基于嵌入式系統(tǒng)的電動汽車總線型組合開關(guān)設計

鄭小帆, 龐寶麟

(1.黃山學院 機電工程學院, 安徽 黃山 245041; 2.沈陽化工大學 信息工程學院, 遼寧 沈陽 110142)

汽車組合開關(guān)是汽車內(nèi)部重要的部件之一,主要作為燈光控制、雨刮控制的信號[1-2]輸入來源.隨著CAN總線[3-4]和嵌入式技術(shù)[5-6]的發(fā)展,汽車組合開關(guān)也從傳統(tǒng)的電阻或電壓信號輸出向總線輸出發(fā)展[7],組合開關(guān)更加電子化、智能化.傳統(tǒng)的組合開關(guān)主要為電阻或電壓信號輸出,但在與其他控制模塊連接過程中易出現(xiàn)信號不匹配問題.為了解決不同模塊不匹配的問題,研究帶通訊型的組合開關(guān)成為了一種趨勢.劉文英等[8]應用具有CAN 收發(fā)器的STM32系列芯片,研究開發(fā)了CAN總線組合開關(guān).隨著電動汽車應用的推廣,電動汽車各項技術(shù)也得到了大力發(fā)展.電動汽車的檔位[9]比傳統(tǒng)燃油車的擋位結(jié)構(gòu)形式簡單,但單獨的電子換擋開關(guān)不僅占用電動汽車空間,也增加了生產(chǎn)成本.因此,亟需將電動汽車的換擋功能集成在組合開關(guān)上. 這不僅有效節(jié)約了汽車的內(nèi)飾空間,而且還降低了生產(chǎn)成本.

本文設計了一種集燈光雨刮、巡航和換擋手柄于一體的組合開關(guān),主要包括開關(guān)的電子硬件電路設計和軟件設計部分.通過實驗和測試,驗證了該組合開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定的功能,滿足汽車安全性、可靠性的要求.該組合開關(guān)集成了傳統(tǒng)組合開關(guān)和換擋開關(guān)的功能,在電動汽車上具有較大應用價值.

1 總體設計方案

組合開關(guān)由燈光雨刮手柄、巡航手柄和換擋手柄3部分組成.燈光雨刮手柄主要實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向燈、超車燈、遠近光切換、前雨刮刮水(Off、AutoLow、AutoHigh、Low、High)、后雨刮刮水(Off、On)、后雨刮洗滌、前雨刮點動(Mist)、前雨刮洗滌等功能信號輸出.巡航控制手柄要實現(xiàn)前撥(ACC、ICA、HWA開關(guān))、后撥(ACC、ICA、HWA取消)、上下?lián)?各兩檔,速度調(diào)節(jié))、側(cè)面旋鈕(5檔時距調(diào)節(jié))、頂端按鍵(智能限速)的功能信號輸出.懷擋手柄主要實現(xiàn)P/R/N/D擋位信號輸出和擋位的LED指示.控制原理圖如圖1所示.燈光雨刮手柄和巡航控制手柄為簧片接觸機構(gòu),滿足12×104次操作要求;換擋手柄為霍爾感應非接觸結(jié)構(gòu),滿足50×104次操作要求.

圖1 組合開關(guān)控制原理圖

電子設計以S9S12G128F0CLF芯片為核心,包括硬件設計和軟件設計.硬件電路包括電源電路,燈光、雨刮手柄的電阻電壓信號輸入電路,換擋手柄的霍爾開關(guān)信號輸入電路,CAN信號收發(fā)電路,等.軟件設計包括UDS診斷、在線刷寫程序(Bootloader)、網(wǎng)絡管理、換擋控制功能、燈光雨刮手柄和巡航控制手柄信號發(fā)送功能等程序的編寫和調(diào)試.

