試論LIN總線下的汽車雨刮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉宗健，李曉燕，易運(yùn)遠(yuǎn)

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用在汽車上的電子裝備逐漸增多，各種裝置之間也能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊。在汽車系統(tǒng)中一般使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，形成一個(gè)巨大的布線系統(tǒng)，讓制造維護(hù)的成本得到增加。雨刮系統(tǒng)作為汽車系統(tǒng)中十分重要的構(gòu)成，使用LIN總線技術(shù)能夠有效提高其功能性。

1 LIN總線概述

LIN總線也就是區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，能夠進(jìn)行對(duì)汽車系統(tǒng)的控制，其價(jià)格便宜、配置靈活，使其在分布式控制中被廣泛使用，作為汽車網(wǎng)絡(luò)功能的補(bǔ)充，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活。LIN總線是總線網(wǎng)絡(luò)中常見的通用協(xié)議，一般情況下使用單主多從的結(jié)構(gòu)模式。而從機(jī)節(jié)點(diǎn)并不需要諧振器就能實(shí)現(xiàn)同步。在通用接口的基礎(chǔ)上，進(jìn)行單線傳輸，總線最長(zhǎng)通信距離能夠達(dá)到40米長(zhǎng)。在LIN總線中，數(shù)據(jù)的傳輸是以報(bào)文幀的格式實(shí)現(xiàn)的，其中包含兩個(gè)部分，分別是幀頭和響應(yīng)組。同步場(chǎng)、標(biāo)識(shí)符聯(lián)合間隔場(chǎng)構(gòu)成了主任務(wù)幀頭，數(shù)據(jù)場(chǎng)聯(lián)合校驗(yàn)和場(chǎng)構(gòu)成了響應(yīng)組。在LIN網(wǎng)絡(luò)中有著很多主節(jié)點(diǎn)和諸多數(shù)量的從節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過主機(jī)節(jié)點(diǎn)作用，使得LIN連接上層網(wǎng)絡(luò)。這樣在一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)中能夠?qū)崿F(xiàn)多達(dá)十六個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接，但是其中只含括一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，其余都是從節(jié)點(diǎn)。主機(jī)任務(wù)負(fù)責(zé)對(duì)總線指令的接受，對(duì)總線傳輸報(bào)文進(jìn)行調(diào)度，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)展開監(jiān)測(cè)，能夠作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行參考。從機(jī)在接收到幀頭信息后能夠進(jìn)行是否做出應(yīng)答和發(fā)送的判斷。

2 智能雨刮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

在汽車安裝的諸多執(zhí)行器中，在雨天汽車的正常行駛需要雨刮發(fā)揮出很大作用，在雨雪天氣條件中，駕駛員的視野十分狹小，需要謹(jǐn)慎駕駛應(yīng)對(duì)路面濕滑。在雨天駕駛汽車難度大，讓駕駛員的精力受到干擾，需要具備一套完善的雨刮控制系統(tǒng)，保證汽車行駛安全。智能雨刮控制系統(tǒng)包含主控單元以及子單元，液晶屏聯(lián)合微控制器構(gòu)成了主控單元，雨量檢測(cè)、電機(jī)檢測(cè)裝置聯(lián)合驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成了子單元。在自動(dòng)狀態(tài)下的雨刮，借助于紅外傳感器檢測(cè)到雨量的大小，從而能夠?qū)τ旯螖[動(dòng)頻率自動(dòng)化和智能化的控制。子單元對(duì)于LIN總線進(jìn)行主控單元的連接，構(gòu)成了車載的LIN網(wǎng)絡(luò)。駕駛員在汽車上能夠使用液晶屏幕對(duì)雨刮實(shí)施控制，還能在屏幕上了解雨刮的狀態(tài)。

