基于嵌入式系統的電動汽車總線型組合開關設計

鄭小帆, 龐寶麟

(1.黃山學院 機電工程學院, 安徽 黃山 245041; 2.沈陽化工大學 信息工程學院, 遼寧 沈陽 110142)

汽車組合開關是汽車內部重要的部件之一,主要作為燈光控制、雨刮控制的信號[1-2]輸入來源.隨著CAN總線[3-4]和嵌入式技術[5-6]的發展,汽車組合開關也從傳統的電阻或電壓信號輸出向總線輸出發展[7],組合開關更加電子化、智能化.傳統的組合開關主要為電阻或電壓信號輸出,但在與其他控制模塊連接過程中易出現信號不匹配問題.為了解決不同模塊不匹配的問題,研究帶通訊型的組合開關成為了一種趨勢.劉文英等[8]應用具有CAN 收發器的STM32系列芯片,研究開發了CAN總線組合開關.隨著電動汽車應用的推廣,電動汽車各項技術也得到了大力發展.電動汽車的檔位[9]比傳統燃油車的擋位結構形式簡單,但單獨的電子換擋開關不僅占用電動汽車空間,也增加了生產成本.因此,亟需將電動汽車的換擋功能集成在組合開關上. 這不僅有效節約了汽車的內飾空間,而且還降低了生產成本.

本文設計了一種集燈光雨刮、巡航和換擋手柄于一體的組合開關,主要包括開關的電子硬件電路設計和軟件設計部分.通過實驗和測試,驗證了該組合開關能夠實現規定的功能,滿足汽車安全性、可靠性的要求.該組合開關集成了傳統組合開關和換擋開關的功能,在電動汽車上具有較大應用價值.

1 總體設計方案

組合開關由燈光雨刮手柄、巡航手柄和換擋手柄3部分組成.燈光雨刮手柄主要實現左右轉向燈、超車燈、遠近光切換、前雨刮刮水(Off、AutoLow、AutoHigh、Low、High)、后雨刮刮水(Off、On)、后雨刮洗滌、前雨刮點動(Mist)、前雨刮洗滌等功能信號輸出.巡航控制手柄要實現前撥(ACC、ICA、HWA開關)、后撥(ACC、ICA、HWA取消)、上下撥(各兩檔,速度調節)、側面旋鈕(5檔時距調節)、頂端按鍵(智能限速)的功能信號輸出.懷擋手柄主要實現P/R/N/D擋位信號輸出和擋位的LED指示.控制原理圖如圖1所示.燈光雨刮手柄和巡航控制手柄為簧片接觸機構,滿足12×104次操作要求;換擋手柄為霍爾感應非接觸結構,滿足50×104次操作要求.

圖1 組合開關控制原理圖

電子設計以S9S12G128F0CLF芯片為核心,包括硬件設計和軟件設計.硬件電路包括電源電路,燈光、雨刮手柄的電阻電壓信號輸入電路,換擋手柄的霍爾開關信號輸入電路,CAN信號收發電路,等.軟件設計包括UDS診斷、在線刷寫程序(Bootloader)、網絡管理、換擋控制功能、燈光雨刮手柄和巡航控制手柄信號發送功能等程序的編寫和調試.

2 硬件設計

2.1 核心器件選擇

開關額定電壓12 V,工作電壓9～16 V,工作溫度-40～90 ℃,儲存溫度-40～95 ℃,相對濕度25%～75%,CAN網絡工作電壓7～18 V.工作電流消耗小于250 mA,靜態電流小于200 μA.組合開關控制器核采用NXP公司S9S12G128F0CLF型號單片機.芯片具有12路10位AD口,1路MSCAN,24路IO口,工作溫度范圍為-40～125 ℃,滿足系統要求.電源電路和CAN信號收發電路選取集成高速CAN收發器、電壓調節器和看門狗功能的UJA1076芯片為核心芯片.芯片輸出電流最大為250 mA,待機模式和睡眠模式下電流極低,符合低功耗要求.芯片含CAN總線專用的低壓差調節器,有助于提高系統的EMC性能.芯片帶喚醒源檢測功能,可通過本地喚醒引腳或CAN信號進行喚醒.

2.2 CAN信號電路

CAN信號電路如圖2所示.CANH和CANL信號線上的共模電感(600 Ω/100 MHz)L1,用于過濾差分信號的共模干擾;信號線上的C9和C13為47 pF的濾波電容,給干擾信號提供低阻抗的回流路徑,達到抗干擾能力.將終端電阻分為2個60 Ω再接4.7 nF的電容到GND,有助于濾除總線上的共模干擾.TVS2為瞬態抑制二極管,對CAN信號端口起到靜電防護的作用.

