基于LIN總線的雨量燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

吳成加

(安徽安凱汽車股份有限公司,合肥 230051)

雨量燈光傳感器(RLS)是裝在汽車上的新型傳感器，將紅外式雨量傳感器以及環(huán)境光傳感器集于一體，通過LIN總線接口與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，可實(shí)現(xiàn)前刮水器、前大燈的自動(dòng)控制。自動(dòng)雨量控制系統(tǒng)能自動(dòng)感知車外降雨量，調(diào)節(jié)刮水器刮水頻率，比人工控制更安全。夜間會(huì)車時(shí)遠(yuǎn)光燈會(huì)給對面車的駕駛員造成干擾,存在事故隱患；在白天車輛進(jìn)入隧道、車庫、橋洞等環(huán)境時(shí),因不能及時(shí)開啟前大燈,也給安全行車帶來隱患。自動(dòng)燈光控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)感知車外光照情況，自動(dòng)開啟前大燈；在夜間會(huì)車時(shí),能自動(dòng)關(guān)閉遠(yuǎn)光燈。通過軟件控制，還可以實(shí)現(xiàn)雨天自動(dòng)關(guān)窗或自動(dòng)開啟位置燈提醒行人、車輛注意行車安全等功能。

1 雨量燈光傳感器控制原理

1.1 刮水器電機(jī)的控制原理

手動(dòng)控制的汽車刮水器電機(jī)工作原理如圖1所示,控制單元共有4根線(低速線、高速線、復(fù)位線和搭鐵線)與刮水器電機(jī)相連。低速線和高速線由繼電器或刮水器開關(guān)控制,圖中刮水器開關(guān)低速擋接通時(shí)，刮水器開關(guān)2、4腳短接，高速擋接通時(shí)，刮水器開關(guān)3、4腳短接，分別給電機(jī)低速、高速線圈供電,實(shí)現(xiàn)不同電機(jī)轉(zhuǎn)速控制；當(dāng)關(guān)閉刮水器開關(guān)時(shí),開關(guān)1、2腳短接,通過刮水器電機(jī)復(fù)位開關(guān)ab之間接通，將電樞繞組AB短接,產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)轉(zhuǎn)慣性方向相反的制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，將刮水器停在前擋玻璃下方設(shè)定位置[1-2]。

圖1 開關(guān)控制電源線的雙速刮水器電路(圖示為停止位置)

在自動(dòng)控制模式下,由兩個(gè)硬件接口分別給刮水器電機(jī)高速線圈、低速線圈供電，再由軟件控制硬件電源的接通或斷開，使刮水器電機(jī)工作在高速、低速、間歇工作狀態(tài)。并根據(jù)刮水器復(fù)位信號來實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，使刮水器停止工作。

1.2 雨量燈光傳感器控制系統(tǒng)工作原理

RLS主要分為電容式和紅外式[3-7]。電容式雨量傳感器根據(jù)雨量的變化引起電容介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容變化，即通過測量電容的變化來感知雨量的大小。紅外式雨量傳感器工作時(shí)，從紅外發(fā)光二極管射出的光線有一部分由車窗玻璃表面反射回來，通過光學(xué)元件聚集后照射到光電二極管上。如果車窗玻璃上有水滴或水層，紅外發(fā)光二極管光線的反射程度和照射到光電二極管上的光通量就會(huì)發(fā)生變化。玻璃越濕，因光線折射作用而反射的光線越少，因此可以利用光電二極管的輸出電信號計(jì)算雨量。光照傳感器由環(huán)境光線傳感器和遠(yuǎn)距離探測傳感器組成,環(huán)境光線傳感器探測車輛周圍環(huán)境的光線情況，遠(yuǎn)距離探測傳感器探測行駛方向光線情況。

