AFS系統(tǒng)主從ECU的LIN通訊優(yōu)化研究?

王成志，李建成，張 銳，彭 毅，范多旺

（蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室，蘭州730070）

AFS系統(tǒng)主從ECU的LIN通訊優(yōu)化研究?

王成志，李建成，張 銳，彭 毅，范多旺

（蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室，蘭州730070）

智能化自適應前照燈系統(tǒng)（AFS）是汽車安全性和舒適性的重要指標之一。目前汽車AFS主要是利用單LIN總線通訊實現(xiàn)主ECU與從ECU的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)基本實現(xiàn)了前照燈的智能控制，但存在發(fā)送幀冗余、多從ECU之間數(shù)據(jù)干擾、實時響應慢等問題。在分析現(xiàn)有AFS系統(tǒng)的基礎上，提出利用雙LIN總線實現(xiàn)主從ECU通信的設計方案。實驗證明，雙LIN總線結構能夠有效減少信號之間的干擾，通信過程穩(wěn)定性高，實時調(diào)光效果好。

智能化自適應前照燈系統(tǒng)；LIN通訊；單片機

1 引 言

智能化自適應前照燈照明系統(tǒng)AFS（advanced front-lighting system）是一個由傳感器組、傳輸通路、電控單元和執(zhí)行機構組成的系統(tǒng)［1］。AFS從多種傳感元件和其它控制系統(tǒng)取得相應的車輛行駛信息，經(jīng)過處理器的分析和處理，控制執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)不同行使路況（如高速公路、城市道路、顛簸路面等）、不同環(huán)境模式（如夜間、白天、下雨、下雪）、不同行駛情況（如拐彎、剎車等）下的前照燈自動調(diào)整，以提供最好的照明效果，增加駕駛的安全性和舒適性。

目前，汽車AFS系統(tǒng)主要是利用單LIN總線實現(xiàn)主ECU與從ECU的數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)前照燈步進電機的控制［2-3］。其主節(jié)點發(fā)送幀頭，從節(jié)點根據(jù)發(fā)送的幀頭類型決定應該由哪個從節(jié)點做出響應，如圖1（a）所示。這種系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)模塊之間數(shù)據(jù)的傳輸，但存在如下問題［4-5］：①發(fā)送幀冗余；②同一信號發(fā)送到兩從ECU之間造成從ECU之間的數(shù)據(jù)干擾；③實時響應執(zhí)行效果較差。為了解決以上問題，提出左右從ECU采用不同的LIN總線進行通訊的優(yōu)化方案，如圖1（b）所示。

圖1 主從ECU結構示意圖

2 AFS硬件設計

AFS控制單元包括主ECU和左、右從ECU。主ECU包括：主控制器、CAN控制器、LIN控制器、LIN收發(fā)器；從ECU包括：LIN收發(fā)器、電機驅(qū)動模塊、霍爾電路及電源管理模塊。電控單元ECU通過CAN總線從方向盤角度、車速、車身高度位移等傳感器分別取得轉向輪旋轉角度、車體速度和車身傾斜度等的精確車輛行駛信息，經(jīng)過控制器運算和處理，并獲得恰當?shù)那罢諢艨刂浦担詈笸ㄟ^LIN總線傳輸?shù)阶笥臆嚐舻膹腅CU控制模塊。從ECU根據(jù)接收到的LIN信號，通過驅(qū)動電路驅(qū)動外部步進電機進行相應的動作。AFS系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 AFS系統(tǒng)硬件框圖

2.1 控制器設計

MCU選用infineon公司的單片機XC2234L［6］。該單片機是汽車電子專用16／32位單片機，具有MultiCAN控制器單元，支持異步數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收，同時具有四路串行接口通道和窗口看門狗的程序檢錯模塊。

2.2 LIN信號收發(fā)器設計

LIN信號收發(fā)器選用TI公司的SN65HVDA100-Q1收發(fā)器。SN65HVDA100-Q1為汽車專用器件，是LIN通訊的物理接口，并且符合LIN2.0規(guī)范。該收發(fā)器具有最高20kbps的傳送功能和高強度的信號接收能力。SN65HVDA100-Q1與單片機的連接圖如圖3所示。

