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LIN總線在電動車窗系統控制中的應用

2017-07-19

LIN總線在電動車窗系統控制中的應用

  LIN總線是一種用于汽車分布電子系統的新型低成本串行通訊網絡,其目標是為現有汽車網絡(例如CAN總線)提供輔助功能。LIN總線瞄準一些低端應用,在這些應用中每個節點的通訊成本都必須大大低于CAN,而且不需要CAN的高性能、高帶寬和多功能等。它相對于CAN的成本節省主要是由于采用單線傳輸、硅片中硬件或軟件的低實現成本,以及無需在從屬節點中使用石英或陶瓷諧振器等。

  相對于發動機和底盤系統控制,車身附件系統控制對安全性和可靠性等要求并不高,而車身附件所具有的各種開關,正是車輛線束復雜的重要原因。LIN總線能大量節省線束,以及易于升級換代和便于實現診斷功能的特點,正使它成為車身電子最重要的發展方向。作為車身附件的重要組成部分,同時駕駛員車門可以對其他成員車門進行控制,電動車窗采用LIN總線控制方式無疑很好的選擇。

LIN總線的通信過程

  相對于CAN總線的各節點發送消息的無序性,LIN總線網絡中存在一個主節點,它是所有節點通信的發起者,雖然通信速率較低(1-20Kbps),但它本質屬于延遲時間確定性網絡。需要通信時,主節點線發送一個Break(一般長度大于或等于11bit位),主要目的是為了產生一個幀格式錯誤(FrameError)。然后主節點將發送1字節的同步場(0x55,以便各從節點充分地同步,而后將發送1字節的ID位,從節點在收到ID后,根據協議解析出是否向總線上發送數據或接受數據或不做任何響應。LIN總線數據一般為0-8字節(LIN1.3及以前版本數據字節數位0248byte)。在主節點或從節點發送完數據后,將發送1字節的數據校驗(Checksum),接受數據節點將依據其判斷數據的正確性,從而確定是否接受發來的數據。


1LIN總線的數據幀結構

車門模塊網絡的工作原理

  由于駕駛員車門除了要控制本車門上的車窗升降,還需控制乘客車門上的車窗升降,所以將駕駛員車門的車窗控制模塊作為主節點,其他乘客車門的車窗控制模塊作為從節點。考慮成本和軟件設計的方便性,乘客車門的車窗控制模塊采用了相同的硬件。在本次設計中,駕駛員車門模塊控制器上采用了Freescale8位單片機——MC68HC908QC16,同時考慮到數量對成本的影響,且QC16與其低級產品(QC4QC2)的價格相差不多,從節點我們也采用了與主節點相同的芯片。從下文可以看出,這種選擇是合適的。再考慮到要最大限度地節省線束的原因,在整個車窗控制網絡中采取了分布式的驅動控制方式。即主節點的搖窗電機的驅動由主節點獨立控制,從節點的驅動也由從節點各自實現。

  相對于傳統的SCIQC16所帶有的ESCIenhancedSCI)為LIN網絡設計提供了更大的方便,包括自由選擇Break的長短和更為靈活的波特率設計等。LIN收發器芯片我們采用Freescale的兼容LIN2.0協議的MC33661通信芯片。考慮到總線對電源的要求和系統成本,電源芯片采用了LM2931

  在此LIN網絡中,主節點(駕駛員車門模塊)的主要任務是采集四個車窗的上升和下降信號,另加一個兒童鎖(用以鎖止從節點車窗控制器的工作)和一個點火開關信號,同時控制整個網絡通信的發起,即各數據幀之間的時間間隔。在硬件設計中,每個微動開關都占用一個I/O口,默認無效的狀態為高電平,我們采取了內部拉高的方式。當按下或拔起相應的開關時,對應的I/O輸入端變為低電平。為了實現駕駛員車窗的自動下降功能,將其對應的輸入接到了定時器模塊的輸入捕捉通道上,這樣就可以通過捕捉下降沿來開始計時,從而區別出手動和自動狀態(按鍵時間300ms,自動)。對于點火開關信號,設計要求為只有在點火開關的信號有效時,各車窗才可以升降,而在點火開關關閉的60s內,仍認為其處于有效狀態。另外,還需將點火開關和兒童鎖信號的有效性通過LIN總線數據位的某些數據值體現出來,從節點通過判斷這些數據位的數值便可得到相應的狀態信息,從而控制相應的電機動作。

