基于LIN總線的汽車室內(nèi)照明智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

明顯誠 許博

摘 ?要： 汽車室內(nèi)照明系統(tǒng)中通過LIN總線通信節(jié)點(diǎn)替代復(fù)雜的線束，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單、精準(zhǔn)的照明調(diào)控。設(shè)計(jì)通過1個主節(jié)點(diǎn)以及2個從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制的汽車室內(nèi)照明智能調(diào)控系統(tǒng)，系統(tǒng)通過光照度采集模塊，利用光敏電阻采集汽車室內(nèi)當(dāng)前光照度;根據(jù)當(dāng)前光照度信號，利用以MC56HC908GZ60芯片為核心的LIN模塊，實(shí)現(xiàn)汽車室內(nèi)照明燈控制命令的響應(yīng)、傳輸和調(diào)控，控制命令信號通過LIN總線傳輸?shù)角啊⒑罂刂破髦?，兩種控制器采用光照度恒定控制算法，實(shí)現(xiàn)汽車室內(nèi)光照度的恒定調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)輸出電壓和電流能夠保持相對穩(wěn)定，在滿足汽車室內(nèi)照明系統(tǒng)需求的同時，將亮度誤差控制在1%以下，實(shí)現(xiàn)汽車室內(nèi)照明燈的精確控制。

關(guān)鍵詞： 汽車室內(nèi)照明; 智能調(diào)控; 照明調(diào)控; 信號控制; 亮度誤差; LIN總線

中圖分類號： TN948.2?34; TP368 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0161?04

Design of intelligent control system based on LIN bus for automotive indoor lighting

MING Xiancheng1， XU Bo2

（1. Engineering Training and Management Experiment Center， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China;

2. East China Institute of Computing Technology， Shanghai 200233， China）

Abstract： The LIN bus communication node is used to replace the complex wiring harness in the automobile indoor lighting system， which can achieve simple and accurate lighting control. An intelligent control system of automobile indoor lighting is designed， which is controlled by one master node and two slave nodes. The current illumination of automobile indoor is collected by photoresistor and illumination acquisition module. According to the current illumination signal， the LIN module with MC56HC908GZ60 chip as the core is used to realize the response， transmission and control of the control command of automobile indoor lighting and to control the command signals which are transmitted to front and rear controllers through LIN bus. The two controllers adopt constant illumination control algorithm to achieve constant illumination control in automobile indoor. The experimental results show that the output voltage and current of the system can keep relative stability， and the brightness error can be controlled below 1% while meeting the requirements of the automobile indoor lighting system， so as to realize the accurate control of the automobile indoor lighting.

Keywords： automobile indoor lighting; intelligent regulation; illumination regulation; signal control; brightness error; LIN bus

0 ?引 ?言

當(dāng)前，基于CAN總線實(shí)現(xiàn)汽車室內(nèi)照明控制的方式已得到越來越多的使用，然而當(dāng)汽車總線節(jié)點(diǎn)逐漸上升，且電子技術(shù)開始向中低檔汽車延伸后，基于CAN總線的汽車室內(nèi)照明控制受成本限制，實(shí)用性能與性價(jià)比均有所降低[1?2]。在此情況下，基于LIN總線實(shí)現(xiàn)汽車室內(nèi)照明智能控制方法應(yīng)運(yùn)而生?；贚IN總線的汽車室內(nèi)照明調(diào)控系統(tǒng)是以普通的串行通信接口為基礎(chǔ)。LIN主線主要應(yīng)用在無需CAN性能、帶寬和較為簡單的控制系統(tǒng)中[3]，LIN子總線是對CAN網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，結(jié)合CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對汽車的控制。由于汽車室內(nèi)照明調(diào)控系統(tǒng)無實(shí)時性要求[4]，且汽車室內(nèi)照明控制模塊連接的傳感器與執(zhí)行器較多，適合采用LIN總線進(jìn)行控制，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制等級清晰的優(yōu)點(diǎn)，還能降低成本提升性價(jià)比，實(shí)現(xiàn)汽車室內(nèi)照明的精準(zhǔn)控制。

