基于CAN/LIN總線的車身網(wǎng)絡中央控制器設計

1 前言

　　隨著對車輛舒適性要求的提高和更多輔助智能功能的出現(xiàn)，ECU單元、執(zhí)行器、傳感器大量增加，為了限制線束的重量和保證各電控單元的協(xié)調工作，進行車身的網(wǎng)絡化設計是必要的。
　　考慮到數(shù)據(jù)傳輸速率、協(xié)議機制、可靠性、容錯性和成本的要求，車內網(wǎng)絡的類型依賴于它們的應用領域，不同網(wǎng)絡類型的介紹和應用見表1。

　　從國際上的技術趨勢分析，集中式控制正在向分布式控制發(fā)展，這樣不可避免帶來系統(tǒng)成本的增加，LIN網(wǎng)絡作為CAN網(wǎng)絡的一個補充，采用單線傳輸有效解決了成本問題，車身總線網(wǎng)絡成為CAN和LIN的混合網(wǎng)絡。
　　
2 系統(tǒng)的功能和框架

　　本項目開發(fā)的車身總線系統(tǒng)功能主要包括電動車窗控制（帶有防夾功能）、中央集控鎖（帶有遙控功能）、防盜報警、電動后視鏡、雨刮器／洗滌泵控制及后視鏡除霜等，整個系統(tǒng)包括5個節(jié)點，采用低速CAN通信，波特率為100kbit/s，信息編碼采用SAEJ1939編碼規(guī)則。系統(tǒng)的框架結構如圖1。


　　其中中央控制器作為一個網(wǎng)關，采集各種開關和傳感器信號，通過CAN總線通信，協(xié)調整個系統(tǒng)的工作。

　　
3 中央控制器的硬件設計

　　3.1 中央控制器

　　中央控制器的核心單元采用的是freescale的Mc68HC08AZ60，該芯片內部帶有60K的flash mem-ory ;2K的RAM，1K的eeprom用于系統(tǒng)保存故障信息并且有SPI模塊和外圍的智能芯片通訊，增強的SCI模塊實現(xiàn)LIN總線通訊和8位的A/D模塊，CAN控制器和定時器單元。中央控制器的硬件結構示意圖如圖2 。

　　3.2 輸入量的調理和采集模塊

　　系統(tǒng)需要采集的輸入量包括脈沖量、開關量和模擬量。開關量包括組合燈光開關，前雨刷開關，洗滌泵開關，車內燈開關和起動鑰匙等大量的開關信號，為了節(jié)約系統(tǒng)資源，采用了MC33993觸點監(jiān)測模塊來擴展系統(tǒng)的I/O口，MC33993具有22路輸入，其中8路可以配置成接地或者接電源，其余14路為接地開關監(jiān)測，通過SPI與微控制器通訊，并且可以開關電平跳變觸發(fā)中斷喚醒，因為是接地檢測，無需采用光電隔離，極大的節(jié)約了資源，增強了系統(tǒng)的EMC性能。如圖3

　　車內溫度等模擬量傳感器由中央控制器供電，與外部信號經(jīng)電氣隔離，經(jīng)過低通濾波進人系統(tǒng)A/D模塊，因而可有效地防止外部干擾。

　　3.3 車速信號的采集

　　車速信號可以從儀表輸出得到，也可以采集車速傳感器器信號，安裝在變速器上的車速傳感器每轉一圈產(chǎn)生一個脈沖信號，經(jīng)過隔離、電平轉換和整形后，進人TPU通道。TPU工作于輸人跳變計數(shù)（ITC）模式，通過2次跳變的時間差來檢測車速信號。需要注意的是車速傳感器可能是公用的，在設計過程中需要考慮從傳感器拉出電流的大小，如圖4所示。

　　3.4 通信接口模塊

　　為了實現(xiàn)整車有效控制和管理，各控制器之間需要信息共享，因此本系統(tǒng)的所有信息交換都采用CAN總線和局部的LIN總線。低速CAN總線物理接口采用了系統(tǒng)集成電源模塊MC33889，其內部集成了低速CAN驅動器，并且提供系統(tǒng)5V的電源，與微控制器之間采用SPI通訊可以配置模塊的功能。LIN總線通訊采用了LIN2.0標準，驅動芯片為MC33399，單線傳輸信號電平為12V.3.5功率驅動模塊和電源模塊功率驅動主要是車內燈光和電機驅動，包括雨刷電機和洗滌泵電機。本設計采用的是基于VMOS管的智能驅動芯片MC33286和MC33486，MC33286具有2路輸出，每一路具有6A輸出電流，并且具有短路、過溫和過壓等故障保護功能，故障信息可通過電流反饋標志端由微控制器讀取。MC33486具有2路輸出，每一路具有10A輸出電流。這有利于系統(tǒng)的故障檢測和提高系統(tǒng)的安全可靠性。

　　系統(tǒng)為了降低成本，沒有采用DC-DC電源隔離，而是選者了系統(tǒng)集成電源模塊MC33889，內部集成了CAN驅動器，并且具有硬件看門狗功能，同時有2路的喚醒輸人和兩路5V輸出，可配置工作在4種模式（調式、正常、睡眠、停止）下，滿足系統(tǒng)的需求，降低功耗和增強系統(tǒng)的抗干擾性能。
　　
4 系統(tǒng)的電磁兼容和可靠性設計

　　因為中央控制器靠近點火系統(tǒng)，電磁干擾較大，在電源模塊上安裝了屏蔽殼，在電路中加入濾波和去耦電容。在電路設計、元器件布置和布線時，嚴格按照電磁兼容（EMC）的設計原則。電路板采用模塊化設計，模擬電路、數(shù)字電路和功率電路獨立布置，用地線將數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，盡可能把干擾源與敏感器件（如單片機、存儲器等）遠離。盡量選用集成度高和表面安裝的元器件，以減少元器件數(shù)目、減小元件之間的連線長度、電路板的面積與高度，使印刷電路板布局簡單，因而大大降低了故障率和受干擾的可能性。
　　由于MC68HC908AZ60支持高級編程語言，軟件可以方便地采用分層結構和模塊化的設計思想，以及實時多任務的機制，因此可有效地提高系統(tǒng)的可靠性和實時性。除此之外，在細節(jié)上采取了以下措施：對模擬量采用畸值剔除和一階遞推濾波算法；對開關信號延時、防抖和多次校驗來防止誤操作；對控制量采用冗余技術確保操作的可靠性；對CAN上接受和發(fā)送的數(shù)據(jù)用閥值進行限制并判斷其有效性；采用Watch Dog和軟件陷阱來提高軟件運行失常時的自恢復能力