分布式汽車(chē)車(chē)身控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著汽車(chē)電子的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代汽車(chē)中電控單元逐漸增多，這些電控單元大致可分成三類(lèi)：動(dòng)力傳動(dòng)裝置控制(如發(fā)動(dòng)機(jī)控制和變速控制)，底盤(pán)部分控制(如汽車(chē)防抱死系統(tǒng)ABS)和車(chē)身控制。其中車(chē)身控制系統(tǒng)主要是為了提高駕駛的方便性和乘坐的舒適性。車(chē)身控制系統(tǒng)涵蓋范圍廣，包括燈光控制系統(tǒng)，車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)，座位控制系統(tǒng)，氣候(空調(diào))控制系統(tǒng)，儀表盤(pán)顯示等。本文選取燈光、雨刷及底盤(pán)部分電磁閥這些控制節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)明車(chē)身控制系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)分布式控制方案。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

　　* 控制汽車(chē)上所有車(chē)燈。

　　* 控制雨

　　刷低速、高速、間歇式工作。

　　* 控制與取力器、全輪驅(qū)動(dòng)、輪間和軸間差速器相連的電磁閥的工作。

　　* 實(shí)時(shí)響應(yīng)駕駛室控制開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。

　　* 燈光自檢功能。

　　* 故障診斷定位能力。

　　該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，因?yàn)檐?chē)身控制系統(tǒng)的控制對(duì)象比較多而且位置分散，若采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)集中控制方式，控制模塊與被控對(duì)象之間需大量電纜連接，這勢(shì)必造成車(chē)內(nèi)布線(xiàn)復(fù)雜，制造和安裝困難，并存在故障隱患。而分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)控制對(duì)象的位置來(lái)設(shè)計(jì)控制模塊，從而縮短了控制對(duì)象和控制模塊的距離，各模塊間通過(guò)LIN總線(xiàn)來(lái)通訊，該方式僅需一根線(xiàn)作為通訊線(xiàn)，這樣加上地線(xiàn)和電源線(xiàn)總共三根線(xiàn)，從而簡(jiǎn)化了布線(xiàn)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰。同時(shí)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的靈活性，可方便地增減節(jié)點(diǎn)。此外分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還降低了單板的靜態(tài)電流，增加了單板的穩(wěn)定性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖1。

　　圖 1 分布式車(chē)身控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　根據(jù)系統(tǒng)功能要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)被分成四個(gè)模塊：主控模塊和三個(gè)子模塊(前模塊、底盤(pán)模塊和后模塊)。

　　主控模塊位于車(chē)的駕駛室內(nèi)，主要檢測(cè)駕駛室內(nèi)控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并根據(jù)這些控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制策略，然后將控制命令發(fā)送給向各子模塊，同時(shí)檢查各用電設(shè)備的工作狀態(tài)，若有故障則報(bào)警顯示。前模塊位于車(chē)的前部，主要控制車(chē)前部的用電器，包括車(chē)前部的燈：遠(yuǎn)光燈，近光燈，霧燈、左右前轉(zhuǎn)向燈、雨刷、風(fēng)扇、加熱、緊急報(bào)警、喇叭的工作。底盤(pán)模塊位于車(chē)的底盤(pán)，主要控制與取力器、全輪驅(qū)動(dòng)、輪間和軸間差速器相連的電磁閥的工作。后模塊位于車(chē)的后部，主要控制車(chē)后部的用電器，包括車(chē)后部的燈：尾燈，剎車(chē)燈，左右后轉(zhuǎn)向燈的工作。

　　主控模塊和子模塊的功能框圖示于圖2和圖3。

　　圖2 主模塊的硬件框圖

　　圖3 子模塊的硬件框圖

　　電壓調(diào)整單元將汽車(chē)內(nèi)24V電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓供給單片機(jī)、功率芯片等。

　　微處理器控制單元(MCU)采用Motorola的MC68HC908GZ16和MC68HC908GR8，主控模塊的微處理器控制單元采集輸入的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，完成相應(yīng)的控制，將控制命令通過(guò)串口送給各子模塊，同時(shí)根據(jù)各子模塊反饋的負(fù)載的狀態(tài)判斷是否存在故障，若有故障則報(bào)警顯示。各子模塊的微處理器控制單元完成對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，并采集負(fù)載的工作狀態(tài)發(fā)送給主控模塊。