圖2 CAN信號電路

2.3 按鍵信號電路

燈光雨刮手柄和巡航控制手柄為簧片接觸機構,在不同的信號檔位時,線路板對應位置的鍍金盤導通,輸出相應的電平信號到MCU的IO口或不同的電壓信號到MCU的AD口.芯片IO口的信號處理電路如圖3所示.AD電路如圖4所示.

圖3 IO口信號處理電路

圖4 AD口信號處理電路

換擋手柄為霍爾感應非接觸結構,在手柄運動結構上安裝一塊磁鐵,當手柄運動到不同的擋位時,下方線路板上相應位置的霍爾芯片感應到磁鐵,輸出高電平到MCU的IO口.霍爾信號處理電路如圖5所示.

圖5 霍爾信號處理電路

2.4 指示燈控制電路

換擋手柄實現擋位信號輸出功能和擋位顯示功能,在組合開關將擋位信號輸出后,需根據VCU反饋的信號點亮對應擋位的指示燈.換擋手柄擋位的指示燈控制電路如圖6所示.當MCU的控制端為高電平時,工作指示燈LED被點亮,通過MCU輸出PWM信號可以實現不同亮度的燈光控制.

圖6 指示燈控制電路

3 PCB設計

PCB設計過程中,要與結構件的尺寸匹配,定位孔、螺絲孔、鍍金盤、接插件等部分要與結構圖一致.元器件放置要滿足機械結構的限高要求,且按信號流向擺放,防護濾波器件要靠近接口位置處緊湊整齊擺放.線路板布線時要避免出現直角或銳角,避免信號的衰減.共模電感及跨接電容要置于隔離帶中,隔離帶下方禁止走線.信號接口和接口濾波防護電路附近禁止布線和放置高速、敏感元器件.CAN_H/L的布線總長度不超過10 cm.

4 軟件設計

組合開關的軟件設計主要包括開關信號處理、CAN通訊、UDS故障診斷、在線刷寫程序(Bootloader)、網絡管理等.

4.1 開關信號處理

開關燈光雨刮手柄、巡航手柄和換擋手柄的輸入信號進行軟件消抖濾波處理后通過CAN信號輸出.換擋手柄的擋位請求邏輯見表1.

表1 擋位請求邏輯

4.2 CAN信號處理

CAN網絡采樣點設置在81.25%,網絡通信速率為500 kbit/s,數據幀的數據長度為8.高速CAN 網絡信號采用Motorola 格式.開關信號處理包括按鍵信號掃描、按鍵信號處理、CAN報文處理、CAN報文發送等部分.按鍵信號處理流程如圖7所示.

圖7 按鍵信號處理流程

報文發送重復次數為3次,報文間隔時間為20 ms.當新能源高速CAN總線出現異常狀況時,需保證不對本地ECU功能產生影響.異常網絡狀況包括:總線錯誤;一個或多個標識符的報文(任何報文,任何數據)占有100%的總線負載.ECU不干擾或不影響總線運行,尤其是不影響其他節點間的通信,異常ECU狀況不應影響剩余網絡.ECU能處理異常網絡狀況,盡可能長地維持網絡的正常運行,使除異常ECU之外的其他分系統節點的功能不受影響. 異常ECU為:ECU故障,包括任何硬件或者軟件故障; ECU掉電或接地;欠壓或者過壓情況;地電壓偏移;由軟件、電量過低或看門狗觸發引起的ECU復位; ECU初始化,包括控制器和CAN收發器的初始化.

4.3 UDS故障診斷

診斷服務功能按照一定規則實現,執行一個診斷服務必須在適合的會話模式下進行.診斷會話模式主要包括默認會話、編程會話、擴展診斷會話.診斷工具通過診斷會話控制服務使能,服務器進入不同的診斷會話模式.

4.3.1 診斷會話

上電后如果沒有診斷會話請求,要求ECU自動進入常規/默認會話模式.診斷會話模式轉換如圖8所示.

圖8 診斷會話模式轉換

4.3.2 安全訪問

安全訪問是限制訪問權限,排除由不恰當的服務造成電子設備或其他汽車部件的破壞,防止對安全性及安全標準造成風險.客戶端發送“請求種子”服務報文,組合開關響應“發送種子”報文,客戶端根據此“種子”計算密鑰.客戶端通過發送包含密鑰的服務報文給開關來請求比較密鑰,開關將此密鑰與計算的密鑰進行比較:若兩數一致,允許客戶端對特定服務和數據的訪問,發送“正響應”服務;如果兩數不一致,此訪問被認為是錯誤的訪問嘗試,發送“負響應”服務.安全訪問的流程如圖9所示.

