基于LIN 总线的汽车雨刮控制系统设计

2014-03-13成立存郭利进吕亚锋

电子科技 2014年6期

成立存，郭利进，吕亚锋

(天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387)

随着汽车电子技术的不断发展，汽车上的各种电子装置也越来越多，电子控制装置之间的通讯也越来越复杂，而汽车上传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，造成庞大的布线系统，增加了制造及维护成本。LIN 总线全称为区域互连网络，用于实现汽车车身控制系统的分布式控制，其具有价格低廉、结构简单、配置灵活等特点，为现代汽车网络提供功能上的补充，使汽车结构的设计变得更加灵活。LIN 总线主要被应用于车门、方向盘、座椅、雨刮器、车窗等控制单元，并将分布的智能传感器和执行器连接到车内主控制器［1］。本文将LIN 总线技术应用到汽车雨刷系统上，提出了安全性好、可靠性高的设计方法，该系统经实际调试，取得了良好的应用效果。

1 LIN 协议介绍

LIN(Local Interconnect Network)总线是现代汽车总线网络中一种低端的通用协议。其采用一主多从模式，数据的优先级由主节点确定，且带时间同步的多点广播接收，从机节点无需石英或陶瓷谐振器即可实现同步。同时，可选报文帧长度为2、4 或8 Byte;传输速率最高可达20 kbit·s－1;并基于通用UART 接口的廉价硬件实现，单线传送方式，总线通信距离最长可达40 m［2］。

LIN 总线的数据以报文帧的格式进行传输，报文帧由主任务的帧头和从任务的响应组成。帧头包括同步间隔场、同步场和受保护的标识符;响应分为数据场和校验和场两部分。LIN 网络由一个主节点，一个或多个从节点组成，通过主机节点(CAN－LIN 网关)，可将LIN 与上层网络相连接。一个LIN 网络最多可连接16 个节点，主机节点有且仅有一个，从机节点有1 ～15个。主机任务负责接收从机节点发出的总线唤醒命令，调度总线上帧的传输次序，并监测数据、处理错误，同时可作为标准时钟的参考。从机接收主机发送的帧头包含的信息以进行判断:发送应答、接收应答、或既不发送也不接收应答。

2 智能雨刷系统方案

在汽车安装的众多执行器中，雨刷对于雨天行驶的汽车起着至关重要的作用。雨雪天气，汽车驾驶员需谨慎应对路滑、视野小等问题，使得在雨天的操控过程中，精力受到较大干扰［3］。为此开发一种智能雨刷控制系统，有效提高汽车的安全性能。

智能雨刷系统主要包括一个主控单元和一个子单元，主控单元包含微控制器模块和液晶控制屏，子单元由控制器、雨量检测模块、电机驱动模块和电机检测模块组成。当雨刮处于自动挡时，可根据红外传感器检测雨量大小，自动控制雨刷器的摆动频率。子单元通过LIN 总线与主控单元连接，形成车载LIN 网络，驾驶员可通过液晶控制屏对雨刷进行控制并查看雨刷工作状态。该智能雨刷系统框图如图1 所示。

图1 雨刮控制系统结构图

在挡风玻璃上水量较大时，雨刮电机的间歇时间短，水量较小时，间歇时间相应较长。当工作过程中雨量传感器发生故障时，系统将以预设的固定间歇时间来控制雨刷电机的运转;若电机发生堵转，电枢电流超过阈值电流，并持续一段时间，则雨刷会进行复位动作。若尝试3 次仍无法通过，则退回复位位置停止动作，并通过LIN 总线发送故障报文，由液晶屏进行显示及报警。

3 硬件设计

3.1 控制器模块

主控单元微控制器采用Freescale 公司的高性能、低功耗汽车电子芯片MC9S12DG128［4］，该芯片属于HCS12 系列增强型16 位单片机，片内拥有128 kB 的Flash ROM，8 kB 的RAM 和2 kB 的EEPROM，2 个异步串行通信口SCI，2 个同步串行通信口SPI，8 通道输入捕捉/输出比较定时器，1 个8 通道脉宽调制模块，两个MSCAN 控制器。液晶模块是整个系统运行的一个重要输入，设计采用的液晶型号为Z2104，内置VGA控制板，该屏幕为电阻屏，与控制器通过串口进行通信，其工作电压为12 V。主控制器可通过串口读取液晶屏触摸信号［5］，将液晶屏幕的触摸信号转换成LIN 总线指令，通过UART/SCI 模块发送到LIN 总线，对子单元进行控制，同时也可将雨刷的状态反馈到液晶屏幕上。

3.2 电源模块设计

电源模块为雨刷控制系统提供电源。汽车使用蓄电池提供的12 V 电源系统，而本系统中电源电压均为5 V，故需要对汽车上的电源系统进行电平转换。设计选用LM2576－5 芯片作为系统的电源转换稳压芯片，该芯片具有可靠的工作性能、较高的工作效率、优异的线性和负载调整能力，且可大幅减少散热片的体积，为控制电路稳定可靠工作提供保证。

