無觸點控制的汽車CAN總線燈光系統研究設計

何立仁 ， 王 義 ，2

（1.貴州大學 理學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州師范大學 物理與電子科學學院，貴州 貴陽 550025）

隨著科學技術的發展，人們對汽車操控性、舒適性以及可靠性要求的越來越高。而傳統的汽車電子技術多采用“點對點”的控制方式對汽車中某些部件進行電子控制，過程簡單、設備復雜、技術落后，已遠不能滿足汽車電子技術發展的要求。這就促進了現代的汽車電子技術的進一步發展。目前，汽車電子技術已經向車身整體集成電子化、網絡化、智能化和模塊化的方向發展，汽車網絡總線以及無觸點開關控制是汽車電子技術的一個重要發展方向。

現場總線是20世紀80年代中期發展起來的，是當今自動化領域技術發展的主要方向之一，它的出現極大地推動了現代汽車電子技術的發展。控制器局域網 （Controller Area Network，CAN）總線屬于現場總線中比較典型的一種，已廣泛應用于汽車控制與通信系統，同時也在其他工業領域得到廣泛的應用。文中提出了一種采用CAN總線技術和霍爾開關的汽車車燈控制系統，其優點是無機械磨損、可靠性高、實用壽命長，能夠滿足未來汽車車燈控制系統發展的需要。通過對車燈控制系統進行了硬件設計和軟件編程，實現了無觸點開關控制的汽車CAN總線燈光控制系統，有一定的實用價值。

1 核心元件以及CAN總線介紹

1.1 MC9S08DZ60單片機

飛思卡爾S08D系列8位微控制器功能強大，它在一個單芯片上提供了更多的存儲器和組件。S08DZ系列是S08D系統中的旗艦號，提供了飛思卡爾內嵌CAN微控制器，并且將內嵌CAN、內嵌EPROM和片上仿真/調試模塊組合在一起，在單片上集成了所有的功能，方便設計人員進行設計。

MC9S08DZ60單片機提供 60KB的片上可讀取/編程/擦除的Flash存儲器、有2KB的EEPROM在線可編程內存、最大4KB的RAM，具有實時時鐘計數器（RTC）、串行外設接口（SPI）、 串 行 通 信 接 口 （SCI）、 飛 思 卡 爾 控 制 器 局 域 網（MSCAN）、數/模轉換器（ADC）等外圍設備，內核集成了中央處理器（CPU）、后臺調試控制器（BDC）、看門狗定時器（COP）等設備。具有良好的擴充性和易用性，其獨特的片上仿真/調試模塊（BDG）能夠大大簡化設計，從而確保了MC9S08DZ60在汽車和工控的應用[1]。

1.2 霍爾開關

霍爾效應是指通過電流的半導體在垂直電流方向下的磁場作用下，在與電流和磁場垂直的方向上形成電荷累積和出現電勢差的現象。在一定的工作電流IH下，霍爾電壓UH與外磁場磁感應強度成正比，這就是霍爾效應檢測磁場的原理。

在一定的外磁場中，霍爾電壓UH與通過霍爾片的電流強度IH（工作電流）成正比，這就是霍爾效應檢測電流的原理。

霍爾開關屬于有源磁電轉換器件，它是在霍爾效應原理的基礎上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，可方便的把磁輸入信號轉換成實際應用中的電信號，同時又具備實用、易操作和可靠性的性能。其內部結構圖如圖1所示，磁電轉換效應原理如圖2所示。

圖1 內部結構圖Fig.1 The internal structure of hall switch

圖2 磁電轉換效應Fig.2 Magnetic switching effect

霍爾開關具有無觸點、功耗低、使用壽命長、響應頻率高等優點，內部采用環氧樹脂封灌成一體，能夠在各類惡劣環境下可靠的工作。霍爾開關作為一種新型的電器配件，可應用于接近開關，壓力開關，里程表開關等。

1.3 CAN總線

CAN是控制器局域網絡 （Controller Area Network，CAN）的簡稱，是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發了的，并最終成為國際標準（ISO11898），是國際上應用最廣泛的現場總線之一。通常CAN總線采用屏蔽或非屏蔽的雙絞線，總線接口能適應極其惡劣的工作環境。和其他通信總線相比，CAN總線在其實時性、可靠性及靈活性等方面都有突出的優勢，使得其在汽車工業得到了廣泛的應用[2]。