1 ?汽車室內(nèi)照明智能調(diào)控系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

依照汽車室內(nèi)照明的現(xiàn)實(shí)需求制定相關(guān)室內(nèi)照明控制策略：白天時，汽車室內(nèi)燈光熄滅;傍晚時，汽車室內(nèi)光線昏暗;夜晚時，外部光線較暗，需要將汽車室內(nèi)燈光調(diào)亮。為實(shí)現(xiàn)這一控制策略，設(shè)計(jì)基于LIN總線的汽車室內(nèi)照明控制智能調(diào)控系統(tǒng)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由1個主節(jié)點(diǎn)和2個從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，主節(jié)點(diǎn)的主要功能是獲取中央傳感器與光照度采集模塊采集的光照度信號[5]，對信號實(shí)施相應(yīng)處理后發(fā)送差異的報(bào)文幀頭，再通過LIN總線將控制信號傳輸?shù)綇墓?jié)點(diǎn)1和2中，操控前燈控制器以及后燈控制器，通過光照度恒定控制算法，完成汽車室內(nèi)照明燈的恒定控制。對于從節(jié)點(diǎn)時前燈控制器和后燈控制器，若從節(jié)點(diǎn)對主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文幀無響應(yīng)，那么主節(jié)點(diǎn)上的報(bào)錯指示燈給予相應(yīng)反應(yīng)，顯示出現(xiàn)故障的從節(jié)點(diǎn)照明燈位置。

1.2 ?光照度采集模塊設(shè)計(jì)

光照度采集模塊中主要采用光敏電阻實(shí)現(xiàn)光照度采集。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到，光敏電阻最優(yōu)安裝位置為汽車車頂正上方，通常情況下光敏電阻探測范圍中的環(huán)境光強(qiáng)均能夠被光敏電阻準(zhǔn)確采集[6]，采集到光強(qiáng)信息在經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后被發(fā)送至單片機(jī)中，單片機(jī)發(fā)射無線信號通過LIN模塊實(shí)現(xiàn)汽車室內(nèi)照明燈亮度調(diào)控，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 ?LIN模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LIN模塊的主要功能是根據(jù)光照度采集模塊采集的當(dāng)前汽車室內(nèi)光照度信號，實(shí)現(xiàn)汽車室內(nèi)照明燈控制命令的響應(yīng)、傳輸和調(diào)控。汽車室內(nèi)照明智能調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)使用者設(shè)定的控制命令，快速進(jìn)行相應(yīng)響應(yīng)，當(dāng)汽車室內(nèi)照明燈出現(xiàn)問題時，使用者根據(jù)指示燈了解故障信息。由于汽車室內(nèi)照明不具備實(shí)時性要求，采用傳輸速率上限為25 Kb/s的LIN總線，控制汽車室內(nèi)照明燈，滿足用戶控制要求，同時節(jié)省費(fèi)用，性價(jià)比較高。LIN模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

LIN模塊的核心為MC56HC908GZ60芯片，該芯片中ESCI通道、定時器通道、CAN通道和A/D轉(zhuǎn)換通道的數(shù)量分別為1，2，1和15。其中，ESCI通道與LIN收發(fā)器連接，主要作用是實(shí)現(xiàn)LIN通信[7];兩個定時器通道之一用來判斷LIN通信內(nèi)定時。

LIN收發(fā)器采用LIN總線單線物理接口器件MC33399，其傳輸速率為1～25 Kb/s，包含正常模式與睡眠模式兩種工作模式[8]。

1.4 ?軟件設(shè)計(jì)

1.4.1 ?LIN節(jié)點(diǎn)程序流程設(shè)計(jì)

基于LIN總線的汽車室內(nèi)照明智能調(diào)控系統(tǒng)，將LIN總線的主節(jié)點(diǎn)波特率設(shè)定在9 500 b/s以上，從節(jié)點(diǎn)采用自動檢測法確定波特率，若從節(jié)點(diǎn)確定的波特率與主節(jié)點(diǎn)比特率差距較大，那么顯示故障提醒，通信中斷[9]。因?yàn)橹鞴?jié)點(diǎn)發(fā)送的主機(jī)任務(wù)與從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的從機(jī)任務(wù)共同構(gòu)成LIN總線的整個報(bào)文幀，所以主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)程序均循環(huán)查詢主機(jī)或從機(jī)任務(wù)。其中主節(jié)點(diǎn)程序流程如圖4所示。

