基于CAN總線的車輛模式開關設計

胡 娟，蘆 莎

（黃山學院 機電工程學院，安徽 黃山 245041）

1 引 言

隨著消費者對汽車駕駛舒適度的要求越來越高，汽車內部供駕駛員操作的開關按鍵以及相關的電子模塊越來越多，必然導致電子模塊之間的連接線束越來越多，也越來越復雜。大量的連接線束提高了車輛設計的成本，更嚴重的是過多線束應用帶來了巨大的安全隱患。為了縮減汽車線束的使用，近些年乘用車開始大量出現總線類開關[1]。諸如采用LIN 總線的玻璃升降開關、采用CAN 總線的空調面板開關以及汽車儀表。CAN 總線的車輛模式開關正是在這些應用的背景下提出將車輛模式的選擇使用CAN總線的方式實現，提高了車輛模式選擇的安全性，對車身開關集成化設計具有一定的參考意義。

2 CAN總線的特點

相對于其它的通信方式，CAN總線通信具有突出的實時性、穩定性和可移植性。其主要的特點可概括為：

1.CAN 總線的網絡節點沒有主從關系，通過判斷優先級，采用總線仲裁技術來發送信息，不存在主節點的調度以及輪詢，因此CAN網絡系統的響應速率非常高[2]。

2.CAN 網絡采用差分傳輸技術，有效的規避了供電系統網絡以及電源網絡帶來的信號干擾，有效地提高了通信數據的可靠性以及電磁抗干擾能力。

3.CAN網絡采用總線編碼的形式涵蓋節點實際的功能指令，理論上CAN網絡節點的框架不受硬件電路的限制[3]。

4.CAN 網絡的所有節點均包含通信錯誤檢測、錯誤通知、錯誤恢復，而且CAN 網絡長時間發生錯誤時，可以將發生錯誤的節點暫時從總線上剝離[4]。

3 基于CAN總線的車輛模式開關

3.1 車輛模式開關

隨著國家對能源消耗的戰略部署要求和消費者對車輛舒適度以及應用場合的要求，車輛的運行模式得到了長足的發展?，F階段針對車輛模式主要3 種：1.傳統動力的燃油車；2.燃油和電動同時存在的混動動力車（HEV 模式）；3.純電動車（EV 模式）[5]。另外針對消費者對車輛舒適度以及應用場合的要求，車輛的駕駛模式又分為：1.Sport 模式（運動模式可更改發動機以及變速箱的運行模式，提供車輛更加強勁的動力）；2.Snow 模式（雪地模式可更改制動系統的運行模式，更好地實現車輛的制動和防滑）；3.ECO 模式（經濟模式可更改發動機以及給油系統的運行模式，在擁堵的城市交通中可以達到省油的目的）[6]。

上述的車輛模式或者駕駛模式，并不是在汽車上同時存在的，具體車輛設計怎樣的操作模式需要車輛制造商經過調研和權衡后進行選擇。本文的設計提供一種模式選擇開關，其包含2種車輛模式：EV 模式和 HEV 模式，3 種駕駛模式：Sport 模式、Snow 模式以及ECO 模式。車輛駕駛員可通過操作該開關，實現車輛模式以及駕駛模式的切換請求，開關的所有輸出信號均采用CAN 總線通信的方式同車輛其它的控制器進行信息交互，如發送機控制單元、ECU模塊、車輛動力系統ePT模塊等。

3.2 車輛模式選擇開關的電路框圖

如圖1 所示，車輛模式選擇開關包含電源轉換模塊將車輛提供的12V 電源轉換為5V 電源提供系統微控制器工作；模式選擇按鍵采樣部分，當駕駛員操作按鍵時將按鍵信號通過微控制器轉換為串口信號并輸出給CAN收發器；CAN收發器將微控制器輸出的串口信號轉換為符合CAN2.0 標準協議的CAN報文信號，提供車身其它控制器用于車輛模式選擇的識別。

圖1 車輛模式選擇開關架構圖

3.3 車輛模式選擇開關的硬件設計

3.3.1 帶自鎖功能的電源轉換模塊

乘用車供電電壓為12V 電源系統，車輛控制器或者模塊為了滿足內部MCU 工作均為5V 電源系統。因此車輛模式選擇開關需要設計一個12V 轉5V 的電源轉換模塊。由于車輛模式選擇開關的供電電源連接到車輛蓄電池上，為了降低車輛模式選擇開關的靜態功耗，保證長期使用以后蓄電池不出現饋電的情況，本文設計一種帶有自鎖功能的電源轉換電路，以達到靜態功耗為零的目的。設計電路如圖2。