CAN總線的應用層協議，采用了SAE J1939通信協議，它以CAN2.0B協議為基礎，波特率可達250 kb/s，是一種傳輸速率較高的C類通信網絡協議，支持分布式控制，在整個汽車電子控制系統中，實施閉環控制及其通信。在CAN總線進行數據通信的過程中，SAE J1939協議的數據鏈路層定義了信息幀的數據結構、編碼規則，它負責將CAN擴展幀的29位標識符重新分組定義，使報文的標識符就能夠描述報文的全部特征，包括目標地址、源地址等。

CAN總線框架不僅提供發送端和接收端之間明確的地址，同時向在總線上的各類型的接收端發送消息幀[3]。CAN總線的消息幀結構如圖3所示，在幀起始處都會有11位的標識符（或19位擴展），用來標記消息幀。

圖3 CAN消息幀結構Fig.3 CAN message frame structure

當發現總線空閑時，如果存在有2個或更多的總線單元需要進行CAN通信時，可利用CSMA/CD以及“非破壞性的逐位仲裁”方法來避免消息沖突。

2 系統硬件設計

系統總體硬件設計的目的是實現高效、可靠的車燈控制系統。該系統主要由總控制盒、前燈模塊和后燈模塊組成。總控制盒主要采集霍爾開關輸出的信號，同時對信號進行編碼處理，并將得出的數據發送到CAN總線上，以供各個分節點識別接收。前燈模塊和后燈模塊根據用戶定義的標識符選擇接收CAN總線上傳輸的數據，對接收到的數據進行分解處理，然后對相應的驅動設備發送控制信號，實現對車燈的控制。

2.1 總控制盒設計

本設計總控制盒包括以下幾個部分：核心控制器、組合開關輸入、儀表指示燈輸出、電源穩壓電路和CAN控制驅動電路。系統總體框圖如圖4所示。

圖4 總控制盒框圖Fig.4 Control box diagram

核心控制器采用飛思卡爾8位單片機MC9S08DZ60，其提供了內嵌的CAN控制器，使得系統的設計大大簡化，同時也提高了系統可靠性和抗干擾性。MC9S08DZ60主要負責采集開關量信號，同時進行處理，對不同的開關信號可由用戶自定義的地址進行賦值，最后將數據通過CAN控制器發送到總線上。

組合開關輸入部分主要包含車燈組合霍爾開關以及各個開關量的輸入接口電路。其中霍爾開關用于提供開關量控制信號，AH11系列是單磁極工作的霍爾開關，適合于矩形或者柱形磁體下工作。當磁鋼靠近霍爾開關時，磁感應強度增大到其工作點時，輸出低電平；反之，當磁感應強度減小到釋放點時，輸出高電平。這種開關形式類似于晶體管集電極的開路。接入電路時應將霍爾開關的輸入端上拉至5 V，再直接接到控制器的端口。

至于CAN通信電路，由于MC9S08DZ60內嵌CAN控制模塊，本系統中只需外接CAN收發器TJA1050即可，TJA1050是一款高速CAN收發器，與以往CAN通信系統中采用的PCA82C250/251引腳相兼容，TJA1050還提供不上電環境下理想的無源特性[4]。核心控制器的TXCAN和RXCAN分別與收發器的TXD和RXD連接，同時在CANH和CANL之間接入TDKZJS-2，能夠很好的保護CAN總線通信免受電磁干擾，并且又不影響總線的正常通信[5]。總控制盒電路圖如圖5所示。

圖5 總控制盒電路圖Fig.5 Control box circuit diagram

2.2 燈光控制盒方案

燈光控制盒方案包括：燈光總成、驅動電路陣列、控制核心單元、電源穩壓電路和CAN總線驅動電路等。系統總體框圖如圖6所示。

圖6 燈光控制盒框圖Fig.6 Light control box block diagram

控制核心采用飛思卡爾單片機MC9S08DZ60，其外圍電路以及電源穩壓和CAN總線驅動與總控制盒相同。車燈驅動電路陣列采用飛思卡爾的功率驅動芯片MC33286，其輸入與TTL電平相兼容，可以由微控制器直接進行控制，共有四路輸出，OUT1由IN1控制，OUT2由IN2控制。CAN收發器接收CAN總線上傳輸的數據，送給微控制器進行識別，若與之匹配則選擇接收信息，并進行處理，往驅動陣列發送控制信號，進而控制車燈。