圖3 SN65HVDA100-Q1與單片機的連接圖

3 LIN總線通訊

LIN總線是專門為汽車開發(fā)的一種低成本串行網(wǎng)絡，是對現(xiàn)有汽車多元化網(wǎng)絡公文包的一個補充。LIN通訊基于SCI（UART）數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器／多從設備的模式，僅使用一根12V信號總線和一個無固定時間基準的節(jié)點同步時鐘線，并且從機節(jié)點不需要石英或陶瓷諧振器就能實現(xiàn)自同步。LIN協(xié)議作為一個成本低、距離短、速度慢的串行通訊網(wǎng)絡協(xié)議，能夠連接車輛內(nèi)各種子系統(tǒng)，增強子系統(tǒng)之間的通訊效率，提高可靠性。同時，在帶寬要求不高、功能簡單、性能指標較低的情況下，使用更低成本的解決方案補充類似CAN的高端汽車總線的不足［7］。該LIN通訊遵循LIN2.0規(guī)范。

3.1 幀信號傳輸

LIN總線上進行傳送的實體是幀信號，幀是由一個幀頭和一個幀響應組成。幀頭包括同步間隔場、同步場和標識符場。間隔場標識一個新幀的起始點，標識符場在間隔場和同步場之后，唯一決定了幀的目的。數(shù)據(jù)場和校驗和場屬于幀響應部分，用于輸送該目的。每個預定的幀總會在總線上分配一個幀槽，幀槽的時間必須足夠長，以便在最糟情況下也能裝載幀。幀結構如圖4所示。

3.2 LIN機群任務

LIN機群由一個主機任務和幾個從機任務組成，主節(jié)點包括主機任務和從機任務，而從節(jié)點只包含從機任務。在幀傳輸過程中，所有幀頭都由主機任務發(fā)起，如果從機任務對標識符有關的數(shù)據(jù)感興趣，那么它就可以接收這個響應。圖 5（a）和圖5（b）所示分別為主機任務狀態(tài)和從機任務狀態(tài)，主機任務發(fā)送幀頭，在接收完間隔和同步場之后，從機任務繼續(xù)接收標識符場，并據(jù)此判斷接收主機發(fā)來的數(shù)據(jù)或者回發(fā)主機所需要的幀數(shù)據(jù)，并使用傳送過來的信號數(shù)據(jù)。該幀的傳送過程使得LIN通訊具有以下特點：節(jié)點可被添加到LIN機群上，而不改變其它從節(jié)點的軟件硬件；信息的內(nèi)容由標識符定義；多個節(jié)點可同時接收信息并共用單個幀。

圖4 幀結構

圖5 主／從機任務

3.3 進度表

進度表為LIN通訊中的一個重要概念。它具體規(guī)定了每個幀頭的標識符號及幀與幀之間的間隔，如圖6所示。一個主機程序中可以使用多個進度表，同時幀被分配了具體的入口點，一旦當前進度達到下一個目的入口點，新的進度將會被激活。

圖6 進度表

在以上實例中，VL1代表進度表標識符，其在Schedule_tables中具有唯一性；VL1_CEM_Frm1、VL1_LSM_Frm1、VL1_CPM_Frm1、VL1_CPM_Frm2為幀標識符，其為Frames子集中定義的frame_name標識符中的一個；delay后的時間表示了兩相鄰幀之間的時間間隔。

4 雙LIN總線傳輸?shù)能浖O計

系統(tǒng)程序采用TASKING_C166編譯器，并利用infineon的DAVE［6］生成器生成MCU底層驅(qū)動代碼。DAVE生成代碼后在user code中添加用戶程序，以實現(xiàn)全部功能，該程序以調(diào)用進度表的形式實現(xiàn)LIN通訊的全過程，共三個進度表，分別為進度表0、進度表1、進度表2。

4.1 程序流程圖

系統(tǒng)首先進行LIN的底層初始化，調(diào)用進度表0查詢從節(jié)點有無故障，如有，根據(jù)故障信息調(diào)用進度表0進行相應的修復；確認從節(jié)點無故障后，調(diào)用進度表2（配置幀的高位為1）進行馬達初始化，還要通過再次調(diào)用進度表0查詢初始化的完成情況；初始化后，調(diào)用進度表2（配置幀的高位為0）進行正確位置配置。該過程分配80ms的定時時間，以80ms為周期無限循環(huán)，從而發(fā)送最新的更新數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對環(huán)境改變的實時調(diào)整。LIN通訊流程示意圖如圖7所示。

