楊琴　黃正午　覃川　楊漢飛　羅逍

摘 要：針對現(xiàn)有車載電子鐘的人機交互體驗問題，提出一種基于LIN總線的電子鐘控制系統(tǒng)，設(shè)計了一種嵌入屏式電子鐘封裝，實現(xiàn)了電子鐘的自動校時與背光顯示的功能。新型控制系統(tǒng)的設(shè)計，省去了調(diào)節(jié)鍵的設(shè)計，從而解決了人機交互體驗問題。

關(guān)鍵詞：電子鐘 LIN總線 多媒體主機

隨著4G/5G網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，基于車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景也越來越豐富，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也越來越復(fù)雜。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的急據(jù)增加，導(dǎo)致汽車電子控制單元安裝空間緊缺與線束布置復(fù)雜化。合理地分配網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與布局電子控制單元，可以簡化線束布置，降低整車重量，提升零件的平臺化利用率，為整車研發(fā)節(jié)約成本。

LIN總線（Local Interconnect Network局部互聯(lián)網(wǎng)）是基于UART/SCI（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter/Serial Communication Interface 通用異步收發(fā)器/串行通信接口）定義的一種低成本串行通信網(wǎng)絡(luò)[1]。網(wǎng)絡(luò)主要由一個主機節(jié)點和多個從機節(jié)點構(gòu)成，總線為一根單線電纜，從機無需高精度的時鐘源可以完成自同步。LIN總線在汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中負責(zé)局部通訊，是對CAN網(wǎng)絡(luò)通訊的一種補充，適用于對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、性能或容錯功能沒有過高要求的舒適性系統(tǒng)[2]，如雨刮系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)[3]、四門升降系統(tǒng)、天窗系統(tǒng)與電動后視鏡系統(tǒng)[4]等等。LIN總線由于單線性、低成本、定向傳輸與低延遲等卓越性能，已經(jīng)成為汽車分布式電子控制系統(tǒng)上應(yīng)用最為廣泛的一種通訊網(wǎng)絡(luò)。

電子鐘作為汽車內(nèi)飾中重要的裝飾部件，廣泛應(yīng)用于中高端汽車。傳統(tǒng)車型電子鐘一般采用按鍵控制策略來實現(xiàn)校準，采用開關(guān)來控制夜間的背光顯示。按鍵控制策略對電子鐘晶源精度要求較高，如使用低精度的晶源，使用時間長了，會出現(xiàn)走時不準，斷電后要重新手動調(diào)整時間，人機交互體驗難以滿足用戶需求，且按鍵需匹配造型設(shè)計，難以實現(xiàn)平臺化，本文提出一種基于LIN總線的車載電子鐘控制系統(tǒng)，將位于車身控制器上的GPS時間信號、電源信號與小燈信號通過LIN總線傳輸給電子鐘微處理器，實現(xiàn)電子鐘的自動校準與背光顯示功能，省去了調(diào)節(jié)按鍵，且不需要高精度的時鐘源，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作方便和時間顯示精度高的特點。

1 電子鐘總體架構(gòu)

電子鐘利用指針顯示為用戶提供小時與分鐘顯示功能。在常溫下，電子鐘精度的設(shè)計目標是需求每天的誤差小于1秒。電子鐘主要是通過獲取網(wǎng)絡(luò)上的全球定位衛(wèi)星發(fā)射的時間信號（時、分、秒），與電子鐘的機芯時間對比，如果時間誤差超過1秒，先通過電源信號對電子鐘進行自動歸零，再重新對電子鐘機芯時間進行自動調(diào)整，從而達到調(diào)節(jié)時間的目的。汽車電子控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)比較復(fù)雜，可能會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號不好、斷網(wǎng)與斷電等不可預(yù)測的情況，導(dǎo)致電子鐘時間顯示不準，可以通過重新給汽車上電啟動來重置電子鐘與調(diào)整時間，無需手動操作電子鐘，就能達到調(diào)節(jié)時間的目的，給用戶帶來舒適的體驗。

車載電子鐘總體設(shè)計主要由多媒體主機、車身控制器、微處理器、背光驅(qū)動模塊、背光顯示模塊，與微處理器相連的步進電機、接口轉(zhuǎn)換模塊與電源模塊八部分組成?？傮w設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖1所示，多媒體主機通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)獲取GPS時間信號，經(jīng)CAN指令交互，將GPS時間信號送到車身控制器，經(jīng)LIN指令交互，將GPS時間信號送到電子鐘微處理器，微處理器控制步進電機，實現(xiàn)電子鐘校時。車身控制器將小燈信號傳輸至電子鐘微處理器，經(jīng)背光驅(qū)動模塊顯示背光。

