基于控制器局域網絡的汽車電氣控制系統設計與實現

劉貫華

（深圳鵬城技師學院，深圳 518000）

引言

隨著汽車工業的快速發展和人們對汽車功能化要求的逐漸提高，現代化汽車中的電氣設備和控制器逐漸增多[1]，需要設計更多的控制系統模塊實現功能化的要求。電氣控制系統復雜程度的提高必然對設計提出更高的要求，而傳統的點對點連接的方式已經無法滿足汽車電氣功能化要求[2]，因為在傳統連接方式下會發生愈來愈多的故障，安全隱患加重，需要基于控制器局域網絡對電氣控制系統進行設計[3-5]，以滿足現代化汽車功能化使用要求。本文在結合實際故障案例和汽車電氣控制系統發展趨勢的基礎上，以汽車電器控制系統和智能儀表控制系統為研究對象，通過模塊化設計和功能原理分析，得出了適宜的電氣控制系統并對故障診斷系統進行了設計與說明，結果有助于電氣控制系統方案的升級并推動在工業化中的應用。

1 汽車電器控制系統

汽車電器控制系統在整車系統中起著至關重要的作用，除了汽車發動機等動力系統和完全部件外的控制系統，包括燈光、電機、繼電器、電磁閥和加熱器件等的控制系統都屬于電器控制系統。隨著現代化汽車工業的快速發展，對汽車電器控制系統的要求逐漸提高，在傳統汽車控制器的基礎上，逐漸攝入了智能化控制模塊，但是其設計原則仍然要遵循[6-8]：①控制系統模塊化設計；②功能模塊可擴展；③高性價比；④使用和維護方便快捷。

圖1為汽車駕駛室電氣控制模塊設計圖。由于駕駛室是駕駛員控制整車運行的核心區域，汽車的開關控制信號采集、車燈和雨刮器控制、門鎖控制和喇叭控制等都在駕駛室內實現。在汽車行駛過程中，駕駛室控制系統需要明晰駕駛員的真實意圖，且各個不同的功能需要獨立運作，以防止控制系統出現意圖混淆。因此，設計了如圖1的通過接收開關來區分功能的屬性，包括開關部分設計成各自獨立的輸入模塊（CAN_1、CAN_2和CAN_3等），控制系統在接收到信號后進行CAN收發；在控制系統中還設計有短路、斷路和故障診斷系統，利于在汽車行駛過程中出現故障時，優先采取自診斷模式，自行排除障礙以恢復正常使用功能。此外，燈光類、電機類、電磁閥類和加熱裝置類都可以通過功率驅動獨立實現，分別對應開關信號類、傳感器電壓信號類、傳感器電阻值類和加熱器件類。如果需要對現有汽車進行局部功能改造，只需在控制系統中對單獨模塊進行更換，而不需要對整個系統進行重新布局和更換，在縮短改裝、修復時間的同時，可以節省成本，滿足多功能使用需求。

圖1 汽車駕駛室電氣控制模塊設計

圖2為汽車駕駛室電氣控制模塊內部結構和宏觀形貌。從汽車駕駛室電氣控制模塊內部結構中可見，各個功能模塊都是單獨存在，獨立通過模塊控制系統進行驅動，不存在功能混淆和交叉互聯現象，在進行診斷、功能調整等作業時，較為方便快捷實現目的；控制模塊外觀中可見，各個功能模塊多為插槽結構，可以插拔而實現更換目的，大多情況下甚至不需要專業人員而自行進行更換模塊即可。

圖2 汽車駕駛室電氣控制模塊內部結構和宏觀形貌

圖3為汽車底盤電氣控制模塊示意圖。與汽車駕駛室電氣控制模塊相似的是，底盤電氣控制系統也都采取獨立模塊設計形式，且自帶斷路、短路和故障診斷系統，燈光類（制動燈、小鄧等）、電機類（換擋切換等）、電磁閥類（排氣制動電磁氣閥等）和加熱裝置（空氣干燥器加熱等）也都獨立通過模塊進行功率驅動。不同的是，在輸入端同時設有開關和傳感器控制系統，相應地接收端則包括開關量輸入和A/D控制，而CAN接口則與CAN收發雙向互動。

