基于LIN總線的車燈控制系統(tǒng)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
近幾年隨著LIN總線技術(shù)的出現(xiàn)，由于其成本低廉，且采用可有效保證通信負(fù)載的一主多從結(jié)構(gòu)，在通信速率要求不太高的車身電子領(lǐng)域，可以部分替代低速CAN|0">CAN總線。筆者結(jié)合所研制的車燈LIN網(wǎng)，介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，以及相關(guān)應(yīng)用協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)
● 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)包括一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和四個(gè)從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為CAN-LIN網(wǎng)關(guān)，與車身CAN網(wǎng)連接。從節(jié)點(diǎn)為相應(yīng)位置的車燈節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間通過LIN總線連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主節(jié)點(diǎn)完成組合開關(guān)狀態(tài)的檢測，檢測到狀態(tài)變化時(shí)，主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制幀，從節(jié)點(diǎn)接收控制幀，完成對車燈負(fù)載的控制，同時(shí)監(jiān)測過壓過流過溫情況的發(fā)生，并記錄其狀態(tài)。主節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送查詢車燈ECU狀態(tài)的狀態(tài)幀，并得到ECU狀態(tài)。
● 關(guān)鍵技術(shù)
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圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201706/350839.htm |
(1)開關(guān)檢測
組合開關(guān)信號的狀態(tài)檢測采用飛思卡爾的可編程多路開關(guān)檢測接口器件MC33993實(shí)現(xiàn)，該器件可以檢測多達(dá)22路開關(guān)量輸入，采用SPI方式與MCU進(jìn)行狀態(tài)設(shè)置及開關(guān)狀態(tài)反饋，不僅實(shí)現(xiàn)對開關(guān)狀態(tài)的可靠實(shí)時(shí)檢測，同時(shí)提供“濕性電流”保護(hù)開關(guān)觸點(diǎn)，保證開關(guān)觸點(diǎn)的接觸完整性。
(2)車燈控制
車燈負(fù)載包括遠(yuǎn)光燈、近光燈、小燈、霧燈和轉(zhuǎn)向燈，其控制采用飛思卡爾的智能功率器件MC33888和MC33984實(shí)現(xiàn)。這些器件不僅提供開關(guān)控制功能，還提供電流控制、限流、熱保護(hù)、過壓保護(hù)和先進(jìn)的負(fù)載診斷。
(3)過壓保護(hù)
車燈負(fù)載不能很好地承受高電壓，過壓是導(dǎo)致車燈壽命變短的重要原因。車燈額定工作電壓為13.5V，實(shí)際上當(dāng)提供18V以上電壓達(dá)幾秒，就會產(chǎn)生故障，可以采用PWM的方式控制車燈的有效電壓值。設(shè)車燈電阻為R，車燈兩端電壓為U，則在時(shí)間T內(nèi)，消耗的熱量W=U2T/R
車燈電阻R為固定值，這樣車燈承受能量正比于電壓U的平方和工作時(shí)間T。可以通過PWM調(diào)節(jié)占空比d，從而調(diào)節(jié)有效工作時(shí)間T，這樣當(dāng)電壓達(dá)到18V 時(shí)，調(diào)節(jié)占空比d到(13.5/18)2=56%，便能保證車燈的正常工作。在電路中通過檢測電壓值V，當(dāng)電壓值V>13.5V時(shí)，按照如下公式計(jì)算占空比：
d=(13.5/V)2
這樣通過調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)了對車燈工作電壓平均值的控制，有效保護(hù)了車燈負(fù)載。
LIN通信的實(shí)現(xiàn)
LIN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)包括協(xié)議驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)用協(xié)議兩部分，協(xié)議驅(qū)動(dòng)器完成通信功能，應(yīng)用協(xié)議完成網(wǎng)絡(luò)管理和故障診斷。
