò)的特點是通信帶寬非常大但通信距離短，MOST總線是其中的典型，主要應(yīng)用在車載多媒體、影音娛樂等車載系統(tǒng)中。

當前的汽車中并不局限于一種車載網(wǎng)絡(luò)，鑒于成本和功能的考慮，往往會出現(xiàn)多種車載網(wǎng)絡(luò)的混合使用。比如利用CAN總線進行實時性高的數(shù)據(jù)傳輸和控制，而把LIN總線作為 CAN總線的補充對一些實時性要求不高的部件進行分布式控制或信息獲取的車身控制模塊。本文所設(shè)計的總線式智能化汽車室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)不僅使用了這種 CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)來進行控制，還使用了基于藍牙技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。

1.2 低功耗藍牙(BLE)技術(shù)

藍牙技術(shù)是一種短距離通信的無線電技術(shù)，它使用快跳頻和短包的方式進行通信，具有點對點或多點通信，分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點。藍牙規(guī)范從 4.0開始支持低功耗藍牙(BLE)，低功耗藍牙更加智能，可以進行長時間的休眠，在需要執(zhí)行動作時可立刻被喚醒，在3毫秒內(nèi)即可完成連接設(shè)置開始數(shù)據(jù)傳輸。它占用少的帶寬，具有超低的平均和待機功耗，可進行雙向通信，非常適合于智能終端設(shè)備的應(yīng)用。目前的智能手機都支持低功耗藍牙技術(shù)。

藍牙也是一個標準的無線通訊協(xié)議，它的標準由藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)負責統(tǒng)一的管理，符合標準的設(shè)備都可以接入連接，進行無線通信。藍牙最新的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了無線通信網(wǎng)絡(luò)的階段，稱為藍牙 mesh網(wǎng)絡(luò)，符合協(xié)議的節(jié)點可以實現(xiàn)自組網(wǎng)的功能，這對于物連網(wǎng)應(yīng)用方面意義重大，在車聯(lián)網(wǎng)方面也多了一種有效的途徑?；诘统杀镜氖瞻l(fā)器芯片，藍牙技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，在汽車的駕駛室內(nèi)，越來越多的藍牙產(chǎn)品正在出現(xiàn)。

2 設(shè)計實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

汽車室內(nèi)燈系統(tǒng)包括MRCM、SRCM和STCM三個模塊。MRCM模塊是控制系統(tǒng)的主模塊，它是車身CAN總線上的節(jié)點，可以借助 CAN總線實現(xiàn)系統(tǒng)的標定、診斷和應(yīng)用程序的下載更新的功能，同時它也是室內(nèi)燈控制系統(tǒng)內(nèi)部LIN總線的主節(jié)點，通過發(fā)送控制命令協(xié)調(diào)從節(jié)點的燈光控制，也收集從節(jié)點的當前狀態(tài)及故障信息，它還支持基于低功耗藍牙(BLE)的無線通信，通過同智能手機進行通信連接，可以實現(xiàn)汽車室內(nèi)燈光效果同手機的互動，例如燈光根據(jù)手機音樂的節(jié)奏來變換燈光場景。SRCM模塊和STCM模塊都是系統(tǒng)內(nèi)部LIN總線的從節(jié)點，負責不同燈光控制的模塊，它們通過LIN總線接受MRCM模塊的控制命令，同時把自身的狀態(tài)信息反饋給主節(jié)點。

圖1 總線式智能化汽車室內(nèi)燈系統(tǒng)圖

2.2 無線通信電路設(shè)計

TI公司的藍牙通信芯片 CC2541是一款針對低能耗Bluetooth以及2.4GHz應(yīng)用的功率優(yōu)化的片載系統(tǒng)(SoC)，它讓使用少量的物料就可建立強健的無線通信網(wǎng)絡(luò)。CC2541包含一個增強型的標準8051MCU、8KB的RAM、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲器和一些功能強大的外設(shè)，同時集成了性能優(yōu)越的RF收發(fā)器。CC2541的外圍電路可以設(shè)計的非常簡單，天線可以使用電路板的硬制天線，再加一顆晶振和少許電容電阻即可，通過串口和MRCM的主控芯片進行通信。

