分布式車身控制系統(tǒng)設(shè)計
2008/3/3 15:04:00
1 引言 隨著汽車電子的迅猛發(fā)展,現(xiàn)代汽車中電控單元的數(shù)量也逐漸增多,這些電控單元大致可分成動力傳動裝置控制(如發(fā)動機控制和變速控制)、底盤控制(如汽車防抱死系統(tǒng)ABS)和車身控制三類。其中車身控制系統(tǒng)主要用來提高駕駛的方便性和乘坐的舒適性,該系統(tǒng)涵蓋的范圍較廣,包括燈光控制、車門控制、座位控制、氣候(空調(diào))控制、儀表盤顯示等。本文將介紹一種分布式車身控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,該系統(tǒng)可對汽車燈光、雨刷及底盤部分電磁閥等節(jié)點進行分布式控制。 該控制系統(tǒng)的主要功能如下: ●控制汽車上所有車燈。 ●控制雨刷低速、高速、間歇式工作。 ●控制與取力器、全輪驅(qū)動、輪間和軸間差速器相連的電磁閥工作。 ●實時響應(yīng)駕駛室控制開關(guān)的動作:按照SAE(Society of Automotive Engineers)的標準,實時性響應(yīng)時間在10ms~100ms之間。 ●燈光自檢功能:汽車上電后所有的燈點亮5ms后熄滅,以檢查所有燈是否工作正常。 ●故障診斷定位能力:智能功率開關(guān)具有過流、過溫、過壓保護和開路檢測功能,MCU通過檢測智能功率開關(guān)各通路的State引腳狀態(tài)可判斷出哪路負載出現(xiàn)故障。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)。因為車身控制系統(tǒng)的控制對象比較多而且位置分散,若采用點對點集中控制方式,控制模塊與被控對象之間就需要大量連接電纜,這勢必造成車內(nèi)布線復(fù)雜、制造和安裝困難,并存在故障隱患。而分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)控制對象的位置來設(shè)計控制模塊,從而縮短了控制對象和控制模塊的距離。各模塊間通過LIN總線來通訊,該方式僅需一根線作為通訊線,這樣加上地線和電源線總共三根線,從而簡化了布線和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的靈活性,并可方便地增減節(jié)點。此外,分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還可降低單板的靜態(tài)電流,增加單板的穩(wěn)定性。圖1所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 根據(jù)系統(tǒng)功能要求和結(jié)構(gòu)特點,該控制系統(tǒng)被分成主控模塊和三個子模塊(前模塊、底盤模塊和后模塊)。其中主控模塊位于車的駕駛室內(nèi),主要檢測駕駛室內(nèi)控制開關(guān)的狀態(tài),并根據(jù)這些控制開關(guān)的狀態(tài)實現(xiàn)相應(yīng)的控制策略,然后將控制命令發(fā)送給各子模塊,同時檢查各用電設(shè)備的工作狀態(tài),若有故障則報警顯示。前模塊位于車的前部,主要控制車前部的用電設(shè)備,包括車前部的燈(遠光燈、近光燈、霧燈、左右前轉(zhuǎn)向燈)、雨刷、風(fēng)扇、加熱、緊急報警、喇叭的工作等。底盤模塊位于車的底盤,主要控制與取力器、全輪驅(qū)動、輪間和軸間差速器相連的電磁閥的工作。后模塊位于車的后部,主要控制車后部的用電設(shè)備,包括尾燈、剎車燈、左右后轉(zhuǎn)向燈的工作。 主控模塊和子模塊的功能如圖2所示。其中電壓調(diào)整單元可將汽車內(nèi)的24V電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓,供給單片機、功率芯片等電壓為5V的芯片。 主模塊中的微處理器控制單元(MCU)采用Mo-torola的MC68HC908GZ16來實現(xiàn),主要用于采集輸入的開關(guān)狀態(tài),以完成相應(yīng)的控制策略,同時將控制命令通過串口送給各子模塊,并根據(jù)各子模塊反饋的負載狀態(tài)判斷是否存在故障,若有故障則報警顯示。圖3所示是主模塊的硬件原理圖。 各子模塊中的微處理器控制單元采用MC68HC908GR8,主要用于完成負載驅(qū)動,并采集負載的工作狀態(tài)發(fā)送給主控模塊。其硬件原理圖如圖4所示。 開關(guān)狀態(tài)檢測單元的任務(wù)是在24V的開關(guān)狀態(tài)電壓轉(zhuǎn)換成5V后,將此并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送給MCU,這樣可大大減少所需MCU的引腳數(shù)量。 