基于MC9S12G128的CAN總線汽車組合開關的電子設計

鄭小帆，梁志剛，程來炯

(1.黃山學院 機電工程學院,安徽 黃山245041；2.昌輝汽車電器股份公司,安徽 黃山245436)

0 引言

汽車組合開關作為汽車電器配件的關鍵部件之一，其性能的優(yōu)劣影響著整車的性能。隨著汽車工業(yè)和電子技術的發(fā)展，組合開關也朝著電子化[1，2]，智能化方向發(fā)展[3]。從汽車線束角度分析，傳統(tǒng)的組合開關大多以硬線方式輸出，組合開關與其他模塊之間的連線復雜。在汽車使用的過程中線束連接問題也成為組合開關質量問題中主要的一種失效模式[4]。同時模塊在信號采集的過程中存在的不匹配問題也是造成開關功能失效的重要原因之一，例如需要進行AD采樣的信號在接觸電阻和采樣消抖時間上存在不匹配問題導致開關失效[5]。本文介紹了基于CAN總線通信的汽車組合開關[6，7]電子設計，該組合開關具有UDS診斷[8，9]、網(wǎng)絡管理[10]、Boot?loader[11-13]等功能，可以減少整車線束的使用，降低成本、提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性、減少與其他模塊存在的不匹配問題，降低了因不匹配導致的質量問題發(fā)生的概率。另外組合開關可進行故障模式的診斷，便于檢修和故障定位。

1 總體設計方案

本設計以NXP的MC9S12G128和UJA1076芯片為核心，包括硬件電路設計和軟件程序設計。硬件部分包括了開關的按鍵信號輸入電路、CAN信號收發(fā)電路、電源電路等。硬件電路框圖如圖1所示。軟件設計包括了功能信號輸出、UDS診斷、網(wǎng)絡管理、Bootloader等程序。開關信號通過MC9S12G128的IO口和AD口輸入，然后通過CAN信號發(fā)送給其他模塊。開關信號輸出只需要電源、地、CANH、CANL 4根線即可實現(xiàn)。

圖1 硬件電路框圖

2 組合開關的硬件設計

2.1 核心器件選擇

核心控制芯片采用NXP公司16位高性能微控制器MC9S12G128，工作溫度范圍-40℃-125℃，可靠性高。該控制器具有8KB內(nèi)部RAM，128KB片內(nèi)Flash存儲器，4KB內(nèi)部E2PROM，1路MSCAN外設用于CAN總線，12個10位A/D，3路SCI，總線時鐘可達25MHz。

2.2 電源和CAN通信模塊設計

整車為組合開關提供的電源電壓范圍為9-16V，要求在睡眠模式下的靜態(tài)電流小于1mA。綜合選取集成高速CAN收發(fā)器、電壓調節(jié)器和看門狗功能的UJA1076芯片。芯片可為微控制器提供最大電流250mA的5V電壓。具有極好的電磁兼容性(EMC)性能和極低的靜態(tài)電流，帶有喚醒源檢測，可通過CAN總線或本地喚醒引腳進行喚醒。高速CAN收發(fā)器符合ISO11898-2和ISO11898-5標準。

2.3 按鍵信號電路

組合開關的左右轉向燈信號、超車燈信號等電路有閉合和開路狀態(tài)，通過電阻上拉到電源，并增加100K限流電阻和IO的保護電容。圖2所示是芯片IO口的信號處理電路。

圖2 芯片IO口的信號處理電路

前雨刮開關包括快、慢、單次、關信號，采用電阻編碼形式，其信號輸入到單片機A/D口。圖3所示是AD口信號處理電路。

圖3 AD口信號處理電路

2.4 PCB設計

在電路原理圖設計的基礎上，設計組合開關的線路板。根據(jù)已經(jīng)確定的電路板尺寸和各項機械定位，合理放置接插件、按鍵/開關、螺絲孔、裝配孔、鍍金盤等。為了盡可能滿足EMC要求，在PCB布線過程中要注意：1.CANH、CANL信號線盡量短，并要求平行等長；2.布線避免直角和銳角；3.線中心間距不小于線寬的3倍；4.信號線與其回路構成的環(huán)路面積盡量小；5.布線長度盡可能短；6.時鐘信號線要用地線包圍。