2 電子鐘結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計了一種嵌入屏式的電子鐘，外觀封裝圖見圖2，電子鐘嵌入式布置在中控大連屏上，以大連屏為電子鐘鏡面，電子鐘固定在大連屏本體上，通過3顆螺釘緊固。電子鐘底座采用定位結(jié)構(gòu)、防錯結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，使電子鐘底座與大連屏本體緊密貼合，大連屏內(nèi)部嵌入軟膠圈，電子鐘前蓋與膠圈過盈配合，軟接觸確保零件的安裝精度，不僅可以防止水汽進入電子鐘，而且可以防止鏡面漏背光。

3 電子鐘硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

車載電子鐘控制系統(tǒng)主要由主芯片模塊、電源模塊與LIN控制模塊三部分組成。具體電氣原理圖見圖3。車身控制器通過LIN總線輸出電源信號、小燈信號與GPS時間信號，經(jīng)LIN IC模塊將串口信號傳輸給電子鐘MCU存儲。MCU讀取相應(yīng)的指令，控制時鐘的機芯，驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，從而帶動時鐘指針。

電子鐘的機芯采用步進電機來確保走時精準。步進電機內(nèi)部具有一個電磁回路、一個帶60倍降速功能的齒輪與一個帶12倍降速功能的串級齒輪。電磁回路由兩個線圈、一個定子和一個具有雙極永久磁鐵的轉(zhuǎn)子組成。當給線圈輸入一定的波形信號，就可以驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。60倍降速功能的齒輪負責(zé)驅(qū)動分針，帶12倍降速功能的串級齒輪負責(zé)驅(qū)動時針。MCU每60秒發(fā)送一串脈沖序列，驅(qū)動機芯分針軸轉(zhuǎn)動6°，分針軸每轉(zhuǎn)動360°，時針軸轉(zhuǎn)動6°。

MCU根據(jù)電源信號狀態(tài)控制電子鐘的自動歸零;根據(jù)小燈信號狀態(tài)控制背光顯示;MCU定時讀取GPS時間信號，控制步進電機驅(qū)動轉(zhuǎn)抽，進一步驅(qū)動指針，達到顯示時間的目的。電子鐘工作模式由休眠模式與微步驅(qū)動模式兩部分組成。在無網(wǎng)絡(luò)信號或車身控制器無信號的條件下，啟動休眠工作機制，不接收GPS時間信號，時鐘自己走時，分針一分鐘跳動6°，每轉(zhuǎn)動一圈，時針走1小時，確保電子鐘的正常運行;在有網(wǎng)絡(luò)的條件下，啟動微步驅(qū)動工作機制，實時同步LIN總線上的時間信號，保持與總線上的時間信號一致。兩種工作機制互補，確保電子鐘工作機制穩(wěn)定可靠。

3.1.1 主芯片模塊

從電子鐘內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、綜合性能與批量生產(chǎn)成本考慮，主芯片模塊采用PIC16（L）F15345-E/SS作為車載電子鐘的核心微處理器，該芯片是NXP公司研發(fā)的一款8位的20引腳的微處理器，具有模擬、核心獨立外設(shè)和通信外設(shè)接口，結(jié)合超低功耗技術(shù)，廣泛適用于汽車通用設(shè)備和低功耗應(yīng)用場景。

3.1.2 電源模塊

電源模塊為電子鐘提供直流電源，一般為直流穩(wěn)壓芯片。本設(shè)計的輸入為蓄電池輸出的+12V電壓，基于蓄電池供電的電子控制系統(tǒng)種類很多，如：燈光系統(tǒng)、雨刮系統(tǒng)、音響系統(tǒng)等等，一般很難保證穩(wěn)定的輸出，所以系統(tǒng)有必要設(shè)計穩(wěn)壓電源芯片，輸出穩(wěn)定的電壓給主控單元。