前燈組合和后燈組合的設計類似，其中前燈包括近光燈、遠光燈、前霧燈、示寬燈、轉向燈，所有燈光均連接處一個公共端，燈光組合與驅動板之間只需一個8芯接插件連接。后燈包括轉向燈、尾燈、剎車燈、霧燈和倒車燈。前燈組合電路如圖7所示。

3 系統軟件設計

文中采用模塊化程序設計思想設計軟件，按照功能分成不同的程序模塊，各模塊間相對獨立以完成特定的功能[6]。主要包括CAN初始化模塊、報文發送與接收、開關量信號采集、數據處理模塊等。其設計思想為：系統啟動后，首先對微控制器MC9S08DZ60以及內嵌的CAN控制器進行初始化，再對主控節點和各個從節點進行設計：1）主控節點首先要采集霍爾開關上的開關量信號，并對這些信號進行處理，形成符合CAN通信協議SAEJ1939的數據格式，再向CAN控制器發送信號，進入CAN收發器發送數據程序（數據的發送采用查詢方式），將處理完畢的數據發送到CAN總線上，供從節點進行接收，其流程圖如圖8所示。2）采用查詢方式接收數據，首先從節點上的CAN控制器通過比較29位標識符是否匹配，來決定能否接收報文，在處理接收到的數據時，判斷是開關量信號是對應哪些燈的，發出相應的控制信號來驅動車燈的亮滅，其流程圖如圖9所示。

4 結束語

文中以飛思卡爾公司的S08D系列單片機中的MC9S08 DZ60為核心，利用霍爾元件結合CAN總線技術，設計了無觸點汽車CAN總線燈光控制系統，給出了整體設計方案和軟件流程圖。系統實現了開關量信號的采集，通過CAN總線的通信以及對各個從節點車燈的控制，驗證了方案的可行性和可靠性。試驗證明，文中介紹的CAN總線的通信在汽車電子控制方面有較強的優勢，在現代汽車電子領域有著廣泛的應用前景。

圖7 從節點電路圖Fig.7 Sub-node schematic

圖8 主控節點系統流程圖Fig.8 Master node system flow chart

圖9 從節點系統流程圖Fig.9 Sub-node system flow chart

[1]Freescale Semiconductor.MC9S08DZ60 Data Sheet[EB/OL].（2008）.http://www.freesacle.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC9S08DZ60.pdf.

[2]郭亞利，吳欽木，王紅蕾.基于CAN的無觸點車燈開關控制系統研究與實現[J].開發研究，2011（7）:14-17.

GUO Ya-li，WU Qin-mu，WANG Hong-lei.Research and realization of contactless switch system in car light control based on CAN bus[J].Developing Research，2011（7）:14-17.

[3]Herpel T，Kloiber B，German R.Assessing the CAN communication startup behavior of automotive ECUs by prototype measurements[C]//Singapore International Instrumentation and Measurement Technology Conference，2009:928-932.

[4]袁洪芳，金鑫.基于MC9S08DZ60的CAN總線振動傳感器設計[J].電子設計工程，2009，17（7）:23-25.

YUAN Hong-fang，JIN Xin.Design of CAN bus vibration sensor based on MC9S08DZ60[J].Electronic Design Engineering，2011，17（7）:23-25.

[5]RUAN Fang-ming，SUN Si-yang，ZHANG Ling.Some consideration on electromagnetic compatibility in CAN bus design of automobile[C]//Beijing，2010 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility，2010:1431-1434.

[6]高菲菲，王蕓.基于CAN總線的車燈控制系統設計[J].機械工程與自動化，2008，4:152-154.

GAO Fei-fei，WANG Yun.Design of car lamp control system based on CAN bus[J].Mechanical Engineering&Automation，2008，4:152-154.