圖9 安全訪問流程

4.3.3 故障自診斷

故障自診斷程序通過對故障檢測條件的判斷,對符合故障條件的故障狀態進行記錄,部分故障狀態通過CAN總線發送.故障自診斷的范圍包含CAN網絡通信總線狀態、開關輸入信號狀態、供電電壓狀態等.故障診斷的確認條件和恢復條件見表2.

表2 故障診斷的故障確認及恢復條件

4.4 網絡管理

網絡管理的任務是保證網絡通信的安全可靠.網絡管理基本功能包括:ECU進入網絡睡眠;檢測和監控網絡的配置;提供系統狀態;網絡通信啟動和關閉;節點監控;故障處理.

4.4.1 網絡啟動和關閉

IGN上電、本地事件或總線遠程喚醒后,組合開關進行初始化操作.系統上電或喚醒前,發送和接收處于禁止狀態.上電后進入初始化過程,在150 ms內使能接收功能,并開始處理應用報文;之后初始化網絡管理功能,在180～600 ms內發送第一條報文.在IGN斷電后200 ms內必須停止通信.系統在進入等待睡眠狀態5 s內未監測到本地喚醒事件或未收到退出睡眠報文,系統將立即進入網絡關閉狀態.在網絡關閉狀態下,系統禁止報文的發送和接收.

4.4.2 網絡狀態

網絡狀態主要包括關閉狀態、正常工作狀態、總線錯誤狀態.IGN處于關閉后網絡處于關閉狀態,系統禁止發送和接收數據.IGN 切換到ON 時,進入網絡啟動模式,開始初始化,初始化完成后系統發送接收使能,系統處于正常工作狀態.系統網絡出現bus-off錯誤以及欠電壓、過電壓錯誤時,系統處于總線錯誤狀態.系統的網絡狀態轉換如圖10所示.

圖10 系統的網絡狀態轉換

4.5 Bootloader

系統的代碼由Bootloader和應用程序組成,Bootloader代碼是上電后最開始運行的軟件代碼,實現用戶程序的引導啟動和應用程序更新.在正常運行過程中,執行的是應用軟件和應用數據.當應用軟件或應用數據無效時,或者要求對此進行升級的時候,Bootloader軟件才被激活.在重編程失敗(短路,斷路)或被中斷、發生超時或復位、Flash擦除不完全或應用程序無效的情況下,系統能夠重編程.

4.5.1 Bootloader啟動

系統上電/復位后,先執行Bootloader引導代碼,然后檢查是否有重編程請求.若存在重編程請求,執行Bootloader程序,進入編程會話模式;若無外部重編程請求,則繼續檢查應用軟件的標志位狀態.若應用軟件有效,則執行應用程序;若應用軟件無效,激活Bootloader模式下的默認會話模式.

4.5.2 重編程流程

重編程時序分為3個編程步驟:(1) 預編程步驟,編程前的CAN網絡準備;(2) 主編程步驟,下載應用軟件或應用數據;(3) 后編程步驟,重同步CAN網絡.編程流程如圖11所示.

圖11 編程流程

5 結 論

設計的組合開關采用CAN信號通訊進行燈光雨刮、巡航、換擋信號輸出,軟件設計實現了故障診斷、在線刷寫程序(Bootloader)、網絡管理等功能.經過耐久試驗驗證,燈光雨刮和巡航手柄機械操作次數達到15×104次,換擋手柄的機械操作次數達到80×104次,符合操作次數要求.經測試,組合開關信號輸出穩定,性能良好,在休眠模式下的靜態電流為0.1 mA,滿足靜態電流要求.開關的EMC試驗合格,電磁干擾和抗擾性符合整車要求.通過產品測試和裝車路試驗證,開關滿足CAN總線網絡管理技術要求,UDS診斷規范,OSEK網絡管理測試規范.與傳統組合開關和換擋開關相比,集成換擋功能的CAN通訊型組合開關有效地節約汽車的內飾空間和生產成本,CAN信號通訊有效地解決了硬線輸出開關存在的不匹配問題,對發生的故障能通過自診斷功能及時輸出,有利于故障的定位.該組合開關設計的故障診斷范圍不能覆蓋全部故障,軟件更新必須通過汽車OBD口進行.隨著電動汽車發展,汽車組合開關集成更多功能的研究將進一步開展,同時提升系統穩定性、擴大故障診斷范圍、系統軟件無線刷新將成為研究的重要方向.