RLS內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)LIN通訊接口，與控制系統(tǒng)相連接，不同類型車輛的玻璃參數(shù)有所不同，如玻璃厚度、傾斜角度、玻璃曲率、透光率等。另外玻璃的顏色深度會(huì)導(dǎo)致透光率發(fā)生相應(yīng)改變。想要RLS達(dá)到最佳工作狀態(tài),需要對這些參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的配置或調(diào)整，同時(shí)，每個(gè)駕駛員對雨情變化時(shí)刮水器所表現(xiàn)的刮水頻率需求(控制系統(tǒng)的靈敏度)也不一樣，需要通過一個(gè)靈敏度開關(guān)來調(diào)整RLS的靈敏度[8]。

控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)上述需求生成相應(yīng)的控制參數(shù)，通過LIN總線接口，將配置參數(shù)寫入RLS內(nèi)部。RLS自動(dòng)感知車外雨量的大小，并將信息傳送給控制系統(tǒng)執(zhí)行刮水器輸出。RLS內(nèi)部的光照傳感器可感知車外光照條件的明暗變化，如圖2所示，圖中展示了一天當(dāng)中不同時(shí)刻傳感器采集到的光照強(qiáng)度變化曲線，可根據(jù)光照強(qiáng)度的變化區(qū)分出白天、黃昏、夜晚、隧道、地下停車場等光照情況。將光照信息通過LIN總線傳送給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制前大燈或位置燈的開啟或關(guān)閉。

圖2 光照強(qiáng)度傳感器環(huán)境識別示意圖

2 雨量燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)雨量燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3所示,雨量燈光控制器(ECU)接收到LIN總線信息，并結(jié)合車身模塊信息、儀表信息和外部開關(guān)信號進(jìn)行運(yùn)算，最終輸出相應(yīng)的控制信號，控制燈光和刮水器電機(jī)，或通過CAN網(wǎng)絡(luò)將控制信號發(fā)送給車身控制模塊。ECU還可以接收儀表臺輸出的開關(guān)信號，控制刮水器、燈光。ECU通過接收儀表臺的參數(shù)設(shè)置、靈敏度調(diào)節(jié)信息，通過LIN總線將該信息寫入RLS進(jìn)行工作模式及工作狀態(tài)設(shè)置。控制輸出部分由車身控制模塊實(shí)現(xiàn)，車身模塊通過電平信號或CAN網(wǎng)絡(luò)接收ECU輸出信號對燈光、刮水器進(jìn)行控制，并將當(dāng)前狀態(tài)反饋給ECU。

圖3 自動(dòng)雨量燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和車型，系統(tǒng)還增加了輔助控制或并行控制功能，即在保留CAN通訊模式情況下，增加了電平控制和并行控制功能；在沒有CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，通過ECU外部電平信號實(shí)現(xiàn)對車身控制模塊控制及信號采集；在ECU停止工作時(shí)，可通過儀表臺刮水器開關(guān)控制刮水器電機(jī)輸出,提升了系統(tǒng)的冗余性和可靠性。

雨量燈光控制器ECU模塊硬件采用Freescale系列8位HCS08微處理器，片上資源包括ADC、MSCAN、SCIx、TPMx、EEPROM等功能模塊，它有助于降低成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的性能并提高產(chǎn)品的質(zhì)量[9]。

