汽車門鎖模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

汽車電子化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志。汽車電子的廣泛使用，使現(xiàn)代汽車比以往汽車變得更節(jié)能、更安全、更舒適。但當(dāng)汽車內(nèi)部電子設(shè)備采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式連接時(shí)，電子設(shè)備的不斷增加會(huì)導(dǎo)致連線大幅度增加，致使車輛重量隨之增加，并削弱了車輛性能。為適應(yīng)汽車電子設(shè)備迅速增加的需求，汽車電子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。汽車內(nèi)部已經(jīng)基本形成了從低速到高速、從電纜到光纖、從有線到無(wú)線、從離散ECU的數(shù)據(jù)通信到中央智能控制的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中，在車身低速電子設(shè)備連接方面，低速CAN總線和LIN總線構(gòu)成的混合網(wǎng)絡(luò)正受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注和使用。汽車門鎖作為汽車車身的重要部件之一，實(shí)現(xiàn)基于CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)的汽車門鎖單元，有助于提高汽車車身的總體電子化水平。

汽車門鎖是汽車車身的重要部件之一，從汽車發(fā)明至今，經(jīng)歷了機(jī)械式、電氣化至電子化的發(fā)展過(guò)程。汽車電子門鎖是采用電子電路控制的以電磁鐵、微型電動(dòng)機(jī)和鎖體作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)電一體化的安全裝置。采用汽車電子門鎖，駕駛員可以不用金屬鑰匙就能方便地開關(guān)汽車車門，而且能有效增強(qiáng)汽車門鎖的安全性能。相對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，汽車電子門鎖的電子線路部分具有極大的靈活性，由此可以將汽車電子門鎖分為按鍵式、撥盤式、電子鑰匙式、觸摸式、生物特征式等多種類型。其中，采用電子鑰匙的無(wú)線遙控鎖具有安全、可靠、方案成熟等優(yōu)點(diǎn)，因此經(jīng)常被用作汽車電子門鎖。傳統(tǒng)的汽車電子門鎖采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式與汽車車身的其它電子設(shè)備互聯(lián)，伴隨著汽車電子網(wǎng)絡(luò)化的趨勢(shì)，汽車電子門鎖開始逐漸采用網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)構(gòu)。

1 汽車門鎖模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)中，汽車車身控制網(wǎng)絡(luò)采用CAN/LIN混合結(jié)構(gòu)，按功能劃分可分為各個(gè)模塊：除門鎖模塊外，車身系統(tǒng)還包括座椅模塊、控制面板模塊以及燈組模塊。模塊之間通過(guò)CAN總線互聯(lián)，各個(gè)模塊內(nèi)部使用LIN總線互聯(lián)。

門鎖模塊是車身電子設(shè)備中重要的一部分。通過(guò)主節(jié)點(diǎn)管理的無(wú)線遙控門鎖，可以很便捷地對(duì)各個(gè)車門的智能電控單元進(jìn)行控制，同時(shí)及時(shí)反饋節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)信息，極大地方便了操作和維護(hù)。自動(dòng)門鎖單元中包括一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)(四個(gè)門鎖單元)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主節(jié)點(diǎn)作為車身網(wǎng)絡(luò)中門鎖模塊的網(wǎng)關(guān)，將各種控制命令、車身狀態(tài)數(shù)據(jù)在LIN總線與CAN總線之間轉(zhuǎn)發(fā)，使LIN總線與CAN總線無(wú)縫結(jié)合為一個(gè)整體。

門鎖模塊主節(jié)點(diǎn)的另一項(xiàng)主要功能是管理門鎖。門鎖采用無(wú)線電遙控并結(jié)合按鍵控制的控制方式。按鍵安裝在車身內(nèi)部，當(dāng)駕駛員處于車身內(nèi)部時(shí)，可以通過(guò)按鍵控制車門的開/關(guān)鎖，此時(shí)控制單元不需要進(jìn)行開鎖密碼檢查。另外，車鎖也可以以無(wú)線遙控方式進(jìn)行控制。該鎖由微型發(fā)射機(jī)、接收天線和微控制器等組成。微型發(fā)射機(jī)安裝在鑰匙手柄里, 使用鋰電池供電并具有晶體振蕩電路, 能發(fā)出穩(wěn)定的約40MHz的載波。密碼信號(hào)發(fā)生器提供一個(gè)調(diào)頻代碼，天線接收裝置接收信號(hào)后，送入信號(hào)接收器進(jìn)行放大、調(diào)頻、檢波和信號(hào)波形修正, 最后再輸入到比較電路, 與主門鎖單元中存儲(chǔ)的密碼進(jìn)行比較, 如果一致就執(zhí)行開/關(guān)鎖。

