基于LIN總線的汽車方向盤按鍵控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

人們在選購家用轎車時，對舒適性的要求在不斷提高，舒適性能已成為購車因素的一項重要指標。傳統(tǒng)的汽車方向盤只具備控制轉(zhuǎn)向和喇叭的功能，而隨著汽車車身電子的發(fā)展，方向盤上正逐漸集成許多用于控制其他功能的按鍵，如控制收音機的按鈕、控制DVD或者CD播放的按鈕、手機藍牙免提、自動巡航控制等，甚至還預(yù)留了用戶可配置功能的按鍵，即學習型按鍵。

方向盤按鍵的設(shè)計風格體現(xiàn)了每種車型不同的個性，因此方向盤的按鍵控制設(shè)計正受到越來越多車廠的關(guān)注?？紤]到汽車方向盤按鍵控制器受到安裝空間、多重命令和設(shè)計成本等諸多因素的限制，同時LIN(Local Interconnect Network)總線在車身電子低速應(yīng)用領(lǐng)域具有可靠性高、節(jié)省線束的優(yōu)勢，我們選用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC9S08SC4作為主控制器，設(shè)計了一種基于LIN總線的汽車方向盤按鍵控制器。

按鍵控制器設(shè)計難點

汽車方向盤按鍵控制器的設(shè)計主要有以下三個難點。

1 安裝空間限制

由于按鍵控制器被安裝在方向盤面板附近的位置，因此需要在設(shè)計時盡可能減小印制板的面積，以方便嵌入到方向盤下方狹小的空間，并且要避免與其他模塊（如ABS）安裝的位置發(fā)生沖突。

2 線束數(shù)量限制

方向盤按鍵控制器在為駕駛員帶來操控舒適性和駕駛樂趣的同時，需要及時處理各按鍵發(fā)出的多重控制命令，并將這些命令發(fā)送給相應(yīng)的控制模塊，以完成如CD/DVD播放、定速巡航控制或手機電話的免提功能等。如果使用線束方式將按鍵控制器分別與被控模塊相連，勢必增加線束的成本、布線復(fù)雜度和整車重量，因此采用汽車總線的方式實現(xiàn)與各被控模塊之間的通信是高性價比的理想選擇。

3成本限制

從原理上講，按鍵控制器只是將按鍵操作轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的命令并以最低廉可靠的方式傳給各功能模塊。盡可能減少外圍元器件的個數(shù)，以及盡可能利用微控制器提供的片上資源來實現(xiàn)系統(tǒng)功能是設(shè)計關(guān)鍵所在。

按鍵控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計

按鍵控制器系統(tǒng)主要由輸入信號調(diào)理電路、主控單片機、LIN總線收發(fā)器和按鍵背光輸出驅(qū)動電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。輸入信號調(diào)理電路主要對按鍵信號進行鎖存、去抖等處理，處理后的模擬信號送入單片機的AD單元進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號則送入單片機中斷接口。主控單片機主要完成按鍵信號的檢查、LED背光的控制以及LIN通信。LIN總線收發(fā)器配合LIN控制器完成與各控制模塊的總線通信。下面著重對主控單片機和LIN總線收發(fā)器的選型予以闡述。

圖1 按鍵控制器系統(tǒng)框圖

的控制以及LIN通信。LIN總線收發(fā)器配合L I N控制器完成與各控制模塊的總線通信。下面著重對主控單片機和LIN總線收發(fā)器的選型予以闡述。

1 主控單片機

按鍵控制器的設(shè)計存在安裝空間、線束數(shù)量、成本等諸多限制，關(guān)鍵元器件的選型必須綜合考慮這些因素，力求性價比最優(yōu)。飛思卡爾半導(dǎo)體公司基于增強型H C S08核的8位高性能單片機M C9S08S C4 采用16-T S S O P封裝，外形尺寸僅僅6.40m m×5.00m m，用于方向盤鍵盤控制器設(shè)計將大幅減少P C B面積。另一方面，M C9S08S C4內(nèi)部自帶一個時鐘發(fā)生器，校準后能實現(xiàn)全溫度和全電壓范圍內(nèi)最大誤差不超過±2%的精度，足以滿足時鐘精度要求最高的L I N通信應(yīng)用。因此，可以直接使用內(nèi)部數(shù)字時鐘提供L I N通信和整個系統(tǒng)所需的時鐘信號，省去了芯片外部的時鐘振蕩器，從而達到節(jié)省印制板面積和系統(tǒng)成本的目的。

M C9S08S C4內(nèi)部集成有L I N控制器，對于汽車方向盤按鍵所要負責的多種控制功能，通過L I N總線可以節(jié)省線束成本、減輕重量，也便于功能的升級和裁剪。L I N總線作為一種低成本、高可靠性的汽車總線系統(tǒng)，已在車身電子系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。雖然L I N控制器可以使用普通的串行口控制器U A R T實現(xiàn)，但是M C9S08S C4內(nèi)部的串行口控制器S C I模塊不僅能實現(xiàn)U A R T的功能，而且還集成了與L I N通信相關(guān)的某些硬件特性（例如，對于L I N通信中非常特殊的Break域的產(chǎn)生和檢測過程）。這種硬件集成的L I N通信的功能，相比使用普通U A R T控制器可幫助用戶降低L I N通信軟件設(shè)計復(fù)雜度，加快產(chǎn)品研發(fā)周期和上市時間。