4.2 程序代碼

進度表0包含34、35狀態(tài)查詢幀的發(fā)送，分別對應左右從節(jié)點，即對應兩路LIN通訊。進度表1中含有20命令幀，包括對從節(jié)點故障清除請求位域和從節(jié)點休眠請求位域。進度表2含有位置配置幀30，幀以16位數(shù)據(jù)為劃分單位，分別對應DHL位置、左AFL位置、右AFL位置的數(shù)據(jù)。部分代碼如下：

其中，LINSchMng（）函數(shù)即實現(xiàn)了主機根據(jù)進度表發(fā)送幀的過程。

圖7 LIN通訊流程示意圖

5 軟件仿真結果與分析

MASTERECU和SLAVE ECU通過CANoe［8］工具軟件監(jiān)控二者之間的LIN通訊，由CAN仿真LIN的主節(jié)點，通過trace窗口觀察到的通訊如圖8所示。主ECU與兩路LIN通訊對應的從ECU很好的實現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步傳輸，解決了原系統(tǒng)中發(fā)送幀冗余及數(shù)據(jù)干擾問題。整個通訊過程中，幀數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定，沒有造成掉幀錯幀等錯誤，左右LIN的通信時差為微秒級，實時同步調(diào)光效果好。

圖8 系統(tǒng)仿真圖

6 結束語

單LIN總線是目前應用最為廣泛的結構，在此基礎上，提出了相應的優(yōu)化方案，為實現(xiàn)汽車前照燈的智能控制提供了新思路。實驗表明，雙LIN總線結構能夠有效減少多從ECU數(shù)據(jù)信號之間的干擾，同時，整個主從通訊過程穩(wěn)定性能高，實時調(diào)光效果好，無丟幀失幀現(xiàn)象，基本達到了設計要求。本課題的未來研究重點是實現(xiàn)雙LIN總線在汽車智能駕駛中的實踐應用。

［1］崔惠中，關志偉.智能前照燈系統(tǒng)（AFS）研究現(xiàn)狀綜述［J］.天津工程師范學院學報，2008（3）：47-54.

［2］林國余，王東，姚平.基于LIN總線的主從式自適應前照燈控制系統(tǒng)［J］.計算機測量與控制，2011（9）：2142-2146.

［3］鄭榮良，胡永亮，俞方磊.基于CAN／LIN混合網(wǎng)絡的智能汽車前照燈系統(tǒng)（AFS）的設計［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2009（10）：112-115.

［4］佟為明，孫凡金，趙志衡.LIN總線技術［J］.低壓電器，2004（2）：35-38.

［5］魏冰，劉少鵬.基于LIN總線的汽車HID前照燈自動調(diào)光系統(tǒng)［J］.電子設計應用，2007（1）：98-100.

［6］Infineon Technologies AG.16／32-Bit Architecture（XC2234L）User＇s Manual［Z］.Munich，Germany：V1.3，2010（04）.

［7］鄭榮良，袁鵬平.局域互聯(lián)網(wǎng)絡LIN總線在車輛上的應用［J］.江蘇大學學報，2004（3）：129-132.

［8］閆旭琴，王知學，李建新.CANoe軟件在車載診斷中的應用［J］.科技傳播，2009（12）：88-90.

Study on LIN Communication Optim izing of the Master-Slave ECU of AFS System

WANG Cheng-zhi，LIJian-cheng，ZHANG Rui，PENG Yi，F(xiàn)AN Duo-wang
（Key Laboratory of Opto-electronic Technology and Intelligent Control（Ministry of Education），Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

The advanced front-lighting system（AFS）is important for safety and comfort of the automobile.Currently automotive AFSmainly uses single LIN to conduct data communication between the master ECU and slave ECU.The system basically realizes intelligent control for the headlamp，but there are some problems such as the redundant transmission frames，the interference of data between several slave ECUs and slow real-time response.The new system uses dual LIN bus to realize the communication between themaster ECU and slave ECU by the analysis of the existing AFSsystem.The experimental results show that the dual LIN bus system can reduce the interference of data between several slave ECUs effectively，the communication process of the system is stabile and the real-time dimming response is effective.

AFS；LIN communication；Single-Chip Microcomputer

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.017

TN919

：A

：1002-2279（2014）04-0052-04

國家高科技研究發(fā)展計劃（863計劃）課題資助（2012AA040207）

王成志（1988-），男，山東人，碩士研究生，主研方向：鐵路交通信息工程及控制。

2013-12-23