圖2 帶自鎖功能的電源轉換模塊

電路中電容C2、C4以及TVS管DZ1為電源端口濾波以及抑制浪涌的元器件；二極管D1起到了防反接的作用；電容C1、EC1以及EC2、C3均為濾波電容和儲能電容，U1 為12V 電壓轉換為5V 電壓的單端穩壓芯片。該電路的最大特點在于由三極管搭建的自鎖機構，其能夠保證車輛模式選擇開關的靜態功耗為零，具體的工作原理如下：

1.當車輛點火時，由R1、R3 分壓后形成的電壓通過二極管D2驅動三極管Q2，從而打開三極管Q1保證整個電源轉換電路在點火瞬間即可開始工作；

2.當車輛點火以后，由R1、R3 分壓后形成的電壓通過電阻R2 提供給內部MCU 的檢測端口，車輛模式選擇開關內部MCU 判定此時車輛點火并在電阻R4的右側提供5V的電源驅動，保證三極管Q2打開。當這個過程建立完畢，即使取消車輛點火電源的供給，整個電路仍然能夠有效地工作；

3.當車輛熄火即點火電源消失，此時MCU的點火電源檢測端口識別到車輛熄火，車輛模式選擇開關內部MCU 在“MCU 端口驅動”的引腳進行計數，當計數時間達到了預設值即關閉驅動，整個電源轉換電路停止工作，車輛模式選擇開關的靜態功耗為零；

圖3 CAN通信接口電路圖

4.“MCU端口驅動”在點火電源消失以后設置計數的目的是為了進行CAN通信數據的保存，MCU軟件設計的記憶儲取。

3.3.2 CAN通信接口電路

TJA1040 是荷蘭飛利浦公司制造的一款高速CAN收發器，是乘用車CAN網絡同車身模塊微控制器之間的主要連接器件。它能夠提供高速的CAN通訊應用環境，在待機模式下具有非常低的靜態功耗，而且能夠對各種錯誤幀進行檢測并回到正常的工作模式。

1.TJA1040 有兩種工作模式可以通過引腳STB選擇對這些操作模式有詳細的描述，如表1。

表1 工作模式

正常模式：在該模式下CAN總線可正常通信。

待機模式：在這種模式下收發器處于低功耗狀態，靜態電流可以達到微安的級別。同時還具有總線喚醒檢測的功能[7]。

2.喚醒

在待機模式中CAN收發器的SPTL引腳實現了對總線信號的監控，一旦檢測到總線處于活動狀態，收發器將進入正常模式[8]。

3.4 車輛模式選擇開關的軟件設計

車輛模式選擇開關整個的軟件框架進行分塊設計，將各個功能函數的子模塊進行封裝。主要包括：CPMU_Initallzation、GPIO_Initallzation、Time_In itallzation、 ADC_Initallzation、 SCI_Initallzation、WDT_Initallzation。

關于功能應用如圖4 所示，一共封裝了5 個功能模塊：按鍵掃描模塊、CAN信號發送模塊、電源管理模塊、CAN信號接收模塊、休眠喚醒模塊。

圖4 車輛模式選擇開關軟件框架以及函數功能圖

如圖5，車輛模式選擇開關采用分塊的架構進行軟件設計。完成整個硬件的初始化以后，首先對車輛的電源模式進行判定讀取車輛當前狀態。在明確車輛點火以后進行按鍵掃描，判斷駕駛員當前需要請求切換的駕駛模式或者車輛模式。獲得駕駛員的請求以后，將按鍵信號轉換為CAN總線信號發布到車身網絡，同其它車身控制器進行信息交互并請求其它車身控制器執行相應的功能狀態。整個軟件運行還包括休眠和喚醒的部分，當車輛熄火或者駕駛員長期沒有操作任何按鍵，車輛模式選擇開關將進入休眠模式，降低工作電流、減小電能的消耗。

圖5 車輛模式選擇開關軟件流程圖

4 結束語

采用本文提供的設計方法，將車輛模式選擇開關的多個按鍵集成CAN信號的形式進行輸出，與車身其它模塊進行信息交互，有效地提高了模式選擇類型開關的安全等級以及功能的拓展性。

圖6 Vehicle SPY總線通信設備測試界面

如圖6所示，通過Vehicle SPY軟件模擬車輛其它CAN節點信號，設計的車輛模式選擇開關能夠安全有效地進行車輛和駕駛模式的請求，同時也能夠及時地響應車輛其它控制節點的命令。相對于車輛模式開關的CAN總線設計還涉及到診斷服務，例如節點丟失、總線關閉、電源電壓過高、電源電壓過低等需要進行進一步的研究和探討。