用CAN/LIN总线实现车门分布式控制系统

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摘要： 结合CAN总线和LIN总线各自的优缺点，设计实现了基于CAN/LIN总线的分层式车门控制系统，首先讲述了集中式控制系统结构和分布式控制系统结构的实现及相应的特点，论述了选定分布式结构的原因，然后详述了车门分布式系统的实现及相关技术。
关键词： 总线；CAN；LIN；车门控制
引言
随着各种传感器的出现和芯片技术的飞速发展，汽车的安全性和智能化程度日益提高，汽车电子控制单元(ECU)的功能和ECU间的信息交互日益增加，汽车生产商开发了多种总线技术，提供可靠而低成本的连接，按照安全性、智能性的不同要求实现相应的网络结构[1]，满足单元间不同要求的数据交换。对车门区域的控制而言，要实现的功能较多，包括车窗升降、后视镜的位置调整、门锁开关、开关量的检测等，针对不同的目标客户群，可选择实现的智能也较多，包括车窗防夹，后视镜折叠和加热等，笔者采用低速CAN总线和LIN总线实现了车门分布式控制系统，选择性地实现了部分智能，该系统同时可以迅速修改和升级，而不需要太大的设计变动。本文讲述下系统结构的确定和分布式控制的具体实现。
系统结构的确定
车门控制系统采用总线式拓补结构，总线一般采用低速CAN总线或LIN总线，采用不同总线协议和不同的拓补结构可以提供不同程度的智能。第一种方案是每个车门采用一个集中控制的CAN节点，BSI和四个车门通过一个CAN网络连接，如图1所示。

  
图1 车门集中式控制方案
第二种方案是每个车门采用分布式LIN网结构，将各个功能做成单独的节点，即单独的后视镜控制节点，车窗控制节点，门锁控制节点，开关输入控制节点，该开关输入控制节点可以同时作为LIN的主节点，每个车门的主节点同时为CAN-LIN网关节点，BSI和四个车门通过CAN网连接。如图2所示。

  
图2 车门分布式控制方案
方案1是目前大量生产商采用的典型方案，这种集中控制的方式将车窗升降及防夹、后视镜的位置调整、门锁、开关量的输入检测集中在一个ECU中实现，成本较低，采用低速CAN总线连接，拓补结构简单，通讯简单实时，协议的制定比较简单，且CAN采用多主双线容错机制，故安全性较高，基于CAN总线的诊断也使得故障的查找和维修比较方便。
随着技术的发展和消费者对汽车智能化的追求，汽车智能化程度的提高和迅速升级换代是保证汽车厂商竞争力的关键因素，采用单一CAN总线集中控制的缺点也开始暴露出来。由于车门节点内的高性能MCU直接控制车窗和车镜，当ECU的智能性要求越来越高，需要增加功能或智能时，只能增强各个集中控制节点的MCU功能，造成MCU规格增大；且集中控制安装复杂，接插件和连接线缆较多，当智能增加时，互连数量增加，缺乏灵活性，产品升级换代需要大量成本，最终导致效率降低[2]。
分层式网络是解决汽车产品低成本迅速升级换代的有效解决方案，LIN总线作为CAN总线的有效补充，是分层式汽车网络特征升级和功能增强的关键因素[3]，利用方案2所示CAN-LIN分层式网络结构，充分发挥了CAN/LIN总线各自的优势，将部分功能移植到更小，更可靠的节点，降低了各个ECU的复杂度，且四个门内的各LIN节点可以通用，互换性和兼容性更好，可以根据车门功能的配置要求随时添加或者减掉某个节点，而不会对整个网络产生任何影响，从而可以迅速升级换代，而不会带来更大的成本消耗。
单芯片传感器和执行器的出现提供了分布式节点的低成本解决方案，给采取分布式技术降低成本提供了可能。随着LIN总线技术的不断成熟，对MCU和LIN状态机进行合适的选择，就可以获得功能更强大、更灵活的分布式系统。
分布式控制的实现
在车门系统的分布式控制实现中，每个车门均为一个LIN网络，前车门包括车窗节点，后视镜节点和门锁节点，后车门不包括后视镜节点，以下从分布式节点的实现和网关的实现两个方面论述一下车门分布式控制系统的实现。
后视镜节点
后视镜节点方案如下图所示,实现对后视镜上下、前后两个方向的位置调整，实现折叠功能和加热功能，采用飞思卡尔的智能分布式控制单芯片MM908E625实现，MM908E625是一个高度集成的单封装解决方案，在一个SOIC54的封装内集成了HC08内核和SmartMOS模拟控制IC，该模拟控制IC包括LIN物理层收发器，电压调整器，4个半H桥和一个高端开关，采用半H桥实现对后视镜电机的驱动从而实现位置调整和折叠，利用高端开关实现后视镜加热。

  
图3 后视镜节点方案
车窗节点
车窗节点方案如下图所示。实现车窗升降及防夹，采用带电流反馈的智能功率驱动芯片，设计基于电流反馈的小算法，可以实现防夹功能。当车窗电机启动后，经过百毫秒级的时间便可以平稳运行，在这段启动时间后对驱动芯片的电流反馈值取样，经车窗ECU上的MCU内的ADC采样与阈值比较，如果碰到障碍物，车窗电机运转电流增大，ADC采样值超过设置的阈值，这时认为碰到了障碍物，MCU控制驱动芯片停止对车窗电机的驱动，从而实现了防夹。

  
图4 车窗节点方案
网关
每个车门LIN网的主节点完成该车门区域的开关状态检测，控制所有在该LIN网络上的通信，设计合理的进度表控制每个信息帧的传输，同时有效控制关键信号的最大传输延迟。该节点同时是CAN-LIN网关节点，完成CAN网和LIN网间的数据缓冲和信息交换。
结语
本文综合考虑了不同系统结构的优缺点和汽车产品智能化和更新换代的要求，设计实现了基于CAN/LIN总线的车门分布式控制系统，系统运行良好，具有一定的实用价值。