2 硬件設計

2.1 核心器件選擇

開關(guān)額定電壓12 V,工作電壓9～16 V,工作溫度-40～90 ℃,儲存溫度-40～95 ℃,相對濕度25%～75%,CAN網(wǎng)絡工作電壓7～18 V.工作電流消耗小于250 mA,靜態(tài)電流小于200 μA.組合開關(guān)控制器核采用NXP公司S9S12G128F0CLF型號單片機.芯片具有12路10位AD口,1路MSCAN,24路IO口,工作溫度范圍為-40～125 ℃,滿足系統(tǒng)要求.電源電路和CAN信號收發(fā)電路選取集成高速CAN收發(fā)器、電壓調(diào)節(jié)器和看門狗功能的UJA1076芯片為核心芯片.芯片輸出電流最大為250 mA,待機模式和睡眠模式下電流極低,符合低功耗要求.芯片含CAN總線專用的低壓差調(diào)節(jié)器,有助于提高系統(tǒng)的EMC性能.芯片帶喚醒源檢測功能,可通過本地喚醒引腳或CAN信號進行喚醒.

2.2 CAN信號電路

CAN信號電路如圖2所示.CANH和CANL信號線上的共模電感(600 Ω/100 MHz)L1,用于過濾差分信號的共模干擾;信號線上的C9和C13為47 pF的濾波電容,給干擾信號提供低阻抗的回流路徑,達到抗干擾能力.將終端電阻分為2個60 Ω再接4.7 nF的電容到GND,有助于濾除總線上的共模干擾.TVS2為瞬態(tài)抑制二極管,對CAN信號端口起到靜電防護的作用.

圖2 CAN信號電路

2.3 按鍵信號電路

燈光雨刮手柄和巡航控制手柄為簧片接觸機構(gòu),在不同的信號檔位時,線路板對應位置的鍍金盤導通,輸出相應的電平信號到MCU的IO口或不同的電壓信號到MCU的AD口.芯片IO口的信號處理電路如圖3所示.AD電路如圖4所示.

圖3 IO口信號處理電路

圖4 AD口信號處理電路

換擋手柄為霍爾感應非接觸結(jié)構(gòu),在手柄運動結(jié)構(gòu)上安裝一塊磁鐵,當手柄運動到不同的擋位時,下方線路板上相應位置的霍爾芯片感應到磁鐵,輸出高電平到MCU的IO口.霍爾信號處理電路如圖5所示.

圖5 霍爾信號處理電路

2.4 指示燈控制電路

換擋手柄實現(xiàn)擋位信號輸出功能和擋位顯示功能,在組合開關(guān)將擋位信號輸出后,需根據(jù)VCU反饋的信號點亮對應擋位的指示燈.換擋手柄擋位的指示燈控制電路如圖6所示.當MCU的控制端為高電平時,工作指示燈LED被點亮,通過MCU輸出PWM信號可以實現(xiàn)不同亮度的燈光控制.

圖6 指示燈控制電路

3 PCB設計

PCB設計過程中,要與結(jié)構(gòu)件的尺寸匹配,定位孔、螺絲孔、鍍金盤、接插件等部分要與結(jié)構(gòu)圖一致.元器件放置要滿足機械結(jié)構(gòu)的限高要求,且按信號流向擺放,防護濾波器件要靠近接口位置處緊湊整齊擺放.線路板布線時要避免出現(xiàn)直角或銳角,避免信號的衰減.共模電感及跨接電容要置于隔離帶中,隔離帶下方禁止走線.信號接口和接口濾波防護電路附近禁止布線和放置高速、敏感元器件.CAN_H/L的布線總長度不超過10 cm.

4 軟件設計

組合開關(guān)的軟件設計主要包括開關(guān)信號處理、CAN通訊、UDS故障診斷、在線刷寫程序(Bootloader)、網(wǎng)絡管理等.

4.1 開關(guān)信號處理

開關(guān)燈光雨刮手柄、巡航手柄和換擋手柄的輸入信號進行軟件消抖濾波處理后通過CAN信號輸出.換擋手柄的擋位請求邏輯見表1.

表1 擋位請求邏輯

4.2 CAN信號處理

CAN網(wǎng)絡采樣點設置在81.25%,網(wǎng)絡通信速率為500 kbit/s,數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度為8.高速CAN 網(wǎng)絡信號采用Motorola 格式.開關(guān)信號處理包括按鍵信號掃描、按鍵信號處理、CAN報文處理、CAN報文發(fā)送等部分.按鍵信號處理流程如圖7所示.

