基于LIN总线的汽车雨刮控制系统设计

摘要 为提高雨刮系统的安全性及智能性,以MC9S12DG128为主控制器、MM908E625为雨刮控制器,采用LIN总线的分布式控制方案,设计了一款智能雨刮控制系统。主控单元将液晶触摸信号转换为LIN指令以控制雨刮的启停,并通过红外传感器检测雨量的大小,自动控制雨刷器的摆动频率,使用过程中无需驾驶员手动操作。实验结果表明,该系统能有效地根据雨量对汽车雨刮进行智能控制,具有安全性好、可靠性高和成本低等优点。

随着汽车电子技术的不断发展,汽车上的各种电子装置也越来越多,电子控制装置之间的通讯也越来越复杂,而汽车上传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式,造成庞大的布线系统,增加了制造及维护成本。LIN总线全称为区域互连网络,用于实现汽车车身控制系统的分布式控制,其具有价格低廉、结构简单、配置灵活等特点,为现代汽车网络提供功能上的补充,使汽车结构的设计变得更加灵活。LIN总线主要被应用于车门、方向盘、座椅、雨刮器、车窗等控制单元,并将分布的智能传感器和执行器连接到车内主控制器。本文将LIN总线技术应用到汽车雨刷系统上,提出了安全性好、可靠性高的设计方法,该系统经实际调试,取得了良好的应用效果。

1 LIN协议介绍

LIN(Local Interconnect Network)总线是现代汽车总线网络中一种低端的通用协议。其采用一主多从模式,数据的优先级由主节点确定,且带时间同步的多点广播接收,从机节点无需石英或陶瓷谐振器即可实现同步。同时,可选报文帧长度为2、4或8 Byte;传输速率最高可达20 kbit·s-1;并基于通用UART接口的廉价硬件实现,单线传送方式,总线通信距离最长可达40 m。

LIN总线的数据以报文帧的格式进行传输,报文帧由主任务的帧头和从任务的响应组成。帧头包括同步间隔场、同步场和受保护的标识符;响应分为数据场和校验和场两部分。LIN网络由一个主节点,一个或多个从节点组成,通过主机节点(CAN-LIN网关),可将LIN与上层网络相连接。一个LIN网络最多可连接16个节点,主机节点有且仅有一个,从机节点有1~15个。主机任务负责接收从机节点发出的总线唤醒命令,调度总线上帧的传输次序,并监测数据、处理错误,同时可作为标准时钟的参考。从机接收主机发送的帧头包含的信息以进行判断:发送应答、接收应答、或既不发送也不接收应答。

2 智能雨刷系统方案

在汽车安装的众多执行器中,雨刷对于雨天行驶的汽车起着至关重要的作用。雨雪天气,汽车驾驶员需谨慎应对路滑、视野小等问题,使得在雨天的操控过程中,精力受到较大干扰。为此开发一种智能雨刷控制系统,有效提高汽车的安全性能。

智能雨刷系统主要包括一个主控单元和一个子单元,主控单元包含微控制器模块和液晶控制屏,子单元由控制器、雨量检测模块、电机驱动模块和电机检测模块组成。当雨刮处于自动挡时,可根据红外传感器检测雨量大小,自动控制雨刷器的摆动频率。子单元通过LIN总线与主控单元连接,形成车载LIN网络,驾驶员可通过液晶控制屏对雨刷进行控制并查看雨刷工作状态。该智能雨刷系统框图如图1所示。

基于LIN总线的汽车雨刮控制系统设计

在挡风玻璃上水量较大时,雨刮电机的间歇时间短,水量较小时,间歇时间相应较长。当工作过程中雨量传感器发生故障时,系统将以预设的固定间歇时间来控制雨刷电机的运转;若电机发生堵转,电枢电流超过阈值电流,并持续一段时间,则雨刷会进行复位动作。若尝试3次仍无法通过,则退回复位位置停止动作,并通过LIN总线发送故障报文,由液晶屏进行显示及报警。

3 硬件设计

3.1 控制器模块

主控单元微控制器采用Freescale公司的高性能、低功耗汽车电子芯片MC9S12DG128,该芯片属于HCS12系列增强型16位单片机,片内拥有128 kB的Flash ROM,8 kB的RAM和2 kB的EEPROM,2个异步串行通信口SCI,2个同步串行通信口SPI,8通道输入捕捉/输出比较定时器,1个8通道脉宽调制模块,两个MSCAN控制器。液晶模块是整个系统运行的一个重要输入,设计采用的液晶型号为Z2104,内置VGA控制板,该屏幕为电阻屏,与控制器通过串口进行通信,其工作电压为12 V。主控制器可通过串口读取液晶屏触摸信号,将液晶屏幕的触摸信号转换成LIN总线指令,通过UART/SCI模块发送到LIN总线,对子单元进行控制,同时也可将雨刷的状态反馈到液晶屏幕上。

3.2 电源模块设计

电源模块为雨刷控制系统提供电源。汽车使用蓄电池提供的12 V电源系统,而本系统中电源电压均为5 V,故需要对汽车上的电源系统进行电平转换。设计选用LM2576-5芯片作为系统的电源转换稳压芯片,该芯片具有可靠的工作性能、较高的工作效率、优异的线性和负载调整能力,且可大幅减少散热片的体积,为控制电路稳定可靠工作提供保证。