● LIN通信概念
LIN協(xié)議是一主多從結(jié)構(gòu)，通信只能由主節(jié)點(diǎn)中的主任務(wù)發(fā)起，一個(gè)完整的LIN報(bào)文幀的傳輸是由主任務(wù)和從任務(wù)共同實(shí)現(xiàn)的，主任務(wù)發(fā)送“報(bào)頭”，從任務(wù)發(fā)送或接收“響應(yīng)”。
通信概念如圖2所示。
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圖2LIN通信概念圖 |
● 協(xié)議驅(qū)動(dòng)器
LIN基于SCI串行通信的格式，使得帶UART的MCU可以采用中斷服務(wù)程序，以狀態(tài)機(jī)的方式很容易實(shí)現(xiàn)其協(xié)議驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)LIN的通信概念，主節(jié)點(diǎn)的協(xié)議驅(qū)動(dòng)器要實(shí)現(xiàn)報(bào)頭的發(fā)送、“響應(yīng)”的處理，從節(jié)點(diǎn)的LIN協(xié)議驅(qū)動(dòng)器要實(shí)現(xiàn)的是報(bào)頭的接收和解析、“響應(yīng)”的處理。
● 應(yīng)用協(xié)議
應(yīng)用協(xié)議規(guī)范各節(jié)點(diǎn)之間的信息交互方式，定義通信規(guī)則，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和狀態(tài)管理。其制定比較復(fù)雜，需要綜合考慮汽車環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)的安全性、實(shí)時(shí)性等因素。本文結(jié)合所研制的車燈控制系統(tǒng)，從信號及其組裝、幀的定義實(shí)現(xiàn)，進(jìn)度表的制定的角度，初步探討基于LIN總線的應(yīng)用協(xié)議的制定及實(shí)現(xiàn)。
(1)信號及其組裝
“信號”是“響應(yīng)”的組成要素，信號的定義取決于系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和控制對象的特性，在本車燈LIN網(wǎng)內(nèi)，需要定義的有車燈控制信號、車燈狀態(tài)信號和車燈選擇對象信號。以布爾信號的形式定義車燈控制信號和狀態(tài)信號，以單字節(jié)信號的形式定義車燈選擇對象。
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表1車燈選擇信號 |
車燈控制信號包括車燈點(diǎn)亮信號Flight_on、車燈關(guān)斷信號Flight_off、車燈閃爍信號Flight_glitter。通過對車燈進(jìn)行數(shù)字編號的方式，定義了車燈選擇信號Flight_select。將之按照在“響應(yīng)”中的位置(以位為單位)組裝為如下的方式，在控制幀內(nèi)傳輸。
每路車燈負(fù)載對應(yīng)一布爾信號，表示該路是否出現(xiàn)故障(過溫、過壓、過電流、負(fù)載開路)，各車燈ECU將相關(guān)信號組裝起來，在各自的狀態(tài)幀中傳輸。
(2)幀的定義及實(shí)現(xiàn)
根據(jù)LIN協(xié)議，幀包括無條件幀、事件觸發(fā)幀、零星幀三種。以無條件幀的形式定義控制幀和狀態(tài)幀，由于車燈的控制規(guī)律，左右燈要同時(shí)打開，所以左前車燈 ECU和右前車燈ECU共用一個(gè)前燈控制幀，左后車燈ECU和右后車燈ECU共用一個(gè)后燈控制幀，針對4個(gè)車燈節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)定義了4個(gè)狀態(tài)幀，用于反饋當(dāng)前控制對象的工作狀態(tài)，即是否有過壓、過流、過溫情況發(fā)生。
對無條件幀而言，只要時(shí)間槽輪轉(zhuǎn)到該無條件幀，便要在總線上完整地傳輸。而零星幀的傳輸取決于所關(guān)聯(lián)的無條件幀內(nèi)信號的更新情況，只有在信號被更新的情況下，才傳輸所關(guān)聯(lián)的最高優(yōu)先級的無條件幀，然后在下個(gè)時(shí)間槽再次輪轉(zhuǎn)到該零星幀時(shí)，再傳輸?shù)蛢?yōu)先級的無條件幀，否則該時(shí)間槽內(nèi)總線保持靜默?？紤]到汽車環(huán)境對各個(gè)ECU的低功耗要求很高，且組合開關(guān)的操作是偶爾且即時(shí)的，所以以零星幀填充進(jìn)度表，這樣在大部分時(shí)間內(nèi)，開關(guān)狀態(tài)不會產(chǎn)生變化，即所關(guān)聯(lián)的控制幀中信號不會被更新，當(dāng)時(shí)間槽輪轉(zhuǎn)到零星幀時(shí)，總線保持靜默，超過4秒沒有總線信號，主從節(jié)點(diǎn)便可以進(jìn)入休眠狀態(tài)，滿足低功耗要求。表2給出了零星幀和所關(guān)聯(lián)控制幀的說明。
