胡 娟，蘆 莎

（黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

1 引 言

隨著消費(fèi)者對汽車駕駛舒適度的要求越來越高，汽車內(nèi)部供駕駛員操作的開關(guān)按鍵以及相關(guān)的電子模塊越來越多，必然導(dǎo)致電子模塊之間的連接線束越來越多，也越來越復(fù)雜。大量的連接線束提高了車輛設(shè)計(jì)的成本，更嚴(yán)重的是過多線束應(yīng)用帶來了巨大的安全隱患。為了縮減汽車線束的使用，近些年乘用車開始大量出現(xiàn)總線類開關(guān)[1]。諸如采用LIN 總線的玻璃升降開關(guān)、采用CAN 總線的空調(diào)面板開關(guān)以及汽車儀表。CAN 總線的車輛模式開關(guān)正是在這些應(yīng)用的背景下提出將車輛模式的選擇使用CAN總線的方式實(shí)現(xiàn)，提高了車輛模式選擇的安全性，對車身開關(guān)集成化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

2 CAN總線的特點(diǎn)

相對于其它的通信方式，CAN總線通信具有突出的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可移植性。其主要的特點(diǎn)可概括為：

1.CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沒有主從關(guān)系，通過判斷優(yōu)先級，采用總線仲裁技術(shù)來發(fā)送信息，不存在主節(jié)點(diǎn)的調(diào)度以及輪詢，因此CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的響應(yīng)速率非常高[2]。

2.CAN 網(wǎng)絡(luò)采用差分傳輸技術(shù)，有效的規(guī)避了供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以及電源網(wǎng)絡(luò)帶來的信號干擾，有效地提高了通信數(shù)據(jù)的可靠性以及電磁抗干擾能力。

3.CAN網(wǎng)絡(luò)采用總線編碼的形式涵蓋節(jié)點(diǎn)實(shí)際的功能指令，理論上CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的框架不受硬件電路的限制[3]。

4.CAN 網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)均包含通信錯(cuò)誤檢測、錯(cuò)誤通知、錯(cuò)誤恢復(fù)，而且CAN 網(wǎng)絡(luò)長時(shí)間發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，可以將發(fā)生錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)暫時(shí)從總線上剝離[4]。

3 基于CAN總線的車輛模式開關(guān)

3.1 車輛模式開關(guān)

隨著國家對能源消耗的戰(zhàn)略部署要求和消費(fèi)者對車輛舒適度以及應(yīng)用場合的要求，車輛的運(yùn)行模式得到了長足的發(fā)展?，F(xiàn)階段針對車輛模式主要3 種：1.傳統(tǒng)動(dòng)力的燃油車；2.燃油和電動(dòng)同時(shí)存在的混動(dòng)動(dòng)力車（HEV 模式）；3.純電動(dòng)車（EV 模式）[5]。另外針對消費(fèi)者對車輛舒適度以及應(yīng)用場合的要求，車輛的駕駛模式又分為：1.Sport 模式（運(yùn)動(dòng)模式可更改發(fā)動(dòng)機(jī)以及變速箱的運(yùn)行模式，提供車輛更加強(qiáng)勁的動(dòng)力）；2.Snow 模式（雪地模式可更改制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行模式，更好地實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)和防滑）；3.ECO 模式（經(jīng)濟(jì)模式可更改發(fā)動(dòng)機(jī)以及給油系統(tǒng)的運(yùn)行模式，在擁堵的城市交通中可以達(dá)到省油的目的）[6]。

上述的車輛模式或者駕駛模式，并不是在汽車上同時(shí)存在的，具體車輛設(shè)計(jì)怎樣的操作模式需要車輛制造商經(jīng)過調(diào)研和權(quán)衡后進(jìn)行選擇。本文的設(shè)計(jì)提供一種模式選擇開關(guān)，其包含2種車輛模式：EV 模式和 HEV 模式，3 種駕駛模式：Sport 模式、Snow 模式以及ECO 模式。車輛駕駛員可通過操作該開關(guān)，實(shí)現(xiàn)車輛模式以及駕駛模式的切換請求，開關(guān)的所有輸出信號均采用CAN 總線通信的方式同車輛其它的控制器進(jìn)行信息交互，如發(fā)送機(jī)控制單元、ECU模塊、車輛動(dòng)力系統(tǒng)ePT模塊等。

