分布式车身控制系统设计

admin

    引言
随着汽车电子的迅猛发展，现代汽车中电控单元逐渐增多，这些电控单元大致可分成三类：动力传动装置控制（如发动机控制和变速控制），底盘部分控制（如汽车防抱死系统ABS）和车身控制。其中车身控制系统主要是为了提高驾驶的方便性和乘坐的舒适性。车身控制系统涵盖范围广，包括灯光控制系统，车门控制系统，座位控制系统，气候（空调）控制系统，仪表盘显示等。本文选取灯光、雨刷及底盘部分电磁阀这些控制节点来说明车身控制系统如何实现分布式控制方案。
系统结构
该系统要实现的功能如下：
* 控制汽车上所有车灯。
* 控制雨刷低速、高速、间歇式工作。
* 控制与取力器、全轮驱动、轮间和轴间差速器相连的电磁阀的工作。
* 实时响应驾驶室控制开关的动作。
* 灯光自检功能。
* 故障诊断定位能力。

该系统采用分布式结构，因为车身控制系统的控制对象比较多而且位置分散，若采用点对点集中控制方式，控制模块与被控对象之间需大量电缆连接，这势必造成车内布线复杂，制造和安装困难，并存在故障隐患。而分布式系统结构可以根据控制对象的位置来设计控制模块，从而缩短了控制对象和控制模块的距离，各模块间通过LIN总线来通讯，该方式仅需一根线作为通讯线，这样加上地线和电源线总共三根线，从而简化了布线，使系统结构清晰。同时分布式系统结构增加了系统的灵活性，可方便地增减节点。此外分布式系统结构还降低了单板的静态电流，增加了单板的稳定性。系统结构示于图1。
  

图 1 分布式车身控制系统结构图
根据系统功能要求和结构特点，系统被分成四个模块：主控模块和三个子模块（前模块、底盘模块和后模块）。
主控模块位于车的驾驶室内，主要检测驾驶室内控制开关的状态，并根据这些控制开关的状态实现相应的控制策略，然后将控制命令发送给向各子模块，同时检查各用电设备的工作状态，若有故障则报警显示。前模块位于车的前部，主要控制车前部的用电器，包括车前部的灯：远光灯，近光灯，雾灯、左右前转向灯、雨刷、风扇、加热、紧急报警、喇叭的工作。底盘模块位于车的底盘，主要控制与取力器、全轮驱动、轮间和轴间差速器相连的电磁阀的工作。后模块位于车的后部，主要控制车后部的用电器，包括车后部的灯：尾灯，刹车灯，左右后转向灯的工作。
主控模块和子模块的功能框图示于图2和图3。
  

图2  主模块的硬件框图
  

图3  子模块的硬件框图
电压调整单元将汽车内24V电压转换成5V电压供给单片机、功率芯片等。
微处理器控制单元（MCU）采用Motorola的MC68HC908GZ16和MC68HC908GR8，主控模块的微处理器控制单元采集输入的开关状态，完成相应的控制，将控制命令通过串口送给各子模块，同时根据各子模块反馈的负载的状态判断是否存在故障，若有故障则报警显示。各子模块的微处理器控制单元完成对负载的驱动，并采集负载的工作状态发送给主控模块。
开关状态检测单元将开关状态的24V电压转换成5V后，将此并行数据转成串行数据给MCU，这样可大大减少了所需的MCU引脚数量。

功率驱动单元由功率芯片和串行数据转并行数据的芯片组成，功率芯片代替了传统的继电器，许多汽车负载不能被MCU或低电流接口器件直接驱动，而功率芯片可通过MCU控制输出大电流来驱动各种负载。各子模块可根据所带负载来选择不同的功率芯片,驱动阻性负载选用了MC33286和MC33888，驱动感性负载选用了MC33289。MCU通过I/O端口将控制命令串行输出，通过串行数据转成并行数据的芯片送给功率开关。
故障显示单元用三个发光二极管表示三个子模块，若子模块出现故障，相对应的发光二极管会点亮，同时蜂鸣器会报警。同时子模块上也用发光二极管来表示子模块所驱动的负载的状态，这样可非常直观地看出子模块上哪路负载出现开路、过流、过温、过压等的故障。
本系统采用LIN总线的通讯方式。LIN总线基于通用的SCI/UART接口的，其成本要低于CAN通讯。LIN可以作为CAN通讯网络的辅助。LIN总线主要应用在不需要CAN的性能、带宽及复杂性的低速系统，如 开关类负载或位置型系统包括车的后视镜、车锁、车座椅、车窗等的控制系统。LIN更有助于实现汽车中与CAN网络连接的分布式控制系统。LIN以其低成本的优势成为车身控制系统网络的首选。

系统的通讯由主控模块控制通讯顺序，LIN的数据帧是按数据内容定义的，而不是数据的目的地址。这样定义可使多个节点收到同样的信息，并且数据能够以多种方式交换。数据可以从主节点发送到一个或多个从节点，也可以通过从节点发送给主节点或其他从节点。因此从节点之间通讯并不需要经过主节点，并且主节点可以将信息广播给网络内的所有节点。本系统中数据通讯主要是主模块向三个模块发送控制命令和三个子模块向主模块反馈的故障状态数据。本系统定义了几种数据类型，一种是三个模块各自接收的数据，另一种是前模块和后模块同时接收的数据，第三种是三模块同时接收的数据，第四种是三模块各自独立发送的数据。通讯过程见系统软件流程。
汽车上电磁干扰较厉害,对系统的抗干扰能力要求较高，系统在硬件和软件上进行了抗干扰设计。在硬件上，通讯线路上采用了光电隔离电路,电源也采用DC-DC隔离。在电源和地之间设计了一个去耦电容，它可以滤掉来自电源的高频噪声。在印刷线路板的布局上，将数字电路和功率驱动电路合理分开，使相互间的信号耦合减少到最小。在软件上，系统采用了看门狗技术，从而增加了系统的可靠性。 系统软件流程图示于图4。
  

图4  软件流程图
结语
本设计方案实现了系统的基本功能，且结构简单成本低，该设计思想同样适用于轿车和中型车辆。