3.3 雨量检测电路设计

智能雨刷系统中，控制器通过雨量检测装置检测降雨量的大小，自动控制雨刷器的摆动频率，使用过程中无需驾驶员人为操作，大幅提高行车的安全性。不同的档位对应不同的刮水频率和不同的LIN 协议信号报文头，间歇暂停时间和刮水频率由雨量传感器的数据决定。设计采用红外雨量检测装置，红外发射器将光束以一定的角度投射到汽车挡风玻璃，经由挡风玻璃反射回到红外接收器。当有雨滴落到挡风玻璃上时，部分光束会因折射、散射等现象而分散到外部，导致接收器收到的红外线总量少于其发出总量。由此得出挡风玻璃上的雨量变化情况，再发出刮水请求至主控制器，以此控制雨刮器完成不同速度的刮水动作，同时与主控单元进行总线通信，随时发送子系统的运行状态。

3.4 霍尔位置传感器

智能雨刷系统采用霍尔传感器对雨刷电机的转动情况实时进行监控，包括对电机位置和转速的检测，当检测到雨刷电机的位置后，单片机判断当前位置是否正确，若不正确，控制电机转动到正确位置［6］。同时检测雨刷电机的转速，单片机接收后与给定的速度值作比较，经过内部处理得出下一步运行步骤，控制电机运行在最精确的速度值。文中选用英飞凌公司的TLE4941，芯片内部集成有差分霍尔传感器与信号调理器电路，TLE4941 的电路原理如图2 所示。C5为消噪电容，通过电阻R 可将输出电流转换成电压信号，输出端连接至MM908E625 的霍尔效应传感器输入引脚。

图2 霍尔传感器电路图

3.5 电机驱动模块

电机驱动模块是系统的核心部分，其承担着雨刷电机的正转和反转，以及检测电流的变化，当雨刷遇堵转时则作出相应的处理。出于成本及稳定性等多方面因素的考虑，选用 Freescale 的汽车电子芯片MM908E625，用于开发汽车分布式控制单元，该芯片取代了传统的MCU、H 桥驱动器和LIN 物理层收发器的解决方案，有效降低了外围器件的数量，且减小了成本。

模块采用MM908E625 直接控制雨刷继电器的方法，继电器选用欧姆龙的G5CA－1A－E，并利用H 桥低端通道的电流反馈功能实时监控电机的工作状态。通过模拟多路复用器选择相应的H 桥低端通道，并采用MCU 上的ADC 监测该电流来判断电机是否堵转，当电流大于某一阈值时，故障信息会被单片机采集，并进行相应处理，并通过LIN 总线传输到主控单元的液晶屏显示。片内集成的LIN 物理层收发器通过MCU上的ESCI 模块实现LIN 协议的数据链路层驱动器，从而实现LIN 总线通讯的功能。子单元控制芯片引脚使用情况，如图3 所示。

图3 子单元控制芯片接线图

4 控制系统软件设计

电机检测模块对电机的运行状态进行检测，然后将不同的检测信息分别发送给消息解析模块和电机控制模块，通过这些检测信息，对电机进行有效的控制。检测信息经解析处理后，分别发送给LIN 通信和功能处理模块，LIN 模块将信息发送到LIN 总线上，实现系统和网关的通信。诊断模块将从功能处理模块上获得的故障信息进行诊断，也同样通过LIN 通信模块和网络进行通信。电机控制模块通过接收到的检测信息，来判断雨刷电机的转速，再将输出转速和检测转速进行对比，经优化算法得出更为优化的控制［7］。

由于MM908E625 内部并未集成EEPROM，因此雨刷电机的阈值电流等信息需通过LIN 总线发送到主控单元进行保存，系统上电启动时，再进行初始化。此外通过LIN 总线去读取主控单元的触摸输入信号，以控制雨刷电机的运转。在运行过程中，实时采集电枢的电流，判断是否大于阈值电流IM，若电流值大于阈值电流3 次，则将雨刷电机复位，停止刮水动作。此过程中，子控制器将当前雨刷的状态参数通过LIN 总线实时反馈给主控器并进行显示［8］。子系统软件流程如图4 所示。

图4 子系统程序流程图

5 实验测试

图5 所示为智能雨刷控制系统工作时，使用示波器采集到的LIN 总线上报文帧的信号波形。从图中显示的两个报文帧可看出，每个报文帧由帧头和响应组成，两个报文中间是中断场。图中信号的峰值电压为11.72 V，表明LIN 总线采用12 V 供电模式。电枢电流的正常值为6 A，人为使电机堵转时，电流上升至10 A，在经过一段时间后，雨刷电机复位，停止刮水动作。经反复测试，该系统可根据雨量大小对雨刮运转速度进行智能控制，实现预期的智能控制。