3.2 車輛模式選擇開關(guān)的電路框圖

如圖1 所示，車輛模式選擇開關(guān)包含電源轉(zhuǎn)換模塊將車輛提供的12V 電源轉(zhuǎn)換為5V 電源提供系統(tǒng)微控制器工作；模式選擇按鍵采樣部分，當(dāng)駕駛員操作按鍵時(shí)將按鍵信號通過微控制器轉(zhuǎn)換為串口信號并輸出給CAN收發(fā)器；CAN收發(fā)器將微控制器輸出的串口信號轉(zhuǎn)換為符合CAN2.0 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的CAN報(bào)文信號，提供車身其它控制器用于車輛模式選擇的識別。

圖1 車輛模式選擇開關(guān)架構(gòu)圖

3.3 車輛模式選擇開關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

3.3.1 帶自鎖功能的電源轉(zhuǎn)換模塊

乘用車供電電壓為12V 電源系統(tǒng)，車輛控制器或者模塊為了滿足內(nèi)部MCU 工作均為5V 電源系統(tǒng)。因此車輛模式選擇開關(guān)需要設(shè)計(jì)一個(gè)12V 轉(zhuǎn)5V 的電源轉(zhuǎn)換模塊。由于車輛模式選擇開關(guān)的供電電源連接到車輛蓄電池上，為了降低車輛模式選擇開關(guān)的靜態(tài)功耗，保證長期使用以后蓄電池不出現(xiàn)饋電的情況，本文設(shè)計(jì)一種帶有自鎖功能的電源轉(zhuǎn)換電路，以達(dá)到靜態(tài)功耗為零的目的。設(shè)計(jì)電路如圖2。

圖2 帶自鎖功能的電源轉(zhuǎn)換模塊

電路中電容C2、C4以及TVS管DZ1為電源端口濾波以及抑制浪涌的元器件；二極管D1起到了防反接的作用；電容C1、EC1以及EC2、C3均為濾波電容和儲(chǔ)能電容，U1 為12V 電壓轉(zhuǎn)換為5V 電壓的單端穩(wěn)壓芯片。該電路的最大特點(diǎn)在于由三極管搭建的自鎖機(jī)構(gòu)，其能夠保證車輛模式選擇開關(guān)的靜態(tài)功耗為零，具體的工作原理如下：

1.當(dāng)車輛點(diǎn)火時(shí)，由R1、R3 分壓后形成的電壓通過二極管D2驅(qū)動(dòng)三極管Q2，從而打開三極管Q1保證整個(gè)電源轉(zhuǎn)換電路在點(diǎn)火瞬間即可開始工作；

2.當(dāng)車輛點(diǎn)火以后，由R1、R3 分壓后形成的電壓通過電阻R2 提供給內(nèi)部MCU 的檢測端口，車輛模式選擇開關(guān)內(nèi)部MCU 判定此時(shí)車輛點(diǎn)火并在電阻R4的右側(cè)提供5V的電源驅(qū)動(dòng)，保證三極管Q2打開。當(dāng)這個(gè)過程建立完畢，即使取消車輛點(diǎn)火電源的供給，整個(gè)電路仍然能夠有效地工作；

3.當(dāng)車輛熄火即點(diǎn)火電源消失，此時(shí)MCU的點(diǎn)火電源檢測端口識別到車輛熄火，車輛模式選擇開關(guān)內(nèi)部MCU 在“MCU 端口驅(qū)動(dòng)”的引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間達(dá)到了預(yù)設(shè)值即關(guān)閉驅(qū)動(dòng)，整個(gè)電源轉(zhuǎn)換電路停止工作，車輛模式選擇開關(guān)的靜態(tài)功耗為零；

圖3 CAN通信接口電路圖

4.“MCU端口驅(qū)動(dòng)”在點(diǎn)火電源消失以后設(shè)置計(jì)數(shù)的目的是為了進(jìn)行CAN通信數(shù)據(jù)的保存，MCU軟件設(shè)計(jì)的記憶儲(chǔ)取。