　　開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)單元將開(kāi)關(guān)狀態(tài)的24V電壓轉(zhuǎn)換成5V后，將此并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成串行數(shù)據(jù)給MCU，這樣可大大減少了所需的MCU引腳數(shù)量。

　　功率驅(qū)動(dòng)單元由功率芯片和串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)的芯片組成，功率芯片代替了傳統(tǒng)的繼電器，許多汽車(chē)負(fù)載不能被MCU或低電流接口器件直接驅(qū)動(dòng)，而功率芯片可通過(guò)MCU控制輸出大電流來(lái)驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載。各子模塊可根據(jù)所帶負(fù)載來(lái)選擇不同的功率芯片,驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載選用了MC33286和MC33888，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載選用了MC33289。MCU通過(guò)I/O端口將控制命令串行輸出，通過(guò)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成并行數(shù)據(jù)的芯片送給功率開(kāi)關(guān)。

　　故障顯示單元用三個(gè)發(fā)光二極管表示三個(gè)子模塊，若子模塊出現(xiàn)故障，相對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管會(huì)點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器會(huì)報(bào)警。同時(shí)子模塊上也用發(fā)光二極管來(lái)表示子模塊所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載的狀態(tài)，這樣可非常直觀(guān)地看出子模塊上哪路負(fù)載出現(xiàn)開(kāi)路、過(guò)流、過(guò)溫、過(guò)壓等的故障。

　　本系統(tǒng)采用LIN總線(xiàn)的通訊方式。LIN總線(xiàn)基于通用的SCI/UART 接口的，其成本要低于CAN通訊。LIN可以作為CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的輔助。LIN總線(xiàn)主要應(yīng)用在不需要CAN的性能、帶寬及復(fù)雜性的低速系統(tǒng)，如

　　nbsp; 開(kāi)關(guān)類(lèi)負(fù)載或位置型系統(tǒng)包括車(chē)的后視鏡、車(chē)鎖、車(chē)座椅、車(chē)窗等的控制系統(tǒng)。LIN更有助于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)中與CAN網(wǎng)絡(luò)連接的分布式控制系統(tǒng)。LIN以其低成本的優(yōu)勢(shì)成為車(chē)身控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的首選。

　　系統(tǒng)的通訊由主控模塊控制通訊順序，LIN的數(shù)據(jù)幀是按數(shù)據(jù)內(nèi)容定義的，而不是數(shù)據(jù)的目的地址。這樣定義可使多個(gè)節(jié)點(diǎn)收到同樣的信息，并且數(shù)據(jù)能夠以多種方式交換。數(shù)據(jù)可以從主節(jié)點(diǎn)發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，也可以通過(guò)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)或其他從節(jié)點(diǎn)。因此從節(jié)點(diǎn)之間通訊并不需要經(jīng)過(guò)主節(jié)點(diǎn)，并且主節(jié)點(diǎn)可以將信息廣播給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通訊主要是主模塊向三個(gè)模塊發(fā)送控制命令和三個(gè)子模塊向主模塊反饋的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)定義了幾種數(shù)據(jù)類(lèi)型，一種是三個(gè)模塊各自接收的數(shù)據(jù)，另一種是前模塊和后模塊同時(shí)接收的數(shù)據(jù)，第三種是三模塊同時(shí)接收的數(shù)據(jù)，第四種是三模塊各自獨(dú)立發(fā)送的數(shù)據(jù)。通訊過(guò)程見(jiàn)系統(tǒng)軟件流程。

　　汽車(chē)上電磁干擾較厲害,對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高，系統(tǒng)在硬件和軟件上進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)。在硬件上，通訊線(xiàn)路上采用了光電隔離電路,電源也采用DC-DC隔離。在電源和地之間設(shè)計(jì)了一個(gè)去耦電容，它可以濾掉來(lái)自電源的高頻噪聲。在印刷線(xiàn)路板的布局上，將數(shù)字電路和功率驅(qū)動(dòng)電路合理分開(kāi)，使相互間的信號(hào)耦合減少到最小。在軟件上，系統(tǒng)采用了看門(mén)狗技術(shù)，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)軟件流程圖示于圖4。