（通信与信息系统专业论文）基于canlin总线的车灯控制系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着汽车电子技术的发展，汽车控制系统中大量的控制信号需要实时交换 处理，这使得车内各电子单元间的数据通信变得越来越复杂。c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线是一种串行局域网总线，它能有效地支持分布式实时控制， l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) 总线主要应用于低速及复杂性低的系统，以 c a n 、l i n 为基础的总线式车身控制将成为汽车网络发展的必然趋势。 车灯作为汽车的一个必要部件，随着市场要求越来越多样化，对车灯总体 的设计和控制要求也越来越高，例如车灯的造型、功耗、智能控制等，其中前 照灯的智能化控制和l e d 车灯的选用最受人们的关注。 本课题采用微控制器和c a n 、l i n 收发器搭建c a n l i n 总线平台，以实现 车灯的智能控制。平台包括六个节点：一个c a n 车灯总控制节点，一个c a n l i n 网关节点和四个l i n 车灯子控制节点，所有的车灯的控制信号都来自c a n 车灯 总控制节点，c a n l i n 网关在c a n 网络里作为一个c a n 节点，在l i n 网络里 作为l i n 主节点，实现c a n 、l i n 网络之间的通信，l i n 车灯子控制节点实现 对车灯的控制和工作状态的检测。在车灯驱动方面，采用升降压的方式驱动大 功率l e d 作车灯。 针对智能控制需求，本系统在传统的车灯全手动工作模式的基础上增加了 手自动工作模式，该模式实现了在照度低时前照灯自动打开、照度高时前照灯 自动关闭，会车、提速、制动时远近光灯自动变换的功能，同时，手动控制在 该模式下依然有效。 本课题提出的基于c a n l i n 总线的车灯控制系统的设计具有很强的可拓展 性，同时也适用于其他的车身控制模块，例如车门、车窗、车内音响系统的控 制。该设计不仅极大的改善了车内环境的舒适度，同时也提升了车身控制的智 能化，符合目前汽车电子安全、节能、环保、智能化和信息化的发展趋势，因 而研究成果在汽车电子领域有着广阔的应用前景。 关键词：汽车电子；车灯控制系统；c a n l i n 网关；节点 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi na u t o m o b i l ei n d u s t r y , n u m e r o u sc o n t r o ls i g n a l si nt h ec a rc o n t r o ls y s t e mn e e dr e a l - t i m ee x c h a n g ep r o c e s s ， l e a d i n gt ot h eg r o w i n gc o m p l e x i t yi nc o m m u n i c a t i o na m o n gd i f f e r e n te l e c t r o n i cu n i t s c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) i sas e r i a ll a n b u s ，w h i c he f f i c i e n t l ys u p p o r t st h e d i s t r i b u t e dr e a l t i m ec o n t r o l ；l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) i sm a i n l ya p p l i e di na l e s sc o m p l e xs y s t e mr u n n i n ga tal o w e rs p e e d t h eu s eo ff i e l db u s s t y l ea u t o m o b i l e c o n t r o lb a s e do nc a n 。l i ni sa l li n e v i t a b l et r e n di nt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v e n e t w o r k l a m p sa r en e c e s s a r yp a r t sf o ra u t o m o b i l ea n dw i t ht h em a r k e tr e q u i r e m e n t s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ev a r i e d ，t h eo v e r a l ld e s i g no fl a m p sa n d t h er e q u i r e m e n t so f c o n t r o lh a v eb e c o m em o r ed e m a n d i n g ，f o re x a m p l e ，m o d e l i n g ，p o w e rc o n s u m p t i o n ， i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，e t c t w om o s ta t t e n t i v e i s s u e sa r et h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo f h e a d l a m pa n dt h el e du s i n g t h i si s s u eb u i l