基于CAN總線的汽車(chē)尾燈控制器的設(shè)計(jì)

張文斌，張玲華，秦延隆，劉召洋，張?zhí)m蘭，韓慶福

（中國(guó)重汽技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟(jì)南 250101）

目前國(guó)內(nèi)重型載貨汽車(chē)的后尾燈控制主要通過(guò)繼電器或車(chē)身中央控制單元。繼電器控制存在使用線束數(shù)量較多、驅(qū)動(dòng)方式不可靠、可維護(hù)性較差等缺陷；車(chē)身中央控制單元控制存在功率驅(qū)動(dòng)端易發(fā)生過(guò)載過(guò)流導(dǎo)致的熱損傷，以致燒毀整個(gè)控制單元，導(dǎo)致故障率提高，降低了整個(gè)電氣系統(tǒng)的可靠性。使用后尾燈控制器進(jìn)行尾燈的驅(qū)動(dòng)及診斷，需要解決由于前照燈功率較大，工作時(shí)間長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致的電路板過(guò)熱，電流過(guò)大導(dǎo)致熱損等問(wèn)題。在驅(qū)動(dòng)與邏輯控制分離的情況下，完全可以通過(guò)良好的硬件電路設(shè)計(jì)，避免這種缺陷的發(fā)生。

汽車(chē)尾燈控制器的開(kāi)發(fā)基于車(chē)身分布式控制策略，將尾燈的驅(qū)動(dòng)和控制分離開(kāi)來(lái)，尾燈控制器負(fù)責(zé)尾燈的驅(qū)動(dòng)及診斷，各模塊間通過(guò)CAN通信的方式，替代繼電器和集中式的車(chē)身控制方式，減少了線束使用數(shù)量，降低了整車(chē)質(zhì)量，具有更高的可擴(kuò)展性及穩(wěn)定性，也便于車(chē)身控制系統(tǒng)的維護(hù)。目前VOLVO、奔馳等公司已采用這種分布式控制策略，在某些車(chē)型或高配車(chē)型上使用尾燈控制器進(jìn)行尾燈的驅(qū)動(dòng)及診斷。隨著整車(chē)電氣系統(tǒng)的復(fù)雜化，使用CAN通信的分布式電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以共享的方式傳送數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字通信和控制功能，已經(jīng)成為車(chē)輛電子電氣的發(fā)展趨勢(shì)，尾燈控制器的開(kāi)發(fā)正是符合這種控制架構(gòu)，已經(jīng)成為下一代重型載貨汽車(chē)尾燈控制的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

1 基于CAN總線的汽車(chē)尾燈控制器設(shè)計(jì)

1.1 總體思路

針對(duì)汽車(chē)尾燈控制器的設(shè)計(jì)定位要求，該控制器的主要功能包括主車(chē)的左／右后轉(zhuǎn)向燈、左／右后位置燈、制動(dòng)燈、倒車(chē)燈及后霧燈的驅(qū)動(dòng)及診斷反饋等。

當(dāng)常電30電源及搭鐵線連接正常的情況下，基于CAN總線技術(shù)的汽車(chē)尾燈控制器可被I-CAN的相關(guān)CAN信息喚醒。汽車(chē)尾燈控制器被喚醒后，可從I-CAN獲取相關(guān)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)信息并按要求驅(qū)動(dòng)相關(guān)燈具等。當(dāng)其驅(qū)動(dòng)的相關(guān)負(fù)載存在開(kāi)路或?qū)Υ铊F短路故障時(shí)，汽車(chē)尾燈控制器可按要求向I-CAN發(fā)送相關(guān)故障信息，以通過(guò)儀表進(jìn)行相關(guān)故障顯示或警示。基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)，汽車(chē)尾燈控制器連接到I_CAN線上，電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)方案

汽車(chē)尾燈控制器硬件系統(tǒng)主要由4部分組成，分別是電源模塊、MCU系統(tǒng)模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊以及通信和外圍模塊等。電源模塊包含防反接功能、TVS瞬態(tài)抑制保護(hù)、阻性負(fù)載故障診斷、過(guò)載短路等智能關(guān)斷等功能；MCU系統(tǒng)模塊包含A／D采集、通用輸入輸出控制、CAN、SCI、BDM等通信接口；功率驅(qū)動(dòng)模塊包含功率驅(qū)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)電流反饋、故障診斷、智能關(guān)斷等功能；通信和外圍模塊包括開(kāi)關(guān)量輸入采集、CAN驅(qū)動(dòng)器保護(hù)、BDM和SCI接口等。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.1 MCU的選擇

MCU是汽車(chē)尾燈控制器的核心，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理、邏輯運(yùn)算以及控制等，MCU的選取是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的任務(wù)。選取NXP公司的MC9S08DZ60單片機(jī)，具備如下特點(diǎn)。

