基于CAN 總線的車身控制模塊的硬件設計

文/胡 珊（安徽華菱汽車有限公司）

一、基于CAN 總線的車身控制模塊的功用

CAN 總線是一種支持分布式和實時控制的串行通信網絡，以其高性能和高可靠性在自動控制領域有著廣泛的應用[1]。隨著技術的進步，重型卡車上的電子控制器越來越多，基于CAN 總線環境下研制的車身控制模塊，是重型卡車上最基本的功能性控制器。該控制器的設置可實現重卡的整車信息共享，最優化安排各類輸入輸出。通過總線，遵循一定的協議，不需要額外增加電路就可以讀取其他控制器的信號，如發動機ECU 的轉速脈沖信號、加速踏板的開度信號、變速箱檔位信號以及其他各類傳感器信號，也可采集儀表以及其他所需的信息并發送到總線。

二、重型卡車車身控制特點分析

基于CAN 總線開發的車身控制模塊為功率型器件，可以大功率輸出，內部集成了多個繼電器，可節省外部繼電器，有效減少電磁干擾，優化整車線束，減少故障風險點。除此之外，還具備故障報警、自保護、自恢復能力，車身控制模塊發生故障更換固件即可，保證了整車故障的可追溯性及整車系統的可維護性。

商用車重卡運營的環境較惡劣，運行過程中會有機械振動和化學腐蝕等，對車身控制模塊的安全可靠性提出了更高的要求。整車控制網絡中的各模塊依據就近原則進行分布式布置[2]，各個控制器模塊主要由主控制單元、信號輸入單元、功率輸出單元、通訊單元等組成。主控制單元對預處理過的信號進行運算處理，并將處理的信號輸出到功率模塊或CAN 總線；信號輸入單元接收傳感器、其他裝置及駕駛員輸入的信號，對信號進行前置處理；功率輸出單元將數字信號的驅動功率放大，有些被還原為模擬信號，使其驅動被控元件工作；通訊單元可收發數據，使網絡中各個模塊互相通訊。整車CAN 總線車身系統控制網絡框架如圖1 所示。

圖1 整車CAN 總線車身系統框架圖

三、車身控制模塊的作用

在車身控制系統中，車身控制模塊主要針對車架部分用電器的特性來設計。智能化設計能更有效、可靠地驅動負載，還大大減少了對整車電磁輻射[3]。該控制模塊還擔負著發動機及底盤上各開關傳感器的信息傳遞工作。

1.功率輸出

對照明系統進行功率輸出。車身控制模塊通過CAN總線上收取的駕駛室中信號采集器采集到的操控開關信號，進行判別之后向相應照明燈進行供電，同時對通電電流進行實時檢測。當電流異常還可通過CAN 總線發送信號，然后通過儀表的顯示屏進行報警。

繼電器和電磁閥的功率輸出。車架上的感性負載如繼電器和電磁閥在開關的過程都能產生干擾汽車電氣系統正常運行的瞬變過電壓，這些瞬時電壓可達到1kV。在處理這些感性負載的功率輸出時必須設計去擾措施。

2.開關量及模擬量信號采集

車架上眾多的開關及傳感器產生的開關量及模擬量由車身控制模塊進行采集整理，并通過CAN 總線傳輸這些數據。車身控制模塊共需實現19 路燈光輸出（如前照明大燈、轉向燈、前后霧燈、剎車燈、倒車燈、夜間照明燈等），4 路繼電器控制輸出（總電源繼電器、啟動繼電器、進氣加熱繼電器等），3 路電磁閥輸出（排氣制動電磁閥、PTO 電磁閥、差速鎖電磁閥等），2 路其他用電器輸出。

四、車身控制模塊的硬件設計思路

1.基本組成

車身控制模塊是為了滿足車身（車架部分）控制架構的擴展需求而設計的，它包括一個連接2 個CAN 網絡的接口、一些高電流硅開關輸出和20 多個開關輸入。主要包括以下五部分：主控制單元、電源模塊、開關量及模擬量的采集單元、功率電源輸出部分、通訊模塊。

模塊整體設計有14 路低端開關量輸入接口，4 路傳感器模擬信號接口，16 路2A 電流功率負載輸出接口，16路6A 電流功率負載輸出接口，2 路8A 電流功率負載輸出接口。所有輸出要求提供一個正電壓到負載，并帶有過流、過熱、短路、防反接等保護功能，并設計有輸出負載檢測及保護電路、1 個CAN2.0B（ISO11898 標準）通訊接口[4]。

2.硬件設計原則

經濟合理。本模塊的開發必須兼顧重卡使用的經濟性。近年來重卡對成本的要求越來越高，因此在開發設計時應盡量選用性價比高的元器件。

安全可靠。本模塊主要是采集駕駛員對車身電器件的操控信號，并控制相關的電器件，如大燈、雨刮、門鎖等，因此在產品的設計和測試過程中，要保證產品設計的高可靠性[5]。

3.主控單元設計

車身控制模塊的核心是數字信號控制器MC9S12XHY256RMV1，它是16 位微控制器產品系列，具有低成本、高性能的特點，總線頻率最高為40MHz，具備脈寬調制（PWM）模塊和2 個定時器模塊（TIM0 和TIM1）。