d sc a n l i nb u sp l a t f o r m sb yu s i n gm i c r o - c o n t r o l l e r sa n dc a n ， l i nt r a n s c e i v e r , i no r d e rt oa c h i e v et h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo fl a m p s m sp l a t f o r m i n c l u d e ss i xn o d e s ：ac a nm a j o rn o d e ，ac a n | l i ng a t e w a yn o d ea n df o u rl i n s l a v en o d e s ，a l lo ft h ec o n t r o ls i g n a l sf o rl a m p sc o m ef r o mt h ec a nm a j o rn o d e ，t l l e c a n l 1 ng a t e w a yi su s e da sac a nn o d ei nt h ec a nn e t w o r ka sw e l la sal i n m a s t e rn o d ei nt h el i nn e t w o r k 。w h i c hr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc a n a n dl i n t h el i ns l a v en o d e si si nc h a r g eo ft h ec o n t r o la n dd e t e c t i o nf o rl a m p s a s f o rt h ed r i v i n gc i r c u i t ，h i g hp o w e rl e di sd r i v e nb yb u c k b o o s tm o d ea sl a m p s f o rt h er e q u i r e m e n t so fi n t e l l i g e n tc o n t r o l ，m a n u a l - a u t o m a t i cm o d ei sa d d e di n t h i ss y s t e mb e s i d e st h et r a d i t i o n a lm a n u a lm o d e ，i tc a no p e nt h eh e a d l a m p si n l o w - i n t e n s i t ya n dc l o s eh e a d l a m p si nh i g h - i n t e n s i t ya u t o m a t i c a l l y , b e s i d e s ，i tc a n s w i t c hh i g hb e a ma n dl o wb e a mw h e nc r o s s i n g ，s p e e d e d u p a n db r a k i n g a u t o m a t i c a l l y a tt h es a n l et i m e ，t h em a n u a lc o n t r o li ss t i l le r i e c t i v ei nt h a tm o d e n l ei d e ao fl a m p sc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a n l i nb u sh a ss t r o n gs c a l a b i l i t y ； i ta l s oc a l lb ea p p l i e dt oo t h e rb o d yc o n t r o lm o d u l e ，s u c ha sd o o r s ，w i n d o w s ，a u d i o ， e t c t h i sd e s i g nn o to n l yg r e a t l yi m p r o v e dt h ec o m f o r to ft h ec a l e n v i r o n m e n t ，b u t a l s oe i 岫c e l ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h ec a rb o a y , i n l i n ew i t ht h ed e v e l o p m e n tt r e n d o fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c ，s a f e t y , e n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，i n t e l l i g e n c e a n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r e f o r e ，t h er e s u l to ft h i sr e s e a r c hw i l le n j o ya p r o m i s i n gm a r k e ti nt h ea u t o m o t i v ee l e c t r o n i cf i e l d k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c ；l a m p sc o n t r o ls y s t e m ；c a n l i ng a t e w a y ；n o d e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：址日期：婴：堇：皇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：兰业7 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着数字技术的进步，汽车将步入多媒体时代，汽车电子化被认为是汽车 技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车技术水 平高低的重要标志。