基于LIN總線的車載電子鐘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)

楊琴　黃正午　覃川　楊漢飛　羅逍

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有車載電子鐘的人機(jī)交互體驗(yàn)問(wèn)題，提出一種基于LIN總線的電子鐘控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種嵌入屏式電子鐘封裝，實(shí)現(xiàn)了電子鐘的自動(dòng)校時(shí)與背光顯示的功能。新型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，省去了調(diào)節(jié)鍵的設(shè)計(jì)，從而解決了人機(jī)交互體驗(yàn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電子鐘 LIN總線 多媒體主機(jī)

隨著4G/5G網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，基于車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越豐富，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的急據(jù)增加，導(dǎo)致汽車電子控制單元安裝空間緊缺與線束布置復(fù)雜化。合理地分配網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與布局電子控制單元，可以簡(jiǎn)化線束布置，降低整車重量，提升零件的平臺(tái)化利用率，為整車研發(fā)節(jié)約成本。

LIN總線（Local Interconnect Network局部互聯(lián)網(wǎng)）是基于UART/SCI（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter/Serial Communication Interface 通用異步收發(fā)器/串行通信接口）定義的一種低成本串行通信網(wǎng)絡(luò)[1]。網(wǎng)絡(luò)主要由一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，總線為一根單線電纜，從機(jī)無(wú)需高精度的時(shí)鐘源可以完成自同步。LIN總線在汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中負(fù)責(zé)局部通訊，是對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)通訊的一種補(bǔ)充，適用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、性能或容錯(cuò)功能沒(méi)有過(guò)高要求的舒適性系統(tǒng)[2]，如雨刮系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)[3]、四門升降系統(tǒng)、天窗系統(tǒng)與電動(dòng)后視鏡系統(tǒng)[4]等等。LIN總線由于單線性、低成本、定向傳輸與低延遲等卓越性能，已經(jīng)成為汽車分布式電子控制系統(tǒng)上應(yīng)用最為廣泛的一種通訊網(wǎng)絡(luò)。

電子鐘作為汽車內(nèi)飾中重要的裝飾部件，廣泛應(yīng)用于中高端汽車。傳統(tǒng)車型電子鐘一般采用按鍵控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，采用開關(guān)來(lái)控制夜間的背光顯示。按鍵控制策略對(duì)電子鐘晶源精度要求較高，如使用低精度的晶源，使用時(shí)間長(zhǎng)了，會(huì)出現(xiàn)走時(shí)不準(zhǔn)，斷電后要重新手動(dòng)調(diào)整時(shí)間，人機(jī)交互體驗(yàn)難以滿足用戶需求，且按鍵需匹配造型設(shè)計(jì)，難以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化，本文提出一種基于LIN總線的車載電子鐘控制系統(tǒng)，將位于車身控制器上的GPS時(shí)間信號(hào)、電源信號(hào)與小燈信號(hào)通過(guò)LIN總線傳輸給電子鐘微處理器，實(shí)現(xiàn)電子鐘的自動(dòng)校準(zhǔn)與背光顯示功能，省去了調(diào)節(jié)按鍵，且不需要高精度的時(shí)鐘源，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便和時(shí)間顯示精度高的特點(diǎn)。

1 電子鐘總體架構(gòu)

電子鐘利用指針顯示為用戶提供小時(shí)與分鐘顯示功能。在常溫下，電子鐘精度的設(shè)計(jì)目標(biāo)是需求每天的誤差小于1秒。電子鐘主要是通過(guò)獲取網(wǎng)絡(luò)上的全球定位衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)間信號(hào)（時(shí)、分、秒），與電子鐘的機(jī)芯時(shí)間對(duì)比，如果時(shí)間誤差超過(guò)1秒，先通過(guò)電源信號(hào)對(duì)電子鐘進(jìn)行自動(dòng)歸零，再重新對(duì)電子鐘機(jī)芯時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間的目的。汽車電子控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較復(fù)雜，可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好、斷網(wǎng)與斷電等不可預(yù)測(cè)的情況，導(dǎo)致電子鐘時(shí)間顯示不準(zhǔn)，可以通過(guò)重新給汽車上電啟動(dòng)來(lái)重置電子鐘與調(diào)整時(shí)間，無(wú)需手動(dòng)操作電子鐘，就能達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間的目的，給用戶帶來(lái)舒適的體驗(yàn)。

車載電子鐘總體設(shè)計(jì)主要由多媒體主機(jī)、車身控制器、微處理器、背光驅(qū)動(dòng)模塊、背光顯示模塊，與微處理器相連的步進(jìn)電機(jī)、接口轉(zhuǎn)換模塊與電源模塊八部分組成?？傮w設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示，多媒體主機(jī)通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)獲取GPS時(shí)間信號(hào)，經(jīng)CAN指令交互，將GPS時(shí)間信號(hào)送到車身控制器，經(jīng)LIN指令交互，將GPS時(shí)間信號(hào)送到電子鐘微處理器，微處理器控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電子鐘校時(shí)。車身控制器將小燈信號(hào)傳輸至電子鐘微處理器，經(jīng)背光驅(qū)動(dòng)模塊顯示背光。