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表2零星幀和所關(guān)聯(lián)控制幀的說明 |
(3)進(jìn)度表的制定
LIN總線的進(jìn)度表定義了幀在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)拇涡?，以及幀間的時(shí)間間隔，保證了LIN總線不會過載，同時(shí)保證了關(guān)鍵信號的周期性和實(shí)時(shí)性。
根據(jù)該LIN網(wǎng)的特點(diǎn)，定義了三個(gè)進(jìn)度表：Normal_table、Status_table、Trigger_table，主節(jié)點(diǎn)根據(jù)當(dāng)前LIN網(wǎng)的狀態(tài)切換進(jìn)度表。 Normal_table由零星幀填充，是主節(jié)點(diǎn)的主要進(jìn)度表，這樣可以在組合開關(guān)沒有動(dòng)作的情況下讓LIN集群處于休眠狀態(tài)，休眠指令按照LIN幀的形式發(fā)送，采用數(shù)據(jù)場第一個(gè)字節(jié)為0x00的診斷幀實(shí)現(xiàn)。Status_table中包含對應(yīng)于四個(gè)車燈節(jié)點(diǎn)的四個(gè)狀態(tài)幀，Trigger_table中包含關(guān)聯(lián)于四個(gè)無條件狀態(tài)幀的事件觸發(fā)幀。由于各個(gè)車燈ECU可以對過流、過壓、過溫進(jìn)行保護(hù)，且有保持車燈電壓的功能，所以主節(jié)點(diǎn)可以以較長的周期把進(jìn)度表切換到Trigger_table，查詢相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)有相應(yīng)信號被更新時(shí)，主節(jié)點(diǎn)將進(jìn)度表切換到Status_table，得到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，優(yōu)先級為左前車燈ECU>左后車燈ECU>右前車燈ECU>右后車燈ECU。
具體細(xì)節(jié)如下。當(dāng)時(shí)間槽輪轉(zhuǎn)到零星幀control時(shí)，如果開關(guān)狀態(tài)沒有改變，即所關(guān)聯(lián)的控制幀中信號沒有被更新，該時(shí)間槽內(nèi)總線保持靜默，如果有一個(gè)控制幀的信號被更新，該時(shí)間槽內(nèi)便會發(fā)送該無條件控制幀，如果在無條件控制幀中有多于一個(gè)信號被更新，主節(jié)點(diǎn)對這些控制幀做出“pending”標(biāo)志，然后在該時(shí)間槽內(nèi)發(fā)送最高優(yōu)先級（優(yōu)先級在零星幀中定義）的無條件控制幀，當(dāng)進(jìn)度表輪轉(zhuǎn)到下一個(gè)該零星幀的時(shí)間槽時(shí)，“pending”狀態(tài)的候選幀便會被發(fā)送。
主節(jié)點(diǎn)以1秒鐘的間隔把進(jìn)度表切換到Trigger_table，當(dāng)時(shí)間槽輪轉(zhuǎn)到事件觸發(fā)幀status，如果在該幀數(shù)據(jù)場的第一個(gè)字節(jié)沒有得到任何數(shù)據(jù)，即所關(guān)聯(lián)的無條件狀態(tài)幀沒有狀態(tài)信號被更新，總線在“響應(yīng)場”內(nèi)保持靜默，如果收到一個(gè)所關(guān)聯(lián)的無條件狀態(tài)幀的ID，后續(xù)得到的數(shù)據(jù)即該無條件狀態(tài)幀中被更新的“信號”，如果得到一個(gè)無法匹配的ID，便認(rèn)為總線沖突，即同時(shí)有至少兩個(gè)所關(guān)聯(lián)幀中的信號被更新，這時(shí)，主節(jié)點(diǎn)要在該進(jìn)度表下一個(gè)時(shí)間槽開始時(shí)切換進(jìn)度表到Status_table，然后輪詢各個(gè)狀態(tài)幀，輪詢結(jié)束后進(jìn)度表再切換回主進(jìn)度表Normal_table。
結(jié)束語
本文結(jié)合所研制的車燈控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，從制定和實(shí)現(xiàn)LIN協(xié)議驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)用協(xié)議的兩個(gè)方面論述了LIN通信，實(shí)現(xiàn)了車燈控制和診斷。
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