1）采用8位HCS08 CPU，核心運(yùn)算能力可達(dá)到40 MHz，總線速度可達(dá)到20 MHz，采用HC08指令集，帶附加的BGND指令，支持最多32個(gè)中斷／復(fù)位源。

2）片內(nèi)集成了60KB FLASH，4KB RAM和2KB E2PROM，完全滿(mǎn)足程序?qū)Υ鎯?chǔ)空間的要求。

3）外設(shè)接口，包括一路CAN2.0A／B協(xié)議的CAN接口、兩路異步串行通信接口、三路同步串行通信接口、24通道12位A／D接口、一路I2C總線接口、53個(gè)通用I／O口 （其中24個(gè)外部中斷功能）、8通道輸入捕捉／輸出比較／PWM輸出等。本控制器的單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示。

1.2.2 電源模塊

尾燈控制器的供電來(lái)自重型載貨汽車(chē)的蓄電池組，其標(biāo)定電壓＋24 V。汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，蓄電池工作電壓為9～32 V，電壓的不穩(wěn)定將導(dǎo)致尾燈控制器工作不正常。因此，在電源模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了寬電壓輸入范圍，高輸出精度的線性電源芯片TPS7B6950，6.5～40 V電源芯片正常工作，輸出電壓5 V，±2%精度，最大150 mA的工作電流，并具有短路、過(guò)流及溫度過(guò)載保護(hù)等功能。通過(guò)使用這款芯片及其外圍輔助電路 （主要是濾波電路），使得電源模塊供電穩(wěn)定可靠。電源模塊如圖4所示。

圖1 分布式控制系統(tǒng)電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖4 電源模塊

1.2.3 CAN通信模塊

MC9S08DZ60片內(nèi)集成了一路兼容CAN2.0A／B協(xié)議的MSCAN模塊，所以尾燈控制器的CAN通信模塊只需外加CAN收發(fā)器。CAN通信模塊采用了PHILIP公司的TJA1050收發(fā)器芯片。該芯片的波特率范圍是60 kb／s～1 Mb／s，它具有一個(gè)溫度保護(hù)電路，當(dāng)與發(fā)送器連接點(diǎn)的溫度超過(guò)大約165℃時(shí)，會(huì)斷開(kāi)與發(fā)送器的連接 （當(dāng)總線短路時(shí)，更需此溫度保護(hù)電路）。 CAN通信模塊如圖5所示。

圖5 CAN通信模塊

1.2.4 功率驅(qū)動(dòng)模塊

功率驅(qū)動(dòng)模塊采用VND5T035AK驅(qū)動(dòng)芯片，包含功率驅(qū)動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)電流反饋、故障診斷、智能關(guān)斷等功能。此控制器共采用4個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，8路輸出，驅(qū)動(dòng)能力劃分為連續(xù)驅(qū)動(dòng)1 A （21 W／24 V）2路、連續(xù)驅(qū)動(dòng)2 A （42 W／24 V）4路、連續(xù)驅(qū)動(dòng)3 A（70 W／24 V）2路。具備開(kāi)路、過(guò)載、短路故障檢測(cè)功能；具備過(guò)熱、過(guò)流、短路元器件保護(hù)功能；有驅(qū)動(dòng)電流反饋；可選燈泡或發(fā)光二極管負(fù)載驅(qū)動(dòng)類(lèi)型。驅(qū)動(dòng)模塊如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)模塊

1.3 軟件設(shè)計(jì)方案

尾燈控制器的軟件設(shè)計(jì)首先搭建底層的軟件層，它是外設(shè)底層驅(qū)動(dòng)層，主要包含了常用的外設(shè)驅(qū)動(dòng)，比如GPIO用于燈的控制，ADC用于開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)一些重要的掉電不能丟失的數(shù)據(jù)，CAN用于通信，PWM用于復(fù)雜外設(shè)的驅(qū)動(dòng)，RTC構(gòu)造時(shí)基定時(shí)器，看門(mén)狗用于系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保全。

再次設(shè)計(jì)應(yīng)用層程序，應(yīng)用程序?qū)庸δ苌现饕酝庠O(shè)診斷、功率驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)量檢測(cè)、CAN報(bào)文的收發(fā)、CAN報(bào)文故障、數(shù)據(jù)處理和時(shí)間管理為主。多任務(wù)時(shí)間管理層根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行消息管理、任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理優(yōu)化等工作，根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)地切換各個(gè)任務(wù)，保證對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。基于MC9S08系列8位芯片的尾燈控制器軟件架構(gòu)如圖7所示。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟后，應(yīng)用程序以10 ms為周期，連續(xù)診斷（短路故障需檢測(cè)3個(gè)周期即30 ms，其他故障需要檢測(cè)4個(gè)周期即40 ms）。針對(duì)燈泡負(fù)載，通過(guò)診斷可以判別開(kāi)路、過(guò)載、短路等故障，但是當(dāng)電源電壓小于18 V時(shí)不做開(kāi)路故障檢測(cè)；對(duì)于LED負(fù)載，通過(guò)診斷可以判別開(kāi)路、短路等故障。診斷條件：控制命令為1即用戶(hù)開(kāi)啟相關(guān)燈光，并且不存在短路故障，即燈光開(kāi)啟后才能診斷。開(kāi)路故障不關(guān)燈，過(guò)載故障不關(guān)燈，對(duì)搭鐵短路關(guān)燈。