圖3 汽車底盤電氣控制模塊示意圖

在汽車電器控制系統中，駕駛室電器控制系統（BCM）和底盤電器控制系統（CCM）協同工作，各自通過模塊化設計進行信號采集和能力輸出，數據傳輸與控制路徑如圖4。BCM通過采集開關信息傳輸給儀表并控制對象，采集傳感器信號通過CAN傳輸給儀表。在底盤控制系統中，BCM采集開關信號并通過CAN傳輸給CCM，再通過CAN傳輸給儀表并控制對象；在傳感器信號采集過程中，CCM直接采集信號并通過CAN傳輸給儀表。

圖4 汽車電器控制系統的數據傳輸與控制路徑

2 汽車智能儀表控制系統

汽車儀表在汽車行駛過程中起著給駕駛員傳遞汽車狀態的作用，現代化汽車目前都要求儀表控制系統可以采集和處理駕駛員所需要的汽車交互信息[9]，要求在設計過程中增加數字化縱向儀表功能、支持儀表反應功能故障并自行診斷與修復，以及外設監控等功能。圖5為總線儀表控制系統示意圖，可見，智能儀表部分包括轉速表、指示燈、電池電壓、機油壓力、車速、水溫表和燃油表等功能顯示，駕駛員在使用車輛時，可以方便快捷的了解儀表中顯示的各個信息，從而更好地保障車輛順利使用。

圖5 總線儀表控制系統示意圖

圖6為總線儀表控制系統原理框圖。在設計總線儀表控制系統過程中，驅動端主要考慮了液晶驅動系統（顯示屏）、步進電機驅動系統（步進電機表盤）、LED驅動系統（信號指示燈），輸入端主要考慮開關量輸入、A/D和CAN模塊（CAN_1、CAN_2），并通過微處理器實現圖像/數據處理。

圖6 總線儀表控制系統原理框圖

3 電氣控制系統故障診斷

在汽車實際使用過程中，由于汽車自身狀態、外部環境、保養程度等各方面的因素都不同，故障通常在不同的模塊中產生，從而對控制系統帶來不同的影響，按故障持續時間來說，電氣控制系統故障包括較短時間內即可修復的故障（瞬時故障）和長期存在的故障（永久故障）[10]，而前期出現的幾率遠大于后者。因此，我們基于瞬時故障設計了電氣控制系統故障管理模塊，如圖7。控制模塊狀態和數據傳輸到故障檢測模塊，該模塊將系統級故障信息傳輸給故障上報單元，并將故障信息傳輸給故障策略庫；故障策略庫將系統內存儲的數據信息進行匹配，并得出最接近的恢復策略并反饋給故障檢測系統；之后故障檢測模塊通過恢復動作進行故障恢復，并形成整體閉環。

圖7 汽車電氣控制系統故障管理模塊

當電氣控制系統遇到故障時，駕駛員可以啟動故障分級恢復和安全控制系統，具體流程為：①啟動故障分級恢復和安全控制系統；②各個不同的控制模塊進行故障檢測；③檢測完成后輸出檢測結果，判斷是否發現故障；④如果發現故障，可采用附帶的故障處理系統進行操作，如沒有發現故障則需要進一步反饋給上次檢測系統，并通過參數調整進行重新檢測和匹配，直至發現故障；⑤如果采用附帶系統對故障進行了成功處理，則控制系統會上報網關，并結合分析處理器結合機理模型與實現模型進行故障分析推理，找出故障恢復策略，并執行故障恢復策略；⑥故障成功解決后，啟動緊急安全裝置和報警裝飾，對車輛進行降級運行處理，直至汽車安全停車；⑦安排檢修，完成故障排除，恢復汽車使用功能。值得注意的是，在這個控制流程框架圖中，如果當前階段未能成功解決該模塊的任務，系統無法進行到下一個階段的處理，控制系統會自動返回上級菜單直至通過。為了提高電氣控制系統故障診斷功能性，需要及時對故障診斷系統進行升級，如更新故障數據庫、升級數學模型等[11-13]。

4 結論

1）結合汽車電器控制系統的功能模塊，對汽車電器控制系統進行了系統化設計，并分析了系統的數據傳輸與控制路徑。

2）結合汽車智能儀表的功能模塊，對汽車智能儀表控制系統進行了系統化設計，并分析了總線儀表控制系統原理。

3）針對汽車電器控制系統和汽車智能儀表控制系統，設計了系統故障管理模塊，可以實現對汽車電氣控制系統的自動診斷。