基于CAN/LIN总线的车身网络中央控制器设计

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1 前言

　　随着对车辆舒适性要求的提高和更多辅助智能功能的出现，ECU单元、执行器、传感器大量增加，为了限制线束的重量和保证各电控单元的协调工作，进行车身的网络化设计是必要的。
　　考虑到数据传输速率、协议机制、可靠性、容错性和成本的要求，车内网络的类型依赖于它们的应用领域，不同网络类型的介绍和应用见表1。

　　从国际上的技术趋势分析，集中式控制正在向分布式控制发展，这样不可避免带来系统成本的增加，LIN网络作为CAN网络的一个补充，采用单线传输有效解决了成本问题，车身总线网络成为CAN和LIN的混合网络。
　　
2 系统的功能和框架

　　本项目开发的车身总线系统功能主要包括电动车窗控制（带有防夹功能）、中央集控锁（带有遥控功能）、防盗报警、电动后视镜、雨刮器／洗涤泵控制及后视镜除霜等，整个系统包括5个节点，采用低速CAN通信，波特率为100kbit/s，信息编码采用SAEJ1939编码规则。系统的框架结构如图1。


　　其中中央控制器作为一个网关，采集各种开关和传感器信号，通过CAN总线通信，协调整个系统的工作。

　　
3 中央控制器的硬件设计

　　3.1 中央控制器

　　中央控制器的核心单元采用的是freescale的Mc68HC08AZ60，该芯片内部带有60K的flash mem-ory ;2K的RAM，1K的eeprom用于系统保存故障信息并且有SPI模块和外围的智能芯片通讯，增强的SCI模块实现LIN总线通讯和8位的A/D模块，CAN控制器和定时器单元。中央控制器的硬件结构示意图如图2 。
  



　　3.2 输入量的调理和采集模块

　　系统需要采集的输入量包括脉冲量、开关量和模拟量。开关量包括组合灯光开关，前雨刷开关，洗涤泵开关，车内灯开关和起动钥匙等大量的开关信号，为了节约系统资源，采用了MC33993触点监测模块来扩展系统的I/O口，MC33993具有22路输入，其中8路可以配置成接地或者接电源，其余14路为接地开关监测，通过SPI与微控制器通讯，并且可以开关电平跳变触发中断唤醒，因为是接地检测，无需采用光电隔离，极大的节约了资源，增强了系统的EMC性能。如图3

  
  
　　车内温度等模拟量传感器由中央控制器供电，与外部信号经电气隔离，经过低通滤波进人系统A/D模块，因而可有效地防止外部干扰。

　　3.3 车速信号的采集

　　车速信号可以从仪表输出得到，也可以采集车速传感器器信号，安装在变速器上的车速传感器每转一圈产生一个脉冲信号，经过隔离、电平转换和整形后，进人TPU通道。TPU工作于输人跳变计数（ITC）模式，通过2次跳变的时间差来检测车速信号。需要注意的是车速传感器可能是公用的，在设计过程中需要考虑从传感器拉出电流的大小，如图4所示。

  
  
　　3.4 通信接口模块

　　为了实现整车有效控制和管理，各控制器之间需要信息共享，因此本系统的所有信息交换都采用CAN总线和局部的LIN总线。低速CAN总线物理接口采用了系统集成电源模块MC33889，其内部集成了低速CAN驱动器，并且提供系统5V的电源，与微控制器之间采用SPI通讯可以配置模块的功能。LIN总线通讯采用了LIN2.0标准，驱动芯片为MC33399，单线传输信号电平为12V.3.5功率驱动模块和电源模块功率驱动主要是车内灯光和电机驱动，包括雨刷电机和洗涤泵电机。本设计采用的是基于VMOS管的智能驱动芯片MC33286和MC33486，MC33286具有2路输出，每一路具有6A输出电流，并且具有短路、过温和过压等故障保护功能，故障信息可通过电流反馈标志端由微控制器读取。MC33486具有2路输出，每一路具有10A输出电流。这有利于系统的故障检测和提高系统的安全可靠性。

　　系统为了降低成本，没有采用DC-DC电源隔离，而是选者了系统集成电源模块MC33889，内部集成了CAN驱动器，并且具有硬件看门狗功能，同时有2路的唤醒输人和两路5V输出，可配置工作在4种模式（调式、正常、睡眠、停止）下，满足系统的需求，降低功耗和增强系统的抗干扰性能。
　　
4 系统的电磁兼容和可靠性设计

　　因为中央控制器靠近点火系统，电磁干扰较大，在电源模块上安装了屏蔽壳，在电路中加入滤波和去耦电容。在电路设计、元器件布置和布线时，严格按照电磁兼容（EMC）的设计原则。电路板采用模块化设计，模拟电路、数字电路和功率电路独立布置，用地线将数字区与模拟区隔离，尽可能把干扰源与敏感器件（如单片机、存储器等）远离。尽量选用集成度高和表面安装的元器件，以减少元器件数目、减小元件之间的连线长度、电路板的面积与高度，使印刷电路板布局简单，因而大大降低了故障率和受干扰的可能性。
　　由于MC68HC908AZ60支持高级编程语言，软件可以方便地采用分层结构和模块化的设计思想，以及实时多任务的机制，因此可有效地提高系统的可靠性和实时性。除此之外，在细节上采取了以下措施：对模拟量采用畸值剔除和一阶递推滤波算法；对开关信号延时、防抖和多次校验来防止误操作；对控制量采用冗余技术确保操作的可靠性；对CAN上接受和发送的数据用阀值进行限制并判断其有效性；采用Watch Dog和软件陷阱来提高软件运行失常时的自恢复能力