圖7 基于MC9S08系列8位芯片的尾燈控制器軟件架構(gòu)

2 帶CAN功能的尾燈控制器的優(yōu)勢(shì)

1）帶CAN功能的尾燈控制器，CAN總線相對(duì)傳統(tǒng)線束的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)尾燈控制方式為后尾燈分線盒和控制線束，尾燈控制器的應(yīng)用，采用CAN線代替控制線束，可減少線束使用數(shù)量和體積，減少整車(chē)質(zhì)量并降低了生產(chǎn)成本，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和安裝便捷性，且擴(kuò)展了汽車(chē)功能。

帶CAN功能的尾燈控制器，具備后尾燈的診斷保護(hù)功能，同時(shí)尾燈控制器檢測(cè)車(chē)輛尾部燈光故障狀態(tài)，并采集開(kāi)關(guān)信號(hào)狀態(tài)將其反饋給車(chē)身控制器，將信息反饋給儀表，顯示相關(guān)故障信息及工作信息，駕駛員從儀表盤(pán)一目了然。

尾燈控制器可作為掛車(chē)模塊使用，為以后系統(tǒng)擴(kuò)展配置掛車(chē)時(shí)，可增加掛車(chē)模塊來(lái)控制掛車(chē)后尾燈。

尾燈控制器易于測(cè)試，為形成自己的CAN總線測(cè)試規(guī)范，提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2）尾燈控制器的匹配的電氣系統(tǒng)架構(gòu)的先進(jìn)性

尾燈控制器的自主開(kāi)發(fā)，提高了整車(chē)電控設(shè)計(jì)的自主性、通用性和方便功能延展，可更好地滿(mǎn)足相關(guān)法律法規(guī)的使用及擴(kuò)展需求，為整車(chē)網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)安全積累經(jīng)驗(yàn)。

尾燈控制器的設(shè)計(jì)將車(chē)身中央控制器中的部分功能分離開(kāi)來(lái)，尾燈控制器匹配的電氣系統(tǒng)架構(gòu)較車(chē)身中央控制單元電氣系統(tǒng)架構(gòu)成本較低，且降低了CAN線的負(fù)載率，信息傳輸更加可靠、穩(wěn)定。

尾燈控制器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足布局的整車(chē)分布式控制的電氣系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)軟硬件的匹配，可適配LED光源。

3）提供車(chē)身控制系統(tǒng)整套產(chǎn)品

布局整車(chē)車(chē)身分布式控制系統(tǒng)的電器系統(tǒng)架構(gòu)，規(guī)劃包括前模塊、駕駛室內(nèi)模塊、尾燈控制器等，為確保新開(kāi)發(fā)模塊可靠、可用，采用逐步開(kāi)發(fā)，分布實(shí)施的原則，首先開(kāi)發(fā)車(chē)輛尾燈控制器，驅(qū)動(dòng)后尾燈，驅(qū)動(dòng)形式能兼容燈泡和LED負(fù)載，可更好地滿(mǎn)足市場(chǎng)的不同需求。通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，可逐步為企業(yè)研發(fā)安全、可靠、低成本的車(chē)身控制系統(tǒng)整套產(chǎn)品，提高企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3 總結(jié)

重型載貨汽車(chē)掛車(chē)尾燈后裝市場(chǎng)情況比較復(fù)雜，掛車(chē)尾燈分普通白熾燈泡和LED燈。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的市場(chǎng)情況，尾燈控制器應(yīng)運(yùn)而生。車(chē)輛尾燈控制器的主要功能是驅(qū)動(dòng)后尾燈，可針對(duì)白熾燈泡和LED兩種發(fā)光類(lèi)型的后尾燈，尾燈控制器通過(guò)EOL標(biāo)定實(shí)現(xiàn)硬件電路電流診斷電路的切換，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種類(lèi)型尾燈的開(kāi)路、短路等故障診斷，實(shí)現(xiàn)兩種尾燈驅(qū)動(dòng)兼容，且能夠更好地保護(hù)后尾燈，滿(mǎn)足市場(chǎng)的不同需求。LED是一種高效環(huán)保的新型半導(dǎo)體光源，有其它光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)重型汽車(chē)照明應(yīng)用中前景廣闊，同時(shí)LED后尾燈也逐漸成為各主機(jī)廠出廠的首要選擇，尾燈控制器的應(yīng)用，完全滿(mǎn)足LED燈的使用要求。隨著LED后尾燈的普遍應(yīng)用，尾燈控制器的應(yīng)用也具有巨大的市場(chǎng)潛力。