圖7 按鍵信號處理流程

報文發(fā)送重復次數(shù)為3次,報文間隔時間為20 ms.當新能源高速CAN總線出現(xiàn)異常狀況時,需保證不對本地ECU功能產(chǎn)生影響.異常網(wǎng)絡狀況包括:總線錯誤;一個或多個標識符的報文(任何報文,任何數(shù)據(jù))占有100%的總線負載.ECU不干擾或不影響總線運行,尤其是不影響其他節(jié)點間的通信,異常ECU狀況不應影響剩余網(wǎng)絡.ECU能處理異常網(wǎng)絡狀況,盡可能長地維持網(wǎng)絡的正常運行,使除異常ECU之外的其他分系統(tǒng)節(jié)點的功能不受影響. 異常ECU為:ECU故障,包括任何硬件或者軟件故障; ECU掉電或接地;欠壓或者過壓情況;地電壓偏移;由軟件、電量過低或看門狗觸發(fā)引起的ECU復位; ECU初始化,包括控制器和CAN收發(fā)器的初始化.

4.3 UDS故障診斷

診斷服務功能按照一定規(guī)則實現(xiàn),執(zhí)行一個診斷服務必須在適合的會話模式下進行.診斷會話模式主要包括默認會話、編程會話、擴展診斷會話.診斷工具通過診斷會話控制服務使能,服務器進入不同的診斷會話模式.

4.3.1 診斷會話

上電后如果沒有診斷會話請求,要求ECU自動進入常規(guī)/默認會話模式.診斷會話模式轉(zhuǎn)換如圖8所示.

圖8 診斷會話模式轉(zhuǎn)換

4.3.2 安全訪問

安全訪問是限制訪問權(quán)限,排除由不恰當?shù)姆赵斐呻娮釉O備或其他汽車部件的破壞,防止對安全性及安全標準造成風險.客戶端發(fā)送“請求種子”服務報文,組合開關(guān)響應“發(fā)送種子”報文,客戶端根據(jù)此“種子”計算密鑰.客戶端通過發(fā)送包含密鑰的服務報文給開關(guān)來請求比較密鑰,開關(guān)將此密鑰與計算的密鑰進行比較:若兩數(shù)一致,允許客戶端對特定服務和數(shù)據(jù)的訪問,發(fā)送“正響應”服務;如果兩數(shù)不一致,此訪問被認為是錯誤的訪問嘗試,發(fā)送“負響應”服務.安全訪問的流程如圖9所示.

圖9 安全訪問流程

4.3.3 故障自診斷

故障自診斷程序通過對故障檢測條件的判斷,對符合故障條件的故障狀態(tài)進行記錄,部分故障狀態(tài)通過CAN總線發(fā)送.故障自診斷的范圍包含CAN網(wǎng)絡通信總線狀態(tài)、開關(guān)輸入信號狀態(tài)、供電電壓狀態(tài)等.故障診斷的確認條件和恢復條件見表2.

表2 故障診斷的故障確認及恢復條件

4.4 網(wǎng)絡管理

網(wǎng)絡管理的任務是保證網(wǎng)絡通信的安全可靠.網(wǎng)絡管理基本功能包括:ECU進入網(wǎng)絡睡眠;檢測和監(jiān)控網(wǎng)絡的配置;提供系統(tǒng)狀態(tài);網(wǎng)絡通信啟動和關(guān)閉;節(jié)點監(jiān)控;故障處理.

4.4.1 網(wǎng)絡啟動和關(guān)閉

IGN上電、本地事件或總線遠程喚醒后,組合開關(guān)進行初始化操作.系統(tǒng)上電或喚醒前,發(fā)送和接收處于禁止狀態(tài).上電后進入初始化過程,在150 ms內(nèi)使能接收功能,并開始處理應用報文;之后初始化網(wǎng)絡管理功能,在180～600 ms內(nèi)發(fā)送第一條報文.在IGN斷電后200 ms內(nèi)必須停止通信.系統(tǒng)在進入等待睡眠狀態(tài)5 s內(nèi)未監(jiān)測到本地喚醒事件或未收到退出睡眠報文,系統(tǒng)將立即進入網(wǎng)絡關(guān)閉狀態(tài).在網(wǎng)絡關(guān)閉狀態(tài)下,系統(tǒng)禁止報文的發(fā)送和接收.