在降水量較大的天氣，雨刮電機(jī)間隔的時(shí)長(zhǎng)比較短，在降水量較小的天氣，雨刮電機(jī)間隔時(shí)長(zhǎng)也就比較長(zhǎng)。在雨刮的工作狀態(tài)下，雨量傳感器一旦發(fā)生故障，在預(yù)設(shè)間隔時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制雨刮電機(jī)。如果電機(jī)出現(xiàn)了堵轉(zhuǎn)問題，那么電樞電流必然會(huì)超出閾值電流，并維持著很長(zhǎng)一段時(shí)間，否則雨刮也出現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)原本位置。如果嘗試三次都沒有辦法，那么會(huì)回到原本位置上停止操作。與此同時(shí)LIN總線繼續(xù)發(fā)送故障報(bào)文，在液晶顯示屏上也會(huì)將故障信息反饋出來，報(bào)警功能也就得到實(shí)現(xiàn)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器模塊

使用性能好、功耗低的電子芯片作為主控單元的微控制器，這種芯片是一種16位增強(qiáng)型單片機(jī)，有著128kB ROM、8kB RAM以及2kB EEPROM，有兩個(gè)通信口、八個(gè)模塊、八個(gè)比較定時(shí)器以及兩個(gè)控制器。在整個(gè)系統(tǒng)中最為重要的輸入就是液晶模塊，本設(shè)計(jì)中使用的是z2104型號(hào)的液晶，在液晶內(nèi)部?jī)?nèi)置了控制板，屏幕是電阻屏，能夠和控制器實(shí)現(xiàn)通信，工作下對(duì)電壓的要求是12V。其中主控制器能夠利用串口對(duì)觸摸信號(hào)進(jìn)行讀取，將觸摸信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)IN總線指令。利用SCI模塊將指令發(fā)送給LIN總線，能夠?qū)ψ訂卧獙?shí)現(xiàn)控制，也能讓雨刮狀態(tài)呈現(xiàn)在液晶屏幕上。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中電源模塊提供電源，要利用蓄電池作為電源系統(tǒng)，電源電壓若小于12V，那么需要使用電平轉(zhuǎn)換的方式改變電源系統(tǒng)。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，使用芯片LM2576—5作為穩(wěn)壓芯片。這種芯片能夠?qū)崿F(xiàn)高工作效率、負(fù)載調(diào)整能力以及良好的工作性能。同時(shí)能夠讓散熱片減少體積，保證電路正常穩(wěn)定的運(yùn)作。

3.3 雨量檢測(cè)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，控制器用來進(jìn)行雨量的檢測(cè)，掌握雨量的大小情況，對(duì)雨刮擺動(dòng)的頻率進(jìn)行自動(dòng)化控制。在使用的時(shí)候，不需要駕駛員人為實(shí)施操作，讓汽車駕駛安全性得到提升。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候設(shè)計(jì)幾個(gè)檔位，和不同大小的頻率和信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，也能夠確定雨刮器頻率。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了紅外檢測(cè)裝置的使用，通過發(fā)射器發(fā)射特定角度光束，在玻璃上投射出來，再被接收器接收。但是雨滴滴落下，部分光束受到折射和散射被分散在外部，紅外接收器接受的紅外線量會(huì)少于總量。因此根據(jù)擋風(fēng)玻璃雨量的大小，需要發(fā)送刮水的請(qǐng)求，讓主控單元能夠?qū)崿F(xiàn)總線通信。

3.4 霍爾位置傳感器

系統(tǒng)中運(yùn)行傳感器監(jiān)控雨刮電機(jī)，還要對(duì)電機(jī)位置以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)到具體位置的時(shí)候，單片機(jī)對(duì)位置的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷。若位置不準(zhǔn)確，需要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)恢復(fù)到正確位置上。經(jīng)過內(nèi)部處理繼續(xù)下一步操作，讓電機(jī)能夠以最精確速度得到控制。