主節(jié)點(diǎn)通過(guò)LIN總線給各個(gè)子門鎖控制單元發(fā)送命令來(lái)控制開/關(guān)鎖，子節(jié)點(diǎn)接收到命令后，觸發(fā)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu), 操縱車門開鎖或關(guān)鎖。若在10分鐘內(nèi)有15個(gè)或更多的密碼輸入錯(cuò)誤，則系統(tǒng)就認(rèn)為有人企圖竊車，于是停止接收任何信號(hào)，包括正確的密碼信號(hào)。系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)后，駕駛員必須用車門的機(jī)械鑰匙插入車鎖孔，才能開啟車門。系統(tǒng)從鎖死狀態(tài)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，可以通過(guò)復(fù)位門鎖控制模塊實(shí)現(xiàn)。另外，如果開鎖后，30秒后未打開車門，則車門將自動(dòng)關(guān)鎖。

子節(jié)點(diǎn)通過(guò)LIN總線與主節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令或返回反饋信息。實(shí)際使用的門鎖是電機(jī)式的自動(dòng)車門鎖，該鎖由可逆式電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置及鎖體總成構(gòu)成。其工作原理是：由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鎖體總成，實(shí)現(xiàn)鎖緊或開啟車門。因此，門鎖模塊子節(jié)點(diǎn)的功能主要是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制可逆式電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開/關(guān)鎖。

2 汽車門鎖模塊的硬件設(shè)計(jì)

汽車門鎖模塊由主節(jié)點(diǎn)和若干子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，如圖2所示。主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間的通信采用LIN總線，LIN總線通信基于標(biāo)準(zhǔn)的SCI(UART)硬件接口、單主多從且不需要穩(wěn)定時(shí)基，僅需要三根線連接(電源線、地線、數(shù)據(jù)線)，有效地降低了硬件成本。微控制器一般都具有SCI(UART)接口，因此只需在微控制器外圍加上LIN總線收發(fā)芯片，就能構(gòu)成一個(gè)LIN總線上的通信節(jié)點(diǎn)。LIN總線收發(fā)器采用Motorola公司的MC33399。MC33399符合LIN規(guī)范，能與中速網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字通信，波形修正可減少EMI干擾。另外，MC33399具有低電流睡眠模式和專門的叫醒輸入管腳，使LIN控制節(jié)點(diǎn)可以處于低功耗運(yùn)行狀態(tài)[3]。

門鎖單元的主節(jié)點(diǎn)的微控制器采用Motorola公司的16位微控制器單元MC9S12DP256。該芯片內(nèi)部模塊包括16位CPU(HCS12 CPU)、256K字節(jié)的Flash EEPROM、12.0K字節(jié)的RAM、4.0K字節(jié)的EEPROM、兩個(gè)串行通信接口(SCI)、二十九個(gè)數(shù)字I/O通道、五個(gè)CAN2.0 A/B軟件兼容模型(MSCAN12)等。因此，控制節(jié)點(diǎn)無(wú)需再外擴(kuò)存儲(chǔ)單元，I/O資源也完全滿足車身控制的需求，CAN通信接口可以直接使用片上自帶的CAN模塊。

遙控門鎖采用NORDIC公司的nRF401無(wú)線收發(fā)芯片。nRF401芯片所需擴(kuò)展的外圍器件較少，可以直接連接單片機(jī)串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)，無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，降低了編程和使用的難度。nRF401芯片采用4MHz晶振產(chǎn)生振蕩頻率，經(jīng)頻率合成器合成為40MHz的工作頻率，天線使用微帶天線直接設(shè)計(jì)在電路板上，通過(guò)Din、Dout接口與MC9S12DP256連接。

門鎖單元子節(jié)點(diǎn)微控制器采用PHILIPS公司的低成本FLASH單片機(jī)P89LPC904。P89LPC904內(nèi)部自帶1KB Flash程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、高精度的內(nèi)部RC振蕩器(不需要外接振蕩器件)，具有兩個(gè)通道的8位A/D輸入。同時(shí)，它具有空閑和掉電兩種不同的掉電節(jié)電模式。在LIN總線空閑的時(shí)候，系統(tǒng)能切換到節(jié)電模式。