圖2 無線通信電路原理圖

微信藍牙智能硬件平臺設(shè)備端，也就是CC2541內(nèi)的程序主要包括8051內(nèi)核的驅(qū)動程序、微操作系統(tǒng)、BLE協(xié)議棧、微信通信協(xié)議和應(yīng)用程序。驅(qū)動程序包括串口驅(qū)動、GPIO驅(qū)動、定時器驅(qū)動等，微操作系統(tǒng)用來管理所有的軟硬件資源，BLE協(xié)議棧用來實現(xiàn)低功耗藍牙4.0協(xié)議的內(nèi)容[2]，微信通信協(xié)議則是在 BLE協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實現(xiàn)微信通信所要求的微信藍牙外設(shè)協(xié)議。

2.3 軟件功能設(shè)計

通過增加適當?shù)挠布蛙浖Y源來對傳統(tǒng)的設(shè)備進行改造，改造后的設(shè)備具備了連接網(wǎng)絡(luò)的能力，可以和外界進行信息交互，借助網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)實現(xiàn)更多更豐富的功能，具有了智能化的特點，也提高了產(chǎn)品的附加值。本文所設(shè)計的系統(tǒng)就是通過增加智能芯片CC2541和連接車身總線的電路來完成了對傳統(tǒng)汽車室內(nèi)燈系統(tǒng)的改造，從而產(chǎn)生了一種新型的智能化的汽車室內(nèi)燈系統(tǒng)。

智能化的功能可在以下幾個方面但不局限這幾個方面表現(xiàn)：一個方面是智能控制，用戶通過操作手機端的軟件可以控制汽車室內(nèi)燈光的變化，比如控制閱讀燈的亮度調(diào)節(jié)，控制室內(nèi)氛圍燈的顏色等。另一個方面是智能駕駛信息提示，根據(jù)從車身總線獲取到的信息來進行室內(nèi)燈光狀態(tài)的改變，從而給駕乘人員以信息的提示，比如根據(jù)從總線上接收的車速、前車距離(信息由ADAS模塊發(fā)送到車身總線)等信息自動調(diào)節(jié)報警場景燈光的強度，以提示駕乘人員與前車保持安全距離。還有就是設(shè)備互動的方面，比如根據(jù)連接的智能手機播放音樂的節(jié)奏來動態(tài)的調(diào)整汽車室內(nèi)的燈光氣氛，增加娛樂功能。再有就是可以把室內(nèi)燈的各種信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到云端，借助于大數(shù)據(jù)應(yīng)用，進一步提升產(chǎn)品附加值。

智能手機或 PAD等智能終端的軟件可以是開發(fā)的APP，也可以是借助于第三方智能硬件平臺開發(fā)的應(yīng)用程序，比如借助于微信的設(shè)備服務(wù)號功能開發(fā)的應(yīng)用程序。用戶通過微信掃描二維碼實現(xiàn)手機和設(shè)備的綁定，綁定后的手機打開微信進入相應(yīng)的服務(wù)號就會連接到廠家服務(wù)器，通過HTML把廠家服務(wù)器端的控制界面下載到微信服務(wù)號端，就可以實現(xiàn)同汽車室內(nèi)燈光的互動。

3 結(jié)束語

本文基于汽車總線和低功耗藍牙(BLE)技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一種新型的更加智能化的汽車室內(nèi)燈光系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三個控制模塊組成，主控制模塊負責車身總線和無線通信的信息交互，同時通過內(nèi)部LIN總線控制其他模塊的執(zhí)行，另外兩個模塊分別負責不同功能燈光的控制。本文所設(shè)計的產(chǎn)品可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的汽車室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)，同傳統(tǒng)的汽車室內(nèi)燈相比，本文所設(shè)計的系統(tǒng)除了可以實現(xiàn)多種汽車室內(nèi)燈光效果，進行智能化的燈光場景變化，還可以實現(xiàn)同用戶互動的功能，增加客戶體驗。可以預(yù)見的是智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)將會在汽車燈控領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，汽車室內(nèi)燈的發(fā)展才剛剛開始，以后的市場潛力無限。