分布式车身控制系统设计

摘要：分布式车身控制系统是针对国产重型车电子化自控操作和故障诊断显示的需求而设计的。该系统采用分布式结构和LIN(Local Interconnect Network)总线通讯方式，优化了系统结构，减少了电缆数量。该系统同时采用智能功率芯片来驱动大电流负载，从而增加了系统的可靠性，降低了售后服务的成本。 关键词：分布式；车身控制；LIN总线；智能功率芯片；故障诊断 １ 引言 随着汽车电子的迅猛发展，现代汽车中电控单元的数量也逐渐增多，这些电控单元大致可分成动力传动装置控制（如发动机控制和变速控制）、底盘控制（如汽车防抱死系统ＡＢＳ）和车身控制三类。其中车身控制系统主要用来提高驾驶的方便性和乘坐的舒适性， 该系统涵盖的范围较广，包括灯光控制、车门控制、座位控制、气候（空调）控制、仪表盘显示等。本文将介绍一种分布式车身控制系统的设计方法，该系统可对汽车灯光、雨刷及底盘部分电磁阀等节点进行分布式控制。 该控制系统的主要功能如下： ●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工作。 ●实时响应驾驶室控制开关的动作：按照ＳＡＥ（Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）的标准，实时性响应时间在１０ｍｓ～１００ｍｓ之间。 ●灯光自检功能：汽车上电后所有的灯点亮５ｍｓ后熄灭，以检查所有灯是否工作正常。 ●故障诊断定位能力：智能功率开关具有过流、过温、过压保护和开路检测功能，ＭＣＵ通过检测智能功率开关各通路的Ｓｔａｔｅ引脚状态可判断出哪路负载出现故障。 ２ 系统结构 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就需要大量连接电缆，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，从而简化了布线和系统结构增加了系统的灵活性，并可方便地增减节点。此外，分布式系统结构还可降低单板的静态电流，增加单板的稳定性。图１所示是其系统结构图。 根据系统功能要求和结构特点，该控制系统被分成主控模块和三个子模块（前模块、底盘模块和后模块）。其中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设备，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、喇叭的工作等。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设备，包括尾灯、刹车灯、左右后转向灯的工作。 主控模块和子模块的功能如图２所示。其中电压调整单元可将汽车内的２４Ｖ电压转换成５Ｖ电压，供给单片机、功率芯片等电压为５Ｖ的芯片。 主模块中的微处理器控制单元（ＭＣＵ）采用Ｍｏ-ｔｏｒｏｌａ的ＭＣ６８ＨＣ９０８ＧＺ１６来实现，主要用于采集输入的开关状态，以完成相应的控制策略，同时将控制命令通过串口送给各子模块，并根据各子模块反馈的负载状态判断是否存在故障，若有故障则报警显示。图３所示是主模块的硬件原理图。 各子模块中的微处理器控制单元采用ＭＣ６８ＨＣ９０８ＧＲ８，主要用于完成负载驱动，并采集负载的工作状态发送给主控模块。其硬件原理图如图４所示。 开关状态检测单元的任务是在２４Ｖ的开关状态电压转换成５Ｖ后，将此并行数据转换成串行数据送给ＭＣＵ，这样可大大减少所需ＭＣＵ的引脚数量。 功率驱动单元由功率芯片和串／并转换芯片组成，功率芯片代替了传统的继电器后，许多汽车负载不能被ＭＣＵ或低电流接口器件直接驱动，但功率芯片可通过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本设计选用ＭＣ３３２８６和ＭＣ３３８８８来驱动阻性负载，选用ＭＣ３３２８９来驱动感性负载。ＭＣＵ通过Ｉ／Ｏ端口串行输出控制命令后，将通过串／并芯片送给功率开关。 故障显示单元用三个发光二极管表示三个子模块，若其中某个子模块出现故障，相应的发光二极管会点亮，同时蜂鸣器会报警。此时该子模块上用发光二极管来表示子模块所驱动的负载状态显示也会作出响应，从而可以非常直观地看出子模块上哪路负载出现开路、过流、过温、过压等故障。 ３ 系统通讯 本系统采用ＬＩＮ总线通讯方式。ＬＩＮ总线是基于通用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总线主要应用于不需要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。因此，ＬＩＮ更有助于实现汽车与ＣＡＮ网络连接的分布式控制系统。 ＬＩＮ总线的特点如下： ●采用低成本的单线１２Ｖ数据传输，线驱动和接收特性符合改进的ＩＳＯ ９１４１单线标准； ●传输速率可达２０ｋｂｉｔ／ｓ ； ●采用单主／多从的结构，不需要总线仲裁，由主节点来控制总线的访问； ●基于通用ＵＡＲＴ／ＳＣＩ的硬件接口，几乎所有的微控制器都有ＬＩＮ 必需的硬件； ●从节点不需要晶振或陶瓷振荡器就可实现自同步，从而减少了从节点的硬件成本； ●最差状况下的信号传送等待时间可得到充分保证，因此可避免总线访问冲突。 本系统的通讯顺序由主控模块控制，ＬＩＮ的数据帧是按数据内容，而不是数据的目的地址定义的。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它从节点。因此从节点之间的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。系统中的数据通讯主要是主模块向三个子模块发送控制命令和三个子模块向主模块反馈故障状态数据。本系统定义了四种数据类型，一种是三个模块各自接收的数据，第二种是前模块和后模块同时接收的数据，第三种是三个模块同时接收的数据，第四种是三个模块各自独立发送的数据。其通讯过程可参见图５所示的系统软件流程。 ４ 系统抗干扰设计 由于汽车上的电磁干扰比较厉害因此对系统的抗干扰能力要求较高，本系统在硬件和软件上均进行了抗干扰设计。在硬件上，通讯线路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，可用来过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，这可使相互间的信号耦合减少到最小。在软件上采用了看门狗技术，从而增加了系统的可靠性。 ５ 结论 本设计方案可实现分布式车身控制系统的基本功能，且结构简单、成本低。此外，该设计思想同样也适用于轿车和中型车辆控制。