4.晶振電路設計

MC9S12XHY256RMV1 的XTAL 引腳為片內振蕩電路的輸入端，EXTAL 引腳為片內振蕩電路的輸出端。設計采用10MHz 晶振，內部PLL4 備頻。電容C75、C76 為補償電容，容值大小為22pF，如圖2 所示。

圖2 晶振電路

5.復位電路設計

通過鋁電解電路的充放電來使MCU 正常工作和復位，當上電或+5V 電源上升時，電源通過電阻給電容充電，正極端的電壓慢慢上升并穩定在+5V，此時MCU 會處于正常工作狀態；當MCU 電源電壓掉電或者5V 電源跌落時，電容通過快速放電，這樣MCU 便能立即復位。

6.電源控制單元設計

重卡運營的環境較差，灰塵污染、化學腐蝕和電磁干擾較為嚴重，自身也會產生大量的電磁干擾；重卡電氣設備帶有大量耦合電感、電容等，會影響車輛車載電源的穩定性，繼而影響到電子設備的工作，給電子設備造成不可恢復的故障。在進行電源控制單元的設計時，要充分考慮到上述問題。

7.電源控制單元芯片選擇

考慮整車安全，對整車電源要進行凈化處理。基于整車電路的設計，不可能完全消除干擾源，因此可以提升車載電源的抗干擾能力。正脈沖干擾目前采用吸收法進行濾波處理。針對負脈沖干擾，考慮到電容器件特性，可以并聯電容吸收負脈沖的能量，消除干擾。由于電器件特性及電壓平臺指標的不同，在選用電源芯片的時候，盡量使用寬電壓范圍的電源芯片。為此選擇了車載級的DC/DC芯片MPQ4420。該芯片具有4～30V 的輸入電壓范圍；36V 的汽車拋負載輸入瞬態容限；輸出可調，范圍為0.8～0.9V；驅動能力可達到2A 持續輸出，能滿足較多后端負載的需求。

圖3 24V 電源系統處理和轉換方案

8.電源控制單元電路設計

為使電源控制單元有良好的抗干擾能力，特擬定了一個24V 電源系統方案。系統包括防反接保護、浪涌保護、濾波電路和DC24V/DC 5V 處理等部分，如圖3 所示。

五、車身控制模塊的具體線路設計

1.開關量信號輸入單元設計

主模塊需要檢測相關控制開關，并根據開關動作輸出控制命令到對應的模塊。車身檢測的開關包括：檔位開關、燈光開關、雨刮開關、發動機水溫過熱開關、牽引車制動開關、翻轉上下限位開關、玻璃升降開關等。各類開關信號連接到主控芯片的I/O 引腳上。

2.模擬量信號輸入單元設計

水位報警電路。主要由電源驅動電路、傳感器輸入信號處理電路、報警信號輸出驅動電路三部分組成。電源驅動電路為水位傳感器提供合適的驅動電源，驅動電源要求在一定溫度條件下精度較高，且具有反向保護、過流保護、過壓保護等功能。水位傳感器不直接由主控芯片處理，傳感器阻抗信號轉換成電壓信號，并經濾波、整形、放大等電路的處理，當電壓超過電路設定的取值后驅動MOS 管，MOS 管輸出形成低驅信號接控制報警信號。

燃油液位傳感器采集電路。當燃油液位傳感器的阻抗未達到動作閾值時，此電路可以產生一個PWM信號，供主控芯片采集。當燃油液位傳感器的阻抗達到動作閾值時，信號被拉低，低電平信號被芯片采集。

機油壓力傳感器采集電路。機油壓力模擬信號通過取樣電阻接到主控芯片的模擬輸入口，通過內部8 bit 精度的A/D 轉換器進行采樣。

3. 功率輸出單元設計

功率輸出單元芯片選型。本模塊負載中最重的是照明系統，選擇控制器件時對燈光系統的特性和實際保護也作了考慮。選用了英飛凌智能功率器件，并根據實際燈光系統的特點設計了汽車燈光控制單元。所采用的智能功率型器件具有自保護和自恢復的功能，如過流保護和過載保護等，因此整車線束減少了保險絲和繼電器。本單元還具有故障診斷的功能，可根據故障碼找出故障原因，有利于售后維修。采用微控制器輸出PWM信號來控制車燈的亮暗，不僅可以降低能耗，且可以延長燈泡的使用壽命，同時可設計延時熄滅等功能，更加人性化。

功率輸出電路設計。車身控制模塊也提供了多路繼電器驅動電路。使用了具有診斷功能的車身控制IC，利用專為負載設計的驅動器可以把這些負載集成到系統中去。本設計中選用了BTS6143D 芯片，可以直接驅動燈類負載或多路繼電器控制的負載。

通訊單元設計。通訊單元采用了CAN 收發器MCP2551，符合ISO11898 標準，數據率可達1Mbps，可承受±250V的瞬態電壓和±40V的短路電壓。車身控制模塊集成有120Ω 終端電阻，連接在CAN-H和CAN-L之間。

六、結語

本文介紹了車身控制模塊的硬件設計與開發過程，根據整車控制需求給出了模塊需實現的車身控制功能，敘述了模塊內各功能系統的控制芯片的功能及主控制電路、電源電路、信號采集電路、功率輸出電路、CAN 通訊電路的設計，從而確定了車身控制硬件設計方案。