2 電子鐘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種嵌入屏式的電子鐘，外觀封裝圖見(jiàn)圖2，電子鐘嵌入式布置在中控大連屏上，以大連屏為電子鐘鏡面，電子鐘固定在大連屏本體上，通過(guò)3顆螺釘緊固。電子鐘底座采用定位結(jié)構(gòu)、防錯(cuò)結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，使電子鐘底座與大連屏本體緊密貼合，大連屏內(nèi)部嵌入軟膠圈，電子鐘前蓋與膠圈過(guò)盈配合，軟接觸確保零件的安裝精度，不僅可以防止水汽進(jìn)入電子鐘，而且可以防止鏡面漏背光。

3 電子鐘硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

車載電子鐘控制系統(tǒng)主要由主芯片模塊、電源模塊與LIN控制模塊三部分組成。具體電氣原理圖見(jiàn)圖3。車身控制器通過(guò)LIN總線輸出電源信號(hào)、小燈信號(hào)與GPS時(shí)間信號(hào)，經(jīng)LIN IC模塊將串口信號(hào)傳輸給電子鐘MCU存儲(chǔ)。MCU讀取相應(yīng)的指令，控制時(shí)鐘的機(jī)芯，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，從而帶動(dòng)時(shí)鐘指針。

電子鐘的機(jī)芯采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)確保走時(shí)精準(zhǔn)。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部具有一個(gè)電磁回路、一個(gè)帶60倍降速功能的齒輪與一個(gè)帶12倍降速功能的串級(jí)齒輪。電磁回路由兩個(gè)線圈、一個(gè)定子和一個(gè)具有雙極永久磁鐵的轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)給線圈輸入一定的波形信號(hào)，就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。60倍降速功能的齒輪負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)分針，帶12倍降速功能的串級(jí)齒輪負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)時(shí)針。MCU每60秒發(fā)送一串脈沖序列，驅(qū)動(dòng)機(jī)芯分針軸轉(zhuǎn)動(dòng)6°，分針軸每轉(zhuǎn)動(dòng)360°，時(shí)針軸轉(zhuǎn)動(dòng)6°。

MCU根據(jù)電源信號(hào)狀態(tài)控制電子鐘的自動(dòng)歸零;根據(jù)小燈信號(hào)狀態(tài)控制背光顯示;MCU定時(shí)讀取GPS時(shí)間信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)抽，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)指針，達(dá)到顯示時(shí)間的目的。電子鐘工作模式由休眠模式與微步驅(qū)動(dòng)模式兩部分組成。在無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)或車身控制器無(wú)信號(hào)的條件下，啟動(dòng)休眠工作機(jī)制，不接收GPS時(shí)間信號(hào)，時(shí)鐘自己走時(shí)，分針一分鐘跳動(dòng)6°，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，時(shí)針走1小時(shí)，確保電子鐘的正常運(yùn)行;在有網(wǎng)絡(luò)的條件下，啟動(dòng)微步驅(qū)動(dòng)工作機(jī)制，實(shí)時(shí)同步LIN總線上的時(shí)間信號(hào)，保持與總線上的時(shí)間信號(hào)一致。兩種工作機(jī)制互補(bǔ)，確保電子鐘工作機(jī)制穩(wěn)定可靠。

3.1.1 主芯片模塊

從電子鐘內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、綜合性能與批量生產(chǎn)成本考慮，主芯片模塊采用PIC16（L）F15345-E/SS作為車載電子鐘的核心微處理器，該芯片是NXP公司研發(fā)的一款8位的20引腳的微處理器，具有模擬、核心獨(dú)立外設(shè)和通信外設(shè)接口，結(jié)合超低功耗技術(shù)，廣泛適用于汽車通用設(shè)備和低功耗應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1.2 電源模塊

電源模塊為電子鐘提供直流電源，一般為直流穩(wěn)壓芯片。本設(shè)計(jì)的輸入為蓄電池輸出的+12V電壓，基于蓄電池供電的電子控制系統(tǒng)種類很多，如：燈光系統(tǒng)、雨刮系統(tǒng)、音響系統(tǒng)等等，一般很難保證穩(wěn)定的輸出，所以系統(tǒng)有必要設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源芯片，輸出穩(wěn)定的電壓給主控單元。