由于在應(yīng)用中要驅(qū)動(dòng)小馬達(dá)，門鎖單元需要使用到Motorola的H-bridge電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。微控制器的輸出接口不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要通過(guò)MC33887的電源IC芯片給門鎖單元提供驅(qū)動(dòng)能力。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，也會(huì)把電流值適時(shí)地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)反饋給P89LPC904，供門鎖控制中的故障檢測(cè)之用。

3 車鎖模塊的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)兩部分。

車鎖模塊主節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線接收車身網(wǎng)絡(luò)總控制單元的控制命令，并返回當(dāng)前車鎖的開關(guān)狀態(tài)以及故障信息。同時(shí)，它向車鎖模塊的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，接收狀態(tài)信息。主節(jié)點(diǎn)需要對(duì)CAN和LIN總線間的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行合適的轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)中的CAN總線采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀格式通信。標(biāo)準(zhǔn)格式的CAN2.0B數(shù)據(jù)幀包括仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)三部分。SOF(幀起始)標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的開始，由一個(gè)顯位構(gòu)成。仲裁場(chǎng)由標(biāo)識(shí)符和RTR(遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位)組成。RTR在數(shù)據(jù)幀為顯位，而在遠(yuǎn)程幀中必須為隱位，門鎖單元主節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符為0x50。控制場(chǎng)中，標(biāo)準(zhǔn)幀的IDE位為顯位，r0為保留位，DLC為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼[4]。CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀格式如圖3所示。

LIN總線通信通過(guò)報(bào)文幀進(jìn)行，報(bào)文幀格式如圖4所示。同步間隙表示新報(bào)文幀的開始，同步間隙由主任務(wù)(主節(jié)點(diǎn)內(nèi))產(chǎn)生。同步場(chǎng)的字節(jié)域?yàn)?x55。從任務(wù)總是能檢測(cè)到同步間隙以及同步場(chǎng)字節(jié)流。如果檢測(cè)到新的同步間隙、同步場(chǎng)，則中止正在進(jìn)行的傳輸任務(wù)，而開始新的報(bào)文幀傳輸。報(bào)文頭的標(biāo)識(shí)符由6bit組成，取值范圍為0到63。除去少數(shù)保留特定用途之外，均可以用作通信ID，門鎖單元中的LIN節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符分配如表1所示。

主節(jié)點(diǎn)通過(guò)LIN總線發(fā)送LOCK_DOOR幀給各個(gè)門鎖單元，其中包括對(duì)門鎖的鎖定/解鎖命令。子節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文幀后，解析幀中的數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)域中的第一字節(jié)標(biāo)記解鎖指令，bit0對(duì)應(yīng)左前門，bit1對(duì)應(yīng)右前門，bit2對(duì)應(yīng)左后門，bit3對(duì)應(yīng)右后門。第二字節(jié)標(biāo)記鎖定指令，對(duì)應(yīng)關(guān)系與解鎖指令相同。兩個(gè)后門鎖LOCK_R_L和LOCK_R_R則發(fā)送響應(yīng)幀LOCK_DOOR_RL_STATUS和LOCK_DOOR_RR_STATUS來(lái)向主節(jié)點(diǎn)反饋系統(tǒng)故障和門鎖馬達(dá)執(zhí)行時(shí)的故障信息。兩個(gè)前門鎖除了發(fā)送這些信息外，還發(fā)送門鎖開關(guān)狀態(tài)信息給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)利用這些信息可以再次產(chǎn)生鎖定/解鎖命令。

另外，主節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線接收到車身總控制單元的遠(yuǎn)程幀后，需回復(fù)數(shù)據(jù)幀，通知總控制單元當(dāng)前各個(gè)門鎖狀態(tài)。當(dāng)門鎖單元由于輸入錯(cuò)誤密碼而處于死鎖狀態(tài)時(shí)，接收到總控制單元的復(fù)位命令幀后，門鎖單元主節(jié)點(diǎn)恢復(fù)接收密碼信號(hào)。