2.2 雨量燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1) LIN通訊軟件設(shè)計(jì)。RLS與雨量燈光控制系統(tǒng)ECU之間的LIN總線通訊按照主從模式工作[10-12]。ECU工作在主任務(wù)控制模式下，RLS工作在從機(jī)模式下，系統(tǒng)中只有一個(gè)LIN從機(jī)節(jié)點(diǎn)。RLS與ECU之間采用應(yīng)答方式進(jìn)行通訊，ECU發(fā)送給RLS的命令幀信息包括了寫入主設(shè)備的控制及配置信息，主要是告知傳感器當(dāng)前的外部狀態(tài)，如溫度、速度、玻璃類型、點(diǎn)火開關(guān)的狀態(tài)、刮水器的當(dāng)前位置等信息。ECU從RLS讀取數(shù)據(jù)是由ECU向RLS發(fā)送指定的請求信息幀來實(shí)現(xiàn)，RLS接收到ECU請求信息幀后，向ECU返回自身的檢測信息及相關(guān)的配置信息，包括雨量強(qiáng)度、刮水器速度、外部環(huán)境光檢測狀態(tài)、軟硬件版本信息等內(nèi)容。為了保證LIN的通信具有可預(yù)測性，ECU在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段對上述信息的發(fā)送通過確定調(diào)度表進(jìn)行間隔發(fā)送，負(fù)責(zé)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)各幀發(fā)送的順序，為每條幀分配發(fā)送時(shí)間間隙。

2) CAN通訊軟件設(shè)計(jì)。ECU模塊與車身控制模塊之間的通訊采用CAN通訊方式。ECU模塊在接收到RLS的雨量及燈光控制信息后,對信息進(jìn)行解析,獲得刮水器電機(jī)的控制信息及燈光控制信息,將其轉(zhuǎn)換為CAN信號,同時(shí)判斷ECU的外部輸入端口、采樣信息，綜合判斷后輸出控制信息，并通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車身控制模塊，由車身控制模塊控制燈光、刮水器工作。當(dāng)降雨停止，刮水器刮水片到達(dá)前擋玻璃下限位置,刮水器電機(jī)復(fù)位輸出信號時(shí)，該信息被ECU采集，ECU輸出停止信息，并通過CAN網(wǎng)絡(luò)輸出給車身模塊，停止刮水器的輸出。

2.3 應(yīng)用效果

1) 通過噴壺分別模擬不同降雨量情況，對系統(tǒng)進(jìn)行測試，并對RLS輸出的雨量信號、ECU接收到的刮水器電機(jī)復(fù)位信號進(jìn)行同步監(jiān)測，一個(gè)典型的刮刷過程如圖4(a)所示。向前擋噴水時(shí)，系統(tǒng)通過檢測RLS的測量值，并根據(jù)降雨量的大小和頻率執(zhí)行相應(yīng)速度的輸出；停止噴水后，當(dāng)玻璃上的水被刮凈時(shí)，刮水器電機(jī)停止輸出。

(a)刮水器的刮刷過程

(b)光照強(qiáng)度與傳感器的靈敏度圖4 刮水器系統(tǒng)應(yīng)用效果

2) 當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度改變時(shí)，為更好地適應(yīng)光照變化即時(shí)開啟燈光，軟件自動(dòng)優(yōu)化傳感器的光照靈敏度，其優(yōu)化等級取決于外部環(huán)境光照強(qiáng)度，如圖4(b)所示，白天外部光線較強(qiáng)，傳感器靈敏度為正常值，燈光關(guān)閉。當(dāng)外部光照強(qiáng)度減弱時(shí)，靈敏度自動(dòng)增加，如果軟件判斷外部光照強(qiáng)度減弱到其閥值時(shí)，軟件判斷為黃昏狀態(tài)，ECU輸出位置燈開啟信號。當(dāng)外部環(huán)境光進(jìn)一步減弱時(shí)，光照傳感器靈敏度進(jìn)一步增加，如果軟件判斷外部光照強(qiáng)度減弱到其另一閥值時(shí)，判斷為夜晚狀態(tài)，ECU輸出位置燈和近光燈開啟信號。

3 結(jié)束語

本文論述的基于LIN總線接口的一體式雨量燈光傳感器的自動(dòng)控制系統(tǒng)與車身電器控制系統(tǒng)相連接，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制、輔助控制或獨(dú)立控制，可廣泛應(yīng)用于各種不同類型的車輛前刮水器和前大燈的自動(dòng)控制，替代傳統(tǒng)手動(dòng)操作，能夠提高駕車的安全性和舒適性。