3.3.2 CAN通信接口電路

TJA1040 是荷蘭飛利浦公司制造的一款高速CAN收發(fā)器，是乘用車CAN網(wǎng)絡(luò)同車身模塊微控制器之間的主要連接器件。它能夠提供高速的CAN通訊應(yīng)用環(huán)境，在待機(jī)模式下具有非常低的靜態(tài)功耗，而且能夠?qū)Ω鞣N錯(cuò)誤幀進(jìn)行檢測并回到正常的工作模式。

1.TJA1040 有兩種工作模式可以通過引腳STB選擇對這些操作模式有詳細(xì)的描述，如表1。

表1 工作模式

正常模式：在該模式下CAN總線可正常通信。

待機(jī)模式：在這種模式下收發(fā)器處于低功耗狀態(tài)，靜態(tài)電流可以達(dá)到微安的級別。同時(shí)還具有總線喚醒檢測的功能[7]。

2.喚醒

在待機(jī)模式中CAN收發(fā)器的SPTL引腳實(shí)現(xiàn)了對總線信號的監(jiān)控，一旦檢測到總線處于活動(dòng)狀態(tài)，收發(fā)器將進(jìn)入正常模式[8]。

3.4 車輛模式選擇開關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

車輛模式選擇開關(guān)整個(gè)的軟件框架進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能函數(shù)的子模塊進(jìn)行封裝。主要包括：CPMU_Initallzation、GPIO_Initallzation、Time_In itallzation、 ADC_Initallzation、 SCI_Initallzation、WDT_Initallzation。

關(guān)于功能應(yīng)用如圖4 所示，一共封裝了5 個(gè)功能模塊：按鍵掃描模塊、CAN信號發(fā)送模塊、電源管理模塊、CAN信號接收模塊、休眠喚醒模塊。

圖4 車輛模式選擇開關(guān)軟件框架以及函數(shù)功能圖

如圖5，車輛模式選擇開關(guān)采用分塊的架構(gòu)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。完成整個(gè)硬件的初始化以后，首先對車輛的電源模式進(jìn)行判定讀取車輛當(dāng)前狀態(tài)。在明確車輛點(diǎn)火以后進(jìn)行按鍵掃描，判斷駕駛員當(dāng)前需要請求切換的駕駛模式或者車輛模式。獲得駕駛員的請求以后，將按鍵信號轉(zhuǎn)換為CAN總線信號發(fā)布到車身網(wǎng)絡(luò)，同其它車身控制器進(jìn)行信息交互并請求其它車身控制器執(zhí)行相應(yīng)的功能狀態(tài)。整個(gè)軟件運(yùn)行還包括休眠和喚醒的部分，當(dāng)車輛熄火或者駕駛員長期沒有操作任何按鍵，車輛模式選擇開關(guān)將進(jìn)入休眠模式，降低工作電流、減小電能的消耗。

圖5 車輛模式選擇開關(guān)軟件流程圖

4 結(jié)束語

采用本文提供的設(shè)計(jì)方法，將車輛模式選擇開關(guān)的多個(gè)按鍵集成CAN信號的形式進(jìn)行輸出，與車身其它模塊進(jìn)行信息交互，有效地提高了模式選擇類型開關(guān)的安全等級以及功能的拓展性。

圖6 Vehicle SPY總線通信設(shè)備測試界面

如圖6所示，通過Vehicle SPY軟件模擬車輛其它CAN節(jié)點(diǎn)信號，設(shè)計(jì)的車輛模式選擇開關(guān)能夠安全有效地進(jìn)行車輛和駕駛模式的請求，同時(shí)也能夠及時(shí)地響應(yīng)車輛其它控制節(jié)點(diǎn)的命令。相對于車輛模式開關(guān)的CAN總線設(shè)計(jì)還涉及到診斷服務(wù)，例如節(jié)點(diǎn)丟失、總線關(guān)閉、電源電壓過高、電源電壓過低等需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探討。