從節點的主要功能是通過接收由主節點發來的控制信息和本身從微動開關所采集到的狀態信息,控制相應的車窗電機工作。但是,從節點的自動下降功能實現起來相對主節點來說更復雜一些,不僅主節點的按鍵動作具有自動下降功能,從節點自己的按鍵也具有自動下降功能。而前者是通過LIN的數據位傳遞的,所以我們只能采取查詢的方式。這也是前文所提到的選片的一個理由。為了避免沖突,在功能定義時就設定在從節點和主節點同時按鍵時(針對該從節點的車門),這兩個按鍵均無效,車窗電機立刻停止。

  考慮到成本的原因,僅通過采集電機的反饋電流來判斷車窗是否上升到頂部或下降到底部。由電機的特性曲線,設定出堵轉電流值Imax,若所反饋的電流大于或等于該值,則控制器能判斷出到了極限位置,進而停止車窗的升降。這樣的設計仍可能會出現問題,那就是由于各個車門的制造安裝工藝不同,再加上導槽橡膠的老化變形等,可能會產生燒毀電機的情況。為此,在自動下降的過程,我們啟動另一個定時器。即從自動下降開始時刻,在一定時間內電機必須停止。由于我們是根據開關的有效性來動作電機的,同時由于系統沒有自動上升功能,所以上升部分并不存在這樣的問題。

  在從節點的設計中,由于空間的限制和成本上的考慮,并沒有采用外部晶振。對于普遍存在的內部晶振的不準確性,采取如下的處理方式:將所用的從節點作為主節點,通過示波器測量LIN同步場(0x55)的比特率,通過與設定值比較,確定的內部晶振的偏差,再通過QC16的內部晶振補償寄存器,來使內部晶振變得更準確。這樣做的主要原因是可以直接將已經寫好的用于主節點的LIN通信程序燒寫到從節點中,只是在系統時鐘的設置方面稍作改動。當然,LIN總線對晶振誤差的要求并不十分苛刻。一般情況下同批產品不經補償或補償值相同也是可以的,這在大批量生產中相當重要。

  在整個的控制邏輯中,當駕駛員按下兒童鎖后,不能通過控制其它三個車門的按鍵來控制車門上升和下降,所對應的工作指示燈也熄滅,表明從節點自己不可控制自己電機的升降。從節點通過判斷LIN數據的變化情況,來確定自動下降或點動下降或點動上升。

  在電機驅動設計方面,為了節省成本,采用了普通的繼電器而不是功率芯片。電路原理如圖2所示:


2a)電機驅動原理圖


2b)電機驅動原理圖

  當UPPINDOWNPIN(圖2b))所對的單片機輸出腳為高電平時,二極管導通,TURNUTURN被拉低,從而使圖2a)中的繼電器工作,驅動電機上升或下降的LIFTM1LIFTM2便與蓄電池連接,從而驅動電機工作。圖2中的AD6是電機電流反饋的輸入端,其接到單片機AD的一個輸入口,用于判斷電機是否上升至最高點或下降到最低點。

結語

  網絡化控制是現在車身附件控制的發展趨勢。相對于傳統的車門系統,采用LIN總線的車窗控制系統減少了不少的線束,同時可以通過軟件的方式增加很多功能。由于新加LIN節點并不需要改變原有網絡的硬件結構,升級換代也變得容易。試驗證明,所設計LIN總線車門模塊除滿足了傳統線束式車門的所有功能要求外,還增加了自動下降、延遲鎖死等功能。隨著汽車電子化的發展,可以肯定的是,LIN總線將在車身附件控制中發揮越來越大的作用。

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