4.4.2 網(wǎng)絡狀態(tài)

網(wǎng)絡狀態(tài)主要包括關(guān)閉狀態(tài)、正常工作狀態(tài)、總線錯誤狀態(tài).IGN處于關(guān)閉后網(wǎng)絡處于關(guān)閉狀態(tài),系統(tǒng)禁止發(fā)送和接收數(shù)據(jù).IGN 切換到ON 時,進入網(wǎng)絡啟動模式,開始初始化,初始化完成后系統(tǒng)發(fā)送接收使能,系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài).系統(tǒng)網(wǎng)絡出現(xiàn)bus-off錯誤以及欠電壓、過電壓錯誤時,系統(tǒng)處于總線錯誤狀態(tài).系統(tǒng)的網(wǎng)絡狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖10所示.

圖10 系統(tǒng)的網(wǎng)絡狀態(tài)轉(zhuǎn)換

4.5 Bootloader

系統(tǒng)的代碼由Bootloader和應用程序組成,Bootloader代碼是上電后最開始運行的軟件代碼,實現(xiàn)用戶程序的引導啟動和應用程序更新.在正常運行過程中,執(zhí)行的是應用軟件和應用數(shù)據(jù).當應用軟件或應用數(shù)據(jù)無效時,或者要求對此進行升級的時候,Bootloader軟件才被激活.在重編程失敗(短路,斷路)或被中斷、發(fā)生超時或復位、Flash擦除不完全或應用程序無效的情況下,系統(tǒng)能夠重編程.

4.5.1 Bootloader啟動

系統(tǒng)上電/復位后,先執(zhí)行Bootloader引導代碼,然后檢查是否有重編程請求.若存在重編程請求,執(zhí)行Bootloader程序,進入編程會話模式;若無外部重編程請求,則繼續(xù)檢查應用軟件的標志位狀態(tài).若應用軟件有效,則執(zhí)行應用程序;若應用軟件無效,激活Bootloader模式下的默認會話模式.

4.5.2 重編程流程

重編程時序分為3個編程步驟:(1) 預編程步驟,編程前的CAN網(wǎng)絡準備;(2) 主編程步驟,下載應用軟件或應用數(shù)據(jù);(3) 后編程步驟,重同步CAN網(wǎng)絡.編程流程如圖11所示.

圖11 編程流程

5 結(jié) 論

設計的組合開關(guān)采用CAN信號通訊進行燈光雨刮、巡航、換擋信號輸出,軟件設計實現(xiàn)了故障診斷、在線刷寫程序(Bootloader)、網(wǎng)絡管理等功能.經(jīng)過耐久試驗驗證,燈光雨刮和巡航手柄機械操作次數(shù)達到15×104次,換擋手柄的機械操作次數(shù)達到80×104次,符合操作次數(shù)要求.經(jīng)測試,組合開關(guān)信號輸出穩(wěn)定,性能良好,在休眠模式下的靜態(tài)電流為0.1 mA,滿足靜態(tài)電流要求.開關(guān)的EMC試驗合格,電磁干擾和抗擾性符合整車要求.通過產(chǎn)品測試和裝車路試驗證,開關(guān)滿足CAN總線網(wǎng)絡管理技術(shù)要求,UDS診斷規(guī)范,OSEK網(wǎng)絡管理測試規(guī)范.與傳統(tǒng)組合開關(guān)和換擋開關(guān)相比,集成換擋功能的CAN通訊型組合開關(guān)有效地節(jié)約汽車的內(nèi)飾空間和生產(chǎn)成本,CAN信號通訊有效地解決了硬線輸出開關(guān)存在的不匹配問題,對發(fā)生的故障能通過自診斷功能及時輸出,有利于故障的定位.該組合開關(guān)設計的故障診斷范圍不能覆蓋全部故障,軟件更新必須通過汽車OBD口進行.隨著電動汽車發(fā)展,汽車組合開關(guān)集成更多功能的研究將進一步開展,同時提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、擴大故障診斷范圍、系統(tǒng)軟件無線刷新將成為研究的重要方向.