在汽車方向盤按鍵控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)掉電之前的一些數(shù)據(jù)（例如，最后的音量信息或者定速巡航的速度信息）都需要在下一次上電之后恢復(fù)。如果采用傳統(tǒng)的方法即增加一片E E P R O M來保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)，則會帶來增加印制板面積和成本的雙重壓力。如果單片機片上的F l a s h能夠模擬E E P R O M的操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，那么將是最理想的解決方式。而MC9S08SC4 內(nèi)部FLASH控制器自帶高壓泵支持F L A S H編程和擦除所需要的電壓，同時支持較高的重復(fù)編程和擦除操作，也可以動態(tài)地保存參數(shù)到F L A S H中，因此M C9S08S C4內(nèi)部FLASH存儲器能夠模擬EEPROM的操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，省去了EEPROM芯片。

2 LIN總線收發(fā)器

L I N總線收發(fā)器是L I N控制器和L I N物理總線之間的接口，其選型應(yīng)從L I N協(xié)議版本、靜態(tài)功耗、成本等方面綜合考慮。在本設(shè)計中選用的L I N收發(fā)器是恩智浦半導(dǎo)體公司的T J A1021。T J A1021支持最新的L I N2.1協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率從1～20k b p s，輸入電平兼容3.3V和5V器件，具有極低的電磁發(fā)射和高抗電磁干擾性，在睡眠模式下供電電流只有10μ A左右，可實現(xiàn)本地或遠程喚醒，L I N總線對電池和地自動短路保護。T J A1021應(yīng)用電路如圖2所示，具有4種工作模式：正常工作模式、睡眠模式、待機模式以及啟動模式。當VBAT上電，且控制信號NSLP為低電平，T J A1021即進入啟動模式。正常啟動以后，若NSLP被置為高電平并超過2μ s，T J A1021則進入正常工作模式。此時，若NSLP被置為低電平并超過2μ s，T J A1021則進入睡眠模式。睡眠模式下，如果R X D信號由懸浮狀態(tài)變?yōu)榈碗娖剑瑒t說明檢測到喚醒信號（T X D信號輸出狀態(tài)為弱下拉則為本地喚醒，強下拉則為遠程喚醒），TJA1021將自動進入待機模式。V15為齊納二極管，用來抑制汽車電源瞬態(tài)過壓以保護收發(fā)器的正常工作。


按鍵控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計

在由方向盤按鍵控制器、收音機功能模塊、車載D V D或者C D功能模塊、自動巡航控制模塊等組成的L I N總線系統(tǒng)中，方向盤按鍵控制器為主節(jié)點，其余為從節(jié)點。按鍵控制器軟件主程序是采用循環(huán)方式不斷掃描按鍵矩陣，當某個按鍵狀態(tài)發(fā)生變化時，就調(diào)用LIN發(fā)送函數(shù)，通過LIN總
線輸出相應(yīng)的指令。主程序軟件包括協(xié)議層軟件、接口層軟件和應(yīng)用層軟件三部分。協(xié)議層軟件負責底層通信協(xié)議的實現(xiàn)及總線信號的產(chǎn)生，接口層軟件提供應(yīng)用程序接口，應(yīng)用層軟件負責具體功能的控制。

1 協(xié)議層軟件

協(xié)議層是整個系統(tǒng)L I N協(xié)議實現(xiàn)的核心，負責物理鏈路的控制和使用，它接收來自接口層函數(shù)的調(diào)用，主要完成多字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送。在本設(shè)計中，多字節(jié)發(fā)送函數(shù)為v o i d_s e n d_data(u8 *temp, u8 num)，待發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)組通過指針t e m p傳遞，n u m為要發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，發(fā)送程序流程圖如圖3(a)所示。

2 接口層軟件

接口層是協(xié)議層與應(yīng)用層聯(lián)系的橋梁，負責將應(yīng)用層的命令轉(zhuǎn)換為協(xié)議層的數(shù)據(jù)格式，然后通過協(xié)議層將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，在本設(shè)計中，接口層多字節(jié)發(fā)送函數(shù)為v o i d_u8_d a t a_wr(d a t a_h a n d l e u u u, u8*ptr)，程序流程如圖3(b)所示。

圖3 多字節(jié)發(fā)送流程圖

3 應(yīng)用層軟件

應(yīng)用層軟件主要分為3 個基本模塊：總線通信模塊v o i d _ L I N _s e n d(v o i d)、鍵盤狀態(tài)檢測模塊v o i dk e y_s c a n(v o id)和鍵盤處理模塊v o i dprocess_(void)。程序開始運行時，先對L I N總線進行初始化，初始化完畢就轉(zhuǎn)入鍵盤狀態(tài)掃描函數(shù)key_scan()。該函數(shù)監(jiān)測鍵盤狀態(tài)標志，如果狀態(tài)改變就調(diào)用L I N_s e n d()把對應(yīng)命令發(fā)送到總線上。

試驗測試

根據(jù)上述方案，設(shè)計了一款簡易的按鍵控制器，配置了3個按鍵來模擬方向盤按鍵的功能，并進行了通信試驗和初步的抗干擾試驗，印制電路板（P C B）如圖4所示。測試方法如下：

圖4 按鍵控制器PCB圖
將按鍵控制器的L I N線、地線分別和自制的LIN總線測試臺LI N線、地線相連，供電電壓為直流12V。當任意按鍵按下時，控制器作為主節(jié)點主動向LI N總線發(fā)送“#F0”指令，如果LIN總線測試臺接收到該命令字就啟動蜂鳴器報警，同時發(fā)光二極管閃爍。實際測試表明按鍵控制器LIN通信功能正常。由于汽車電磁環(huán)境惡劣,因此L I N通信系統(tǒng)的抗干擾能力尤為重要。按鍵控制器在B Z-5型汽車電火花干擾試驗臺上進行了抗干擾試驗，試驗中LIN通信功能正常，達到了設(shè)計目標。