3 軟件設計

組合開關的軟件功能設計包括休眠和喚醒、應用功能、診斷、Bootloader等。

3.1 休眠和喚醒

開關在IGN斷電時，若遠光燈信號為OFF、閃光燈信號為OFF、前雨刮MIST為OFF情況下，在一定時序內(nèi)未接收到CAN網(wǎng)絡管理的保持命令，組合開關模塊要進入睡眠模式。開關在IGN斷電時，出現(xiàn)下列任一情況后組合開關被喚醒：接收到CAN網(wǎng)絡管理的喚醒命令、檢測到近光燈信號為ON、檢測到閃光燈信號為ON。

3.2 開關功能

開關的輸入處理邏輯提供以下功能：監(jiān)測開關的工作電壓，濾波，防止誤操作；物理信號到CAN信號的轉化；對邏輯信號的診斷監(jiān)控。開關信號關系圖如圖4所示。

圖4 開關信號關系圖

3.3 UDS故障診斷

開關具備故障診斷功能，根據(jù)自檢測結果判斷是否產(chǎn)生故障，并將故障的狀態(tài)信息通過CAN總線發(fā)送給相應模塊。故障自診斷的范圍包含CAN網(wǎng)絡通信BUSOFF故障，開關信號對地或對電源短路故障、開關卡滯故障、蓄電池電壓超過正常運行范圍的異常情況等。自診斷的故障列表見表1。

表1 自診斷的故障列表

3.4 網(wǎng)絡管理

網(wǎng)絡管理的主要任務是保證網(wǎng)絡通信安全可靠。網(wǎng)絡管理包括直接網(wǎng)絡管理和間接網(wǎng)絡管理。直接網(wǎng)絡管理的基本功能包括協(xié)調網(wǎng)絡節(jié)點同步進入睡眠模式、檢測和監(jiān)控網(wǎng)絡的配置、提供系統(tǒng)狀態(tài)。根據(jù)《Open Systems and the Corre?sponding Interface for Automotive Electronics-OS?EK/VDX Network Management》中的算法建立邏輯環(huán)的通信機制。間接網(wǎng)絡管理主要包括網(wǎng)絡通信的啟動、網(wǎng)絡通信的關閉、節(jié)點監(jiān)控、錯誤處理。系統(tǒng)的網(wǎng)絡狀態(tài)轉換圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡狀態(tài)轉換圖

3.5 Bootloader

Bootloader代碼是系統(tǒng)加電后運行的第一段軟件代碼，它能實現(xiàn)用戶程序的引導啟動和應用程序更新兩個功能。上電/復位后，Bootloader部分的代碼首先被執(zhí)行。Bootloader執(zhí)行系統(tǒng)的初始化后，查詢是否有外部重編程的請求。若有外部重編程的請求，執(zhí)行Flash-Bootloader程序，若無外部重編程請求，檢查應用程序的狀態(tài)。如果應用程序有效，ECU正常執(zhí)行用戶應用程序，如果應用程序無效，ECU繼續(xù)執(zhí)行Flash-Bootloader程序，且Bootloader的默認會話被激活。Bootloader功能的啟動流程如圖6所示。

圖6 Bootloader啟動流程圖

4 結論

本文設計的組合開關改變了傳統(tǒng)的硬線輸出方式，采用CAN總線通訊進行信號傳輸，減少線束使用，方便車內(nèi)布線。在設計的過程中充分考慮了實際應用的低功耗、低成本的要求，在軟件和硬件上進行了有效的低功耗設計和處理。經(jīng)測試，其性能良好，在休眠模式下的靜態(tài)電流為0.3mA，滿足整車對組合開關的靜態(tài)電流要求。經(jīng)過軟、硬件結合調試，開關滿足主機CAN總線網(wǎng)絡管理技術要求、UDS診斷規(guī)范、OSEK網(wǎng)絡管理測試規(guī)范、電磁兼容性要求等技術規(guī)范。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和科技水平的提高，產(chǎn)品不斷進步，基于CAN信號通信的汽車組合開關會不斷被接受，具有較大的應用價值。