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网络构架下的车身中央控制器设计

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作者:天津市三丰科贸有限公司总经理 吴帆时间:2006-08-18来源:电子产品世界

[摘  要] 本文介绍了基于CAN总线的智能车身网络系统的设计,提出了舒适车身总线系统功能框架,并给出了车身中央控制器的硬件设计和功能描述,中央控制器采用MC68HC908AZ60控制器作为核心单元,应用智能触点检测模块和集成电源模块,节约系统资源,降低系统成本;通过光电隔离和优化的EMC设计,有效的解决了系统抗干扰问题,经过试验证实系统工作可靠。

[关键词] CAN  车身电子  控制器

 
1.前言

随着对车辆舒适性要求的提高和更多辅助智能功能的出现,ECU单元、执行器、传感器大量增加,为了限制线束重量和保证各电控单元协调工作,进行车身网络化设计是必要的。

考虑到数据传输速率、协议机制、可靠性、容错性和成本的要求,车内网络的类型依赖于它们的应用领域,不同网络类型的介绍和应用见表1。

表一  主流车辆网络类型及应用

2. 系统的功能和框架

本文的车身总线系统功能主要包括电动车窗控制(带有防夹功能)、中央集控锁(带有遥控功能)、防盗报警、电动后视镜、雨刮器/洗涤泵控制及后视镜除霜等,整个系统包括5个节点,采用低速CAN通信,波特率为100kbit/s,信息编码采用SAEJ1939编码规则。系统的框架结构如图1。

图1 车身总线系统网络构架

其中中央控制器作为一个网关,采集各种开关和传感器信号,通过CAN总线通信,协调整个系统的工作。

3.中央控制器的硬件设计


3.1 中央控制器的核心单元

核心单元采用freescale 的Mc68HC08AZ60,该芯片内部带有60K的 flash memory ,2K的RAM,1K的eeprom用于系统保存故障信息,并且有SPI模块和外围的智能芯片通讯, 8位的A/D模块,CAN控制器和定时器单元。中央控制器的硬件结构示意图如图2所示。

图2 中央控制器的硬件结构示意图

3.2 输入量的调理和采集模块

系统需要采集的输入量包括脉冲量、开关量和模拟量。开关量包括组合灯光开关,前雨刷开关,洗涤泵开关,车内灯开关和起动钥匙等大量的开关信号,为了节约系统资源,采用了MC33993触点监测模块来扩展系统的I/O口,MC33993具有22路输入,其中8路可以配置成接地或者接电源,其余14路为接地开关监测,通过SPI与微控制器通讯,并且可以通过开关电平跳变触发中断唤醒,因为是接地检测,无需采用光电隔离,极大的节约了资源,增强了系统的EMC性能。如图3所示。

图3  MC33993接线图

车内温度等模拟量传感器由中央控制器供电,与外部信号经电气隔离,经过低通滤波进入系统A/D模块,因而可有效地防止外部干扰。

3.3 车速信号的采集

车速信号可以从仪表输出得到,也可以采集车速传感器器信号,安装在变速器上的车速传感器产生脉冲信号,经过隔离、电平转换和整形后,进入TPU通道。TPU工作于输入跳变计数(ITC)模式,通过2次跳变的时间差来检测车速信号。需要注意的是车速传感器可能是公用的,在设计过程中需要考虑从传感器拉出电流的大小,如图4所示。

图4 车速传感器的前端调理电路

3.4 通信接口模块
 
为了实现整车有效控制和管理,各控制器之间需要信息共享,因此本系统的所有信息交换都采用CAN总线。低速CAN总线物理接口采用了系统集成电源模块MC33889,其内部集成了低速CAN驱动器,并且提供系统5V的电源,与微控制器之间采用SPI通讯可以配置模块的功能。

3.5 功率驱动模块和电源模块 

功率驱动主要是车内灯光和电机驱动,包括雨刷电机和洗涤泵电机。本设计采用的是基于VMOS管的智能驱动芯片MC33286和MC33486,MC33286具有2路输出,每一路具有6 A输出电流,并且具有短路、过温和过压等故障保护功能,故障信息可通过电流反馈标志端由微控制器读取。MC33486具有2路输出,每一路具有10 A输出电流。这有利于系统的故障检测和提高系统的安全可靠性。 

系统为了降低成本,没有采用DC-DC电源隔离,而是选者了系统集成电源模块MC33889,内部集成了CAN 驱动器,并且具有硬件看门狗功能,同时有2路的唤醒输入和两路5V输出,可配置工作在4种模式(调式、正常、睡眠、停止)下,满足系统的需求,降低功耗和增强系统的抗干扰性能。

4 系统的电磁兼容和可靠性设计 

因为中央控制器靠近点火系统,电磁干扰较大,在电源模块上安装了屏蔽壳,在电路中加入滤波和去耦电容。在电路设计、元器件布置和布线时,严格按照电磁兼容(EMC)的设计原则。电路板采用模块化设计,模拟电路、数字电路和功率电路独立布置,用地线将数字区与模拟区隔离,尽可能把干扰源与敏感器件(如单片机、存储器等)远离。尽量选用集成度高和表面安装的元器件,以减少元器件数目、减小元件之间的连线长度、电路板的面积与高度,使印刷电路板布局简单,因而大大降低了故障率和受干扰的可能性。

由于MC68HC908AZ60支持高级编程语言,软件可以方便地采用分层结构和模块化的设计思想,以及实时多任务的机制,因此可有效地提高系统的可靠性和实时性。除此之外,在细节上采取了以下措施:对模拟量采用畸值剔除和一阶递推滤波算法;对开关信号延时、防抖和多次校验来防止误操作;对控制量采用冗余技术确保操作的可靠性;对CAN上接受和发送的数据用阀值进行限制并判断其有效性;采用Watch Dog和软件陷阱来提高软件运行失常时的自恢复能力。

5 总结

作为驾乘者舒适性的最集中体现,车身各部件控制的网络化已成为必然的趋势。本文开发的车身网络通过了一些列试验,结果证明了系统设计的正确性和可靠性。

参考文献
[1] 龚进峰,曹健,基于CAN/LIN总线的智能车身网络研发,汽车电器,No.5,2006.
[2] Bruce D.Emaus,Current Vehicle Network Architecture, SAE 2000 World Congress, Detroit, Michigan, March6-9,2000.
[3]C.P.Quigley and A.Roxburgh,The Application of Low Cost CAN Bus Load Transducer Technology, SAE 2001 World Congress, Detroit, Michigan, March 5-8,2001. 



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