功率驅(qū)動單元由功率芯片和串/并轉(zhuǎn)換芯片組成,功率芯片代替了傳統(tǒng)的繼電器后,許多汽車負載不能被MCU或低電流接口器件直接驅(qū)動,但功率芯片可通過MCU控制輸出大電流來驅(qū)動各種負載。各子模塊可根據(jù)所帶負載來選擇不同的功率芯片本設(shè)計選用MC33286和MC33888來驅(qū)動阻性負載,選用MC33289來驅(qū)動感性負載。MCU通過I/O端口串行輸出控制命令后,將通過串/并芯片送給功率開關(guān)。 故障顯示單元用三個發(fā)光二極管表示三個子模塊,若其中某個子模塊出現(xiàn)故障,相應(yīng)的發(fā)光二極管會點亮,同時蜂鳴器會報警。此時該子模塊上用發(fā)光二極管來表示子模塊所驅(qū)動的負載狀態(tài)顯示也會作出響應(yīng),從而可以非常直觀地看出子模塊上哪路負載出現(xiàn)開路、過流、過溫、過壓等故障。 3 系統(tǒng)通訊本系統(tǒng)采用LIN總線通訊方式。 LIN總線是基于通用SCI/UART接口的,其成本要低于CAN通訊。LIN可以作為CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的輔助。LIN總線主要應(yīng)用于不需要CAN的性能、帶寬及復(fù)雜性的低速系統(tǒng),如開關(guān)類負載或位置型系統(tǒng)(包括車的后視鏡、車鎖、車座椅、車窗等)的控制。因此,LIN更有助于實現(xiàn)汽車與CAN網(wǎng)絡(luò)連接的分布式控制系統(tǒng)。 LIN總線的特點如下: ●采用低成本的單線12V數(shù)據(jù)傳輸,線驅(qū)動和接收特性符合改進的ISO 9141單線標準; ●傳輸速率可達20kbit/s ; ●采用單主/多從的結(jié)構(gòu),不需要總線仲裁,由主節(jié)點來控制總線的訪問; ●基于通用UART/SCI的硬件接口,幾乎所有的微控制器都有LIN 必需的硬件; ●從節(jié)點不需要晶振或陶瓷振蕩器就可實現(xiàn)自同步,從而減少了從節(jié)點的硬件成本; ●最差狀況下的信號傳送等待時間可得到充分保證,因此可避免總線訪問沖突。 本系統(tǒng)的通訊順序由主控模塊控制,LIN的數(shù)據(jù)幀是按數(shù)據(jù)內(nèi)容,而不是數(shù)據(jù)的目的地址定義的。這樣定義可使多個節(jié)點收到同樣的信息,并且數(shù)據(jù)能夠以多種方式交換。數(shù)據(jù)可以從主節(jié)點發(fā)送到一個或多個從節(jié)點,也可以通過從節(jié)點發(fā)送給主節(jié)點或其它從節(jié)點。因此從節(jié)點之間的通訊并不需要經(jīng)過主節(jié)點,并且主節(jié)點可以將信息廣播給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通訊主要是主模塊向三個子模塊發(fā)送控制命令和三個子模塊向主模塊反饋故障狀態(tài)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)定義了四種數(shù)據(jù)類型,一種是三個模塊各自接收的數(shù)據(jù),第二種是前模塊和后模塊同時接收的數(shù)據(jù),第三種是三個模塊同時接收的數(shù)據(jù),第四種是三個模塊各自獨立發(fā)送的數(shù)據(jù)。其通訊過程可參見圖5所示的系統(tǒng)軟件流程。 4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計 由于汽車上的電磁干擾比較厲害因此對系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高,本系統(tǒng)在硬件和軟件上均進行了抗干擾設(shè)計。在硬件上,通訊線路采用了光電隔離電路電源也采用DC-DC隔離。在電源和地之間設(shè)計了一個去耦電容,可用來過濾掉來自電源的高頻噪聲。在印刷線路板的布局上,將數(shù)字電路和功率驅(qū)動電路合理分開,這可使相互間的信號耦合減少到最小。在軟件上采用了看門狗技術(shù),從而增加了系統(tǒng)的可靠性。 5 結(jié)論 本設(shè)計方案可實現(xiàn)分布式車身控制系統(tǒng)的基本功能,且結(jié)構(gòu)簡單、成本低。此外,該設(shè)計思想同樣也適用于轎車和中型車輛控制。
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