電源模塊采用MICROCHIP的MCP1804-5002I/MB穩(wěn)壓電源芯片，輸出5V直流為電子鐘主芯片模塊與LIN控制模塊供電，供電電路如圖4所示。電源模塊設(shè)有輸入反接保護與抗干擾。二級管具有單向?qū)щ娦?，即在通過正向電壓時可以導(dǎo)電，通過反向電壓時不導(dǎo)電。在穩(wěn)壓電源芯片PIN腳上布置二級管，做輸入反接保護，可以防止電源穩(wěn)壓芯片被反向電流擊穿。去耦電容是布置在元器件電源端的電容，在電路中的主要作用是提供穩(wěn)定的電源，同時降低元器件耦合到電源端的噪聲。在穩(wěn)壓電壓芯片電源端布置去耦電容，可以有效切斷外部電路的高低頻干擾。

3.1.3 LIN控制模塊

LIN控制模塊是連接車身控制器與電子鐘MCU之間的接口，是電子鐘硬件電路設(shè)計中的關(guān)鍵模塊。車身控制器將電源狀態(tài)信號、時間信號與小燈信號通過相應(yīng)的時序經(jīng)LIN總線傳輸給LIN控制模塊，經(jīng)LIN控制模塊再傳輸給主芯片模塊存儲器， 主芯片模塊讀取相應(yīng)的指令，驅(qū)動步進電機，實現(xiàn)電子鐘的自動歸零、自動校時、實時同步和背光顯示功能。

本設(shè)計中采用TJA1027T作為LIN控制模塊的通訊芯片，TJA1027T是NXP公司研發(fā)的一低功耗的收發(fā)器，主要用于波特率高達20kbd的車載子網(wǎng)，兼容LIN 2.0、LIN 2.1、LIN 2.2、LIN 2.2 a、SAE J2602，具有極低的電磁輻射。在遠程LIN喚醒的休眠模式下，電流消耗非常低，可以很好的配合主芯片模塊對電子鐘控制系統(tǒng)進行硬件設(shè)計。在睡眠模式與遠程LIN喚醒支持3.3 V和5V，本設(shè)計采用5V，具體的LIN IC電路設(shè)計如圖5所示。

3.2 電子鐘接口設(shè)計

3.2.1 接口設(shè)計

傳統(tǒng)的電子鐘通過按鍵控制的策略，其采樣頻率占用MCU資源，對時鐘MCU的工作效率有較大的影響，存在時鐘精度問題。接口有5路信號，由電源、地、小燈信號、頻率信號1與頻率信號2組成。本文設(shè)計的電子鐘采用LIN規(guī)范，通過3根線（電源、地、LIN）實現(xiàn)標準化的數(shù)字接口，小燈信號與時間信號通過LIN單線通信，接口設(shè)計簡單靈活。LIN通信的電子鐘不僅省去了調(diào)節(jié)鍵的設(shè)計，還大大簡化了線束的復(fù)雜性。電子鐘接口設(shè)計具體見圖6，針腳定義與線徑需求見表1。

4 電子鐘通訊協(xié)議

LIN總線作為CAN總線的輔助網(wǎng)絡(luò)，具有單線性、低成本與低延時等特點。電子鐘采用標準的LIN發(fā)送，BCM作為主節(jié)點，電子鐘為從節(jié)點，通信波特率為19200Bit/s，通訊矩陣狀態(tài)信息見圖7。

5 實車驗證

將封裝好的電子鐘接入整車進行實車測試，實車功能測試見圖8，車啟動時，電子鐘根據(jù)接收的電源信號，先自動歸零，然后再根據(jù)LIN上的時鐘數(shù)據(jù)進行校準。由實車測試可知，電子鐘指針顯示與多媒體主機顯示時間一致，且背光驅(qū)動顯示正常，設(shè)計的電子鐘功能滿足設(shè)計需求。

6 結(jié)論

車聯(lián)網(wǎng)已成為目前汽車上發(fā)展的主流趨勢，LIN總線技術(shù)作為CAN總線的補充，是汽車分布式控制系統(tǒng)設(shè)計中不可或缺的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?；贚IN總線技術(shù)的應(yīng)用場景日益豐富，大大推進了汽車的智能化與網(wǎng)聯(lián)化。本文設(shè)計了一種基于LIN總線的車載電子鐘控制系統(tǒng)，無需高精度的時鐘源，EMI低且工作穩(wěn)定可控。采用LIN單線通訊，無需操作按鍵，車啟動自動校準，匠心設(shè)計成就了產(chǎn)品的靈活性，體現(xiàn)出汽車電子產(chǎn)品的智能化，給用戶帶來舒適的體驗。

參考文獻：

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