電源模塊采用MICROCHIP的MCP1804-5002I/MB穩(wěn)壓電源芯片，輸出5V直流為電子鐘主芯片模塊與LIN控制模塊供電，供電電路如圖4所示。電源模塊設(shè)有輸入反接保護(hù)與抗干擾。二級(jí)管具有單向?qū)щ娦?，即在通過(guò)正向電壓時(shí)可以導(dǎo)電，通過(guò)反向電壓時(shí)不導(dǎo)電。在穩(wěn)壓電源芯片PIN腳上布置二級(jí)管，做輸入反接保護(hù)，可以防止電源穩(wěn)壓芯片被反向電流擊穿。去耦電容是布置在元器件電源端的電容，在電路中的主要作用是提供穩(wěn)定的電源，同時(shí)降低元器件耦合到電源端的噪聲。在穩(wěn)壓電壓芯片電源端布置去耦電容，可以有效切斷外部電路的高低頻干擾。

3.1.3 LIN控制模塊

LIN控制模塊是連接車身控制器與電子鐘MCU之間的接口，是電子鐘硬件電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵模塊。車身控制器將電源狀態(tài)信號(hào)、時(shí)間信號(hào)與小燈信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的時(shí)序經(jīng)LIN總線傳輸給LIN控制模塊，經(jīng)LIN控制模塊再傳輸給主芯片模塊存儲(chǔ)器， 主芯片模塊讀取相應(yīng)的指令，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電子鐘的自動(dòng)歸零、自動(dòng)校時(shí)、實(shí)時(shí)同步和背光顯示功能。

本設(shè)計(jì)中采用TJA1027T作為L(zhǎng)IN控制模塊的通訊芯片，TJA1027T是NXP公司研發(fā)的一低功耗的收發(fā)器，主要用于波特率高達(dá)20kbd的車載子網(wǎng)，兼容LIN 2.0、LIN 2.1、LIN 2.2、LIN 2.2 a、SAE J2602，具有極低的電磁輻射。在遠(yuǎn)程LIN喚醒的休眠模式下，電流消耗非常低，可以很好的配合主芯片模塊對(duì)電子鐘控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。在睡眠模式與遠(yuǎn)程LIN喚醒支持3.3 V和5V，本設(shè)計(jì)采用5V，具體的LIN IC電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.2 電子鐘接口設(shè)計(jì)

3.2.1 接口設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電子鐘通過(guò)按鍵控制的策略，其采樣頻率占用MCU資源，對(duì)時(shí)鐘MCU的工作效率有較大的影響，存在時(shí)鐘精度問(wèn)題。接口有5路信號(hào)，由電源、地、小燈信號(hào)、頻率信號(hào)1與頻率信號(hào)2組成。本文設(shè)計(jì)的電子鐘采用LIN規(guī)范，通過(guò)3根線（電源、地、LIN）實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字接口，小燈信號(hào)與時(shí)間信號(hào)通過(guò)LIN單線通信，接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活。LIN通信的電子鐘不僅省去了調(diào)節(jié)鍵的設(shè)計(jì)，還大大簡(jiǎn)化了線束的復(fù)雜性。電子鐘接口設(shè)計(jì)具體見(jiàn)圖6，針腳定義與線徑需求見(jiàn)表1。

4 電子鐘通訊協(xié)議

LIN總線作為CAN總線的輔助網(wǎng)絡(luò)，具有單線性、低成本與低延時(shí)等特點(diǎn)。電子鐘采用標(biāo)準(zhǔn)的LIN發(fā)送，BCM作為主節(jié)點(diǎn)，電子鐘為從節(jié)點(diǎn)，通信波特率為19200Bit/s，通訊矩陣狀態(tài)信息見(jiàn)圖7。

5 實(shí)車驗(yàn)證

將封裝好的電子鐘接入整車進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，實(shí)車功能測(cè)試見(jiàn)圖8，車啟動(dòng)時(shí)，電子鐘根據(jù)接收的電源信號(hào)，先自動(dòng)歸零，然后再根據(jù)LIN上的時(shí)鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。由實(shí)車測(cè)試可知，電子鐘指針顯示與多媒體主機(jī)顯示時(shí)間一致，且背光驅(qū)動(dòng)顯示正常，設(shè)計(jì)的電子鐘功能滿足設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié)論

車聯(lián)網(wǎng)已成為目前汽車上發(fā)展的主流趨勢(shì)，LIN總線技術(shù)作為CAN總線的補(bǔ)充，是汽車分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?；贚IN總線技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景日益豐富，大大推進(jìn)了汽車的智能化與網(wǎng)聯(lián)化。本文設(shè)計(jì)了一種基于LIN總線的車載電子鐘控制系統(tǒng)，無(wú)需高精度的時(shí)鐘源，EMI低且工作穩(wěn)定可控。采用LIN單線通訊，無(wú)需操作按鍵，車啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)，匠心設(shè)計(jì)成就了產(chǎn)品的靈活性，體現(xiàn)出汽車電子產(chǎn)品的智能化，給用戶帶來(lái)舒適的體驗(yàn)。

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