1.4.2 ?光照度恒定控制算法

用[Nr]，[Nz]分別表示人工光照度、外界自然光照度，其中[Nz]包括[No]和[Nm]，表示直射光照度和漫射光照度。汽車室內(nèi)照明自適應(yīng)調(diào)節(jié)是以[Nr+Nz]達(dá)到[ΔN]來恒定的，即：

[N=Nr+Nz] ? ?（1）

式中，[N]為汽車室內(nèi)光照度。

若汽車室內(nèi)目標(biāo)光照度為[ΔN]，需要調(diào)控[Nr]為：

[Nr=No+Nm-ΔN] （2）

依據(jù)工作面的平均光照度判定整個汽車室內(nèi)光照度[10]。采用系數(shù)法確定汽車室內(nèi)的平均光照度，在結(jié)合工作面上的有效光通量[Δθ]和額定光通量[θ]，計(jì)算光利用系數(shù)，計(jì)算公式如下：

[CU=Δθθ] ?（3）

由于汽車室內(nèi)照明智能調(diào)控系統(tǒng)中，[Er≈Eav]，因此調(diào)控?zé)艟吖馔磕軌驅(qū)崿F(xiàn)汽車室內(nèi)光照度[E]的恒定調(diào)控。車光照度調(diào)控公式為：

[Δθ=No+Nm-ΔNL·E·I·θ] （4）

基于給定的自然光照度，根據(jù)式（4）調(diào)控車燈照度，實(shí)現(xiàn)汽車室內(nèi)光照度的恒定。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)通過Proteus軟件模擬本文設(shè)計(jì)的汽車室內(nèi)照明智能調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控效果，以某型號行車為試驗(yàn)對象，在實(shí)驗(yàn)對象上安裝本文系統(tǒng)，并對其驅(qū)動電路實(shí)施仿真，以驗(yàn)證本文系統(tǒng)的可行性。驅(qū)動電路的電壓與電流仿真結(jié)果如圖5所示。

分析圖5得到，圖5a）中，當(dāng)初始時間為0時，驅(qū)動電路輸出電壓也為0。經(jīng)過數(shù)毫秒的延遲后出現(xiàn)上升趨勢，在330 ms左右后呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間的不斷提升，輸出電壓持續(xù)保持穩(wěn)定。圖5b）中，實(shí)驗(yàn)對象驅(qū)動電路的輸出電流走勢同輸電電壓走勢大致相同。在初始時刻，電流值同樣為0，經(jīng)過330 ms左右呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電流持續(xù)穩(wěn)定后，同樣與時間軸保持相對平行狀態(tài);而輸出電流波動會導(dǎo)致汽車室內(nèi)照明燈的光照度出現(xiàn)波動。當(dāng)輸出電流波動頻率達(dá)到110 Hz以上時，通常照明燈光強(qiáng)度變化不顯著，輸出電流的平均值穩(wěn)定，汽車室內(nèi)照明燈的光強(qiáng)度在整體上保持均勻狀態(tài)。

在汽車外部環(huán)境亮度有所差異的條件下，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行控制時，得到汽車室內(nèi)照明燈的自動調(diào)控?cái)?shù)據(jù)如表1所示。對比本文系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)和基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車室內(nèi)照明智能調(diào)控系統(tǒng)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表2），驗(yàn)證本文系統(tǒng)的控制精度。

對比表1和表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，本文系統(tǒng)調(diào)控汽車室內(nèi)照明燈的光照度誤差未超過1%，而基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)調(diào)控汽車室內(nèi)照明燈的光照度誤差均在2%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，本文系統(tǒng)對汽車室內(nèi)照明燈的控制精度較高，可滿足汽車室內(nèi)照明控制的要求。

3 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)基于LIN總線的汽車室內(nèi)照明智能調(diào)控系統(tǒng)，在LIN總線控制下，通過LIN模塊根據(jù)光照度采集模塊采集的光照度結(jié)果，對用戶控制命令進(jìn)行響應(yīng)、傳輸和調(diào)控，前、后燈控制器基于控制信號，采用光照度恒定控制算法，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明系統(tǒng)的智能調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)在滿足汽車室內(nèi)照明系統(tǒng)需求的同時，能夠精準(zhǔn)控制照明燈亮度。

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