3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)中最為核心的構(gòu)成部分，也就是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。對(duì)電流變化進(jìn)行檢測(cè)，雨刮如果遇到堵轉(zhuǎn)的時(shí)候需要展開對(duì)應(yīng)的處理。受到成本等多個(gè)方面的影響，在分布式控制單元中使用Freescale芯片，這種芯片能夠替代驅(qū)動(dòng)器和收發(fā)器，讓外圍器件數(shù)量得到降低，讓成本得到縮減。在模塊中使用了芯片對(duì)雨刮繼電器進(jìn)行控制，利用電流反饋隨時(shí)監(jiān)控電機(jī)。在多路復(fù)用器的作用下，模擬選擇對(duì)應(yīng)的通道，同時(shí)需要使用檢測(cè)電流的形式確認(rèn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)的發(fā)生情況。一旦出現(xiàn)電流超過某閾值，故障信息被單片機(jī)接收，同時(shí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理。通過LIN總線能夠進(jìn)行傳輸，利用主控液晶屏進(jìn)行顯示。片內(nèi)集成收發(fā)器通過模塊讓數(shù)據(jù)鏈路層的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)LIN協(xié)議，讓總線的通信功能得以實(shí)現(xiàn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

利用電機(jī)檢測(cè)模塊落實(shí)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)，在檢測(cè)信息同時(shí)發(fā)送給解析和控制模塊之后，經(jīng)過分析，能夠完成電機(jī)的控制，在解析處理檢測(cè)信息之后，將檢測(cè)信息發(fā)送給LIN通信、功能處理模塊，再傳送給LIN總線，網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)的通信功能得以實(shí)現(xiàn)。診斷模塊接收處理模塊信息了解到故障信息，形成診斷結(jié)果，利用LIN通信模塊讓其獲得通信功能?？刂颇K借助于檢測(cè)信息判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過輸出轉(zhuǎn)速對(duì)比檢測(cè)轉(zhuǎn)速，在算法優(yōu)化之后能夠得出控制優(yōu)化。通過LIN總線向主控單元發(fā)送雨刮電機(jī)電流閾值，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)初始化處理。另外，LIN總線能夠讓主控單元得到信號(hào)的輸入，對(duì)雨刮電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，對(duì)電樞的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，和閾值電流進(jìn)行對(duì)比。假設(shè)電流的實(shí)際值有三次超過了閾值，那么需要讓雨刮電機(jī)恢復(fù)原本位置上，制停雨刮動(dòng)作。在這個(gè)流程下，子控制器會(huì)將目前系統(tǒng)狀態(tài)的各類參數(shù)反饋給主控制器，在顯示器中實(shí)時(shí)顯示出來。

5 測(cè)試

在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，使用示波器采集全部LIN總線信號(hào)。了解信號(hào)波形，能夠看出報(bào)文幀中含有兩個(gè)部分，分別是幀頭和響應(yīng)組，而報(bào)文中間也就是中斷場(chǎng)。信號(hào)的電壓峰值達(dá)到了11．2V，這也表明著LIN總線的供電模式使用的是12V，也就是說電樞電流常態(tài)下的值為6A。如果人為因素導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)，電流會(huì)出現(xiàn)升高，可能會(huì)升高至10A。在系統(tǒng)工作一段時(shí)間之后，雨刮電機(jī)恢復(fù)到原本位置，不再進(jìn)行刮水的動(dòng)作。經(jīng)過多次測(cè)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，這樣系統(tǒng)才能完全依照雨量大小進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的控制，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

6 結(jié)語

綜上所述，本文研究了智能雨刮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先需要設(shè)計(jì)智能雨刮控制系統(tǒng)的實(shí)施方案，在硬件設(shè)計(jì)上，使用控制器模塊、電源模塊、雨量檢測(cè)、霍爾位置傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過紅外、電流檢測(cè)以及液晶主控完成檢測(cè)和控制，根據(jù)雨量的大小完成智能控制。在軟件設(shè)計(jì)上接入LIN網(wǎng)絡(luò)，在降低成本的基礎(chǔ)上，保證安全。最后需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、達(dá)到預(yù)期目標(biāo)基礎(chǔ)之上，才能投入使用。