遙控門鎖與鑰匙之間通過(guò)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議進(jìn)行開/關(guān)鎖，包括一個(gè)字節(jié)的幀頭0x80、2bit的命令、6bit的幀長(zhǎng)、數(shù)據(jù)域以及校驗(yàn)和。對(duì)于遙控開/關(guān)鎖命令的數(shù)據(jù)域即開/關(guān)鎖命令密碼，需要進(jìn)行一定的加密。實(shí)際上，遙控門鎖和鑰匙各持有一個(gè)密鑰，鑰匙首先從遙控門鎖處獲取一個(gè)隨機(jī)生成的明鑰，然后利用明鑰和密鑰對(duì)車門密碼進(jìn)行加密，然后發(fā)送給遙控門鎖，遙控門鎖根據(jù)明鑰和密鑰對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，獲得密碼后驗(yàn)證正誤。基于安全可靠方面的考慮，發(fā)送明鑰、發(fā)送密碼等一系列過(guò)程都是基于連接的通信。遙控開關(guān)鎖命令幀格式如圖5所示。命令字段劃分為：0x00請(qǐng)求獲得明鑰，0x01發(fā)送密碼開鎖，0x02發(fā)送密碼關(guān)鎖。

主節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序基于μC/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。MC9S12DP256微控制器上已移植了μC/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，μC/OS內(nèi)核小巧、高效，對(duì)系統(tǒng)性能開銷很?。欢一诙嗳蝿?wù)的操作系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用程序可使得開發(fā)更為快捷、容易，同時(shí)增強(qiáng)了可移植性。主節(jié)點(diǎn)功能劃分為不同任務(wù)各自獨(dú)立執(zhí)行。主節(jié)點(diǎn)在完成對(duì)CAN、LIN通信接口以及nRF401芯片的初始化后，創(chuàng)建任務(wù)進(jìn)程OS_CAN_PROCESS、OS_LIN_PROCESS、OS_WIRELESS_PROCESS并使它們等待信號(hào)量，獲得信號(hào)量后執(zhí)行各自的操作。其中，它們等待的信號(hào)量由相應(yīng)的中斷處理程序發(fā)出，驅(qū)動(dòng)各個(gè)任務(wù)執(zhí)行，執(zhí)行完任務(wù)后，繼續(xù)在信號(hào)量上等待。OS_MAIN_TASK是主節(jié)點(diǎn)的主任務(wù)，等待消息隊(duì)列，根據(jù)返回的消息來(lái)區(qū)分不同的操作狀態(tài)。

OS_CAN_PROCESS與OS_LIN_PROCESS為CAN、LIN總線的數(shù)據(jù)接收任務(wù)，接收數(shù)據(jù)后放入緩沖區(qū)，并設(shè)置狀態(tài)位，然后通過(guò)消息隊(duì)列通知OS_MAIN_TASK進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。CAN、LIN總線數(shù)據(jù)發(fā)送則直接通過(guò)OS_MAIN_TASK發(fā)起。

OS_WIRELESS_PROCESS管理無(wú)線通信的連接。無(wú)線連接具有多個(gè)狀態(tài)，包括LISTEN、CONNECTED、FIRST_SEND、CLOSED等，分別代表等待連接、連接建立、明鑰已發(fā)送、連接關(guān)閉。無(wú)線連接狀態(tài)切換時(shí)需要通過(guò)消息隊(duì)列通知OS_MAIN_ TASK，主任務(wù)根據(jù)不同連接狀態(tài)進(jìn)行管理控制。OS_MAIN_TASK任務(wù)流程如圖6所示。

子節(jié)點(diǎn)程序相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)子節(jié)點(diǎn)控制芯片的能力較弱，因此程序設(shè)計(jì)基于前后臺(tái)方式。子節(jié)點(diǎn)通過(guò)LIN總線接收主節(jié)點(diǎn)的命令幀后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)電機(jī)開/關(guān)鎖。在開/關(guān)鎖的過(guò)程中監(jiān)控電機(jī)電流，檢查是否發(fā)生故障，并返回汽車門鎖狀態(tài)信息以及故障情況。子節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖7所示。

隨著汽車的電子網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，低成本的LIN網(wǎng)絡(luò)將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文介紹并實(shí)現(xiàn)的基于CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)門鎖控制模塊是汽車車身控制中的典型應(yīng)用，它提高了車身整體的自動(dòng)化程度，有著良好的應(yīng)用前景。