3.3 雨量检测电路设计

智能雨刷系统中,控制器通过雨量检测装置检测降雨量的大小,自动控制雨刷器的摆动频率,使用过程中无需驾驶员人为操作,大幅提高行车的安全性。不同的档位对应不同的刮水频率和不同的LIN协议信号报文头,间歇暂停时间和刮水频率由雨量传感器的数据决定。设计采用红外雨量检测装置,红外发射器将光束以一定的角度投射到汽车挡风玻璃,经由挡风玻璃反射回到红外接收器。当有雨滴落到挡风玻璃上时,部分光束会因折射、散射等现象而分散到外部,导致接收器收到的红外线总量少于其发出总量。由此得出挡风玻璃上的雨量变化情况,再发出刮水请求至主控制器,以此控制雨刮器完成不同速度的刮水动作,同时与主控单元进行总线通信,随时发送子系统的运行状态。

3.4 霍尔位置传感器

智能雨刷系统采用霍尔传感器对雨刷电机的转动情况实时进行监控,包括对电机位置和转速的检测,当检测到雨刷电机的位置后,单片机判断当前位置是否正确,若不正确,控制电机转动到正确位置。同时检测雨刷电机的转速,单片机接收后与给定的速度值作比较,经过内部处理得出下一步运行步骤,控制电机运行在最精确的速度值。文中选用英飞凌公司的TLE4941,芯片内部集成有差分霍尔传感器与信号调理器电路,TLE4941的电路原理如图2所示。C5为消噪电容,通过电阻R可将输出电流转换成电压信号,输出端连接至MM908E625的霍尔效应传感器输入引脚。

基于LIN总线的汽车雨刮控制系统设计

3.5 电机驱动模块

电机驱动模块是系统的核心部分,其承担着雨刷电机的正转和反转,以及检测电流的变化,当雨刷遇堵转时则作出相应的处理。出于成本及稳定性等多方面因素的考虑,选用Freescale的汽车电子芯片MM908E625,用于开发汽车分布式控制单元,该芯片取代了传统的MCU、H桥驱动器和LIN物理层收发器的解决方案,有效降低了外围器件的数量,且减小了成本。

模块采用MM908E625直接控制雨刷继电器的方法,继电器选用欧姆龙的G5CA-1A-E,并利用H桥低端通道的电流反馈功能实时监控电机的工作状态。通过模拟多路复用器选择相应的H桥低端通道,并采用MCU上的ADC监测该电流来判断电机是否堵转,当电流大于某一阈值时,故障信息会被单片机采集,并进行相应处理,并通过LIN总线传输到主控单元的液晶屏显示。片内集成的LIN物理层收发器通过MCU上的ESCI模块实现LIN协议的数据链路层驱动器,从而实现LIN总线通讯的功能。子单元控制芯片引脚使用情况,如图3所示。

基于LIN总线的汽车雨刮控制系统设计

4 控制系统软件设计

电机检测模块对电机的运行状态进行检测,然后将不同的检测信息分别发送给消息解析模块和电机控制模块,通过这些检测信息,对电机进行有效的控制。检测信息经解析处理后,分别发送给LIN通信和功能处理模块,LIN模块将信息发送到LIN总线上,实现系统和网关的通信。诊断模块将从功能处理模块上获得的故障信息进行诊断,也同样通过LIN通信模块和网络进行通信。电机控制模块通过接收到的检测信息,来判断雨刷电机的转速,再将输出转速和检测转速进行对比,经优化算法得出更为优化的控制。

由于MM908E625内部并未集成EEPROM,因此雨刷电机的阈值电流等信息需通过LIN总线发送到主控单元进行保存,系统上电启动时,再进行初始化。此外通过LIN总线去读取主控单元的触摸输入信号,以控制雨刷电机的运转。在运行过程中,实时采集电枢的电流,判断是否大于阈值电流IM,若电流值大于阈值电流3次,则将雨刷电机复位,停止刮水动作。此过程中,子控制器将当前雨刷的状态参数通过LIN总线实时反馈给主控器并进行显示。子系统软件流程如图4所示。

基于LIN总线的汽车雨刮控制系统设计

5 实验测试

图5所示为智能雨刷控制系统工作时,使用示波器采集到的LIN总线上报文帧的信号波形。从图中显示的两个报文帧可看出,每个报文帧由帧头和响应组成,两个报文中间是中断场。图中信号的峰值电压为11.72 V,表明LIN总线采用12 V供电模式。电枢电流的正常值为6 A,人为使电机堵转时,电流上升至10 A,在经过一段时间后,雨刷电机复位,停止刮水动作。经反复测试,该系统可根据雨量大小对雨刮运转速度进行智能控制,实现预期的智能控制。

基于LIN总线的汽车雨刮控制系统设计

6 结束语

本文介绍了基于LIN总线的智能雨刷系统设计,通过红外传感、电流检测和主控液晶进行了检测控制,并可根据雨量大小对雨刮运转速度进行智能控制,无需驾驶员手动控制。同时将其接入LIN网络,简化了硬件结构、提高了安全性且降低了成本。实验结果证明,该系统运行稳定,达到了预期的功能。

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发布日期:2019年03月10日  所属分类:汽车电子