据统计，目前电子产品占到了整车成本的5 0 以上，电子 技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统【1 1 。 1 1 汽车电子的发展趋势 目前，汽车电子技术己发展到第四代，即包括电子技术、优化控制技术、 传感器技术、网络技术、机电一体化耦合交叉技术等综合技术系统，并且早已 从科研阶段进入了商品生产的成熟阶段。汽车电子技术的硬件部分包括微机及 其接口、执行部件、传感器等，其软件主要是以汇编语言及其他高级语言( c 语 言) 编制的各种数据采集、计算判断、报警、优化控制、监控、诊断系统等程序。 汽车中各种功能的不断完善，使汽车电子控制单元越来越多，控制装置的 数量和复杂性也不断增加，庞大的线束不但会占去大量的车内空间、增加系统 成本，同时也降低了系统的可靠性和可维护性。传统的控制方案和布线方法已 不能适应汽车技术发展的需要，繁琐的现场连线正在被简洁的现场总线网络所 代替。而现场总线技术的不断发展使各种控制、应用功能与功能块、控制网络 的网络管理、系统管理等内容不断扩充，现场总线已经不再只是通信标准和通 信技术，而成为网络系统和控制系统。c a n 总线就是作为一种汽车车内串行数 据通信总线而提出的，现今已经广泛的应用在众多国外汽车上。近年来，作为 c a n 总线的辅助总线网络出现的l 1 n 总线是一种低成本的串行通讯总线网络， 用于实现汽车中的分布式电子系统控制，也越来越得到广泛的应用1 2 j 。 汽车电子技术成就汽车工业的未来，未来的汽车电子化将呈现六大趋势： 功能集成化，如车身控制模块，将取代诸如中控门锁、防盗、雨刮、空调、座 椅调节等单项控制系统；数字控制取代模拟控制；多微处理器协同工作，以实 现既有独立运行、又有协同功能的数据共享和灵活组成的优势；无线与有线技 术相结合，实现车内车外信息传输智能化；硬件通用化、高速化，软件专业化， 武汉理工大学硕士学位论文 以软件功能提升硬件功能；在开发流程上，由“底层向上”模式演变为“由上 向下模式p j 。 目前，我国汽车电子技术基本达到国外9 0 年代水平，但主要是靠技术引进 来实现的，而且主要集中在动力总线系统上，车身总线系统的研究在我国仅仅 是处于起步阶段。因此，通过消化、吸收国际主流总线技术和标准，研究和开 发自己的汽车总线与网络应用系统，对于缩短我国同国外汽车电子技术的差距、 提高自身的核心竞争力有着重要的意义【4 】【5 】。 1 2 车灯的发展趋势 从早期乙炔气前照灯发展到当今的自由面反射镜气体放电前照灯，车灯经 历了六代的发展：乙炔气前照灯；电光源前照灯：双光灯芯前照灯：不对称近 光前照灯；卤钨前照灯；氙气灯泡【6 】。 目前汽车照明技术正面临一场重大的革命，欧洲照明器材行业一些大的装 备制造厂，都在研制新的照明技术，这使汽车的照明领域面貌一新。当前新型 车灯主要有： ( 1 ) 高强度放电灯( h i d ) h i d 目前主要应用于中高档轿车的前照灯，它具有发光效率高、亮度大、 消耗能量小、可靠性高、寿命长等特点，不受车上电压波动的影响，能有效限 制地面照明，改善光线横向分布，扩大亮区的范围。在雨天和路面潮湿时，通 过限制左车道的照度，来减少反射光给对面来车的眩目效应，提高了驾驶的舒 适性和安全性。 ( 2 ) 氖灯 安装在宝马z 8 上的氖灯技术也是一个正被看好的后信号灯换代技术，同时 它也被应用于汽车前灯，氖灯的发光原理和h i d 相似，没有灯丝，不受温度、 摇晃、震动的影响，氖气在管道中传输，管路设计布局允许弯曲，因而其系统 的设计更具弹性，另外和传统白炽灯相比，其响应快了2 0 0 m s 。但是目前氖灯的 成本问题还没有解决，还不能进入大量使用阶段。 ( 3 ) 超薄设计的发光二极管灯( l e d ) l e d 在汽车中的初始应用是中央高架停车灯( c h m s l ) ，该应用使用红光 l e d 来提供一个非常扁薄的照明阵列，该照明阵列易于安装，而且永远不需要 2 武汉理工大学硕士学位论文 更换。人们正利用一种电“可操纵 型高电流l e d 阵列来开发车前灯。在未来 的几年内几乎所有的汽车照明应用，包括车身内部、外部照明和背光照明应用 都将逐步过渡为采用l e d 。 采用l e d 的好处具有诸多积极的含意。首先，它永远不需要更换，因为其 长达1 0 0 ，0 0 0 小时的固态寿命比汽车的使用寿命还长，这使得汽车制造商能够把 它们永久性地嵌入车舱内的照明系统中，而无需像以往那样留有用于更换灯丝 灯泡的入口。由于l e d 照明系统不需要白炽灯泡所要求的安装深度或面积，因 此还可使汽车的造型发生显著的变化。l e d 的另一项优势是其具有低功耗，能 够使得耗油量有所减少。 目前，l e d 车灯面临的主要问题是它的发光效能和封装散热问题，理论上 l e d 的发光效能可以高达2 0 0 1 m w 以上，而现有的白光l e d 则只有7 0 1 m w 左 右，所以应该尽量减少光线在l e d 内部全反射，增加衬底基板反射率，从而使 尽量多的光线能够透射出来，提高l e d 的外部量子效率，也就是增加l e d 的发 光效能1 6 j 。 1 3 国内外车灯控制技术 1 3 1 国外部分技术 ( 1 ) 美国卡迪拉克汽车装配的前照灯自动变光器件。其电子电路由分立元器件 晶体三极管、二极管及电阻组成，通过具有光敏电阻的自动变光器作为传感器 来实现前照灯自动变光功能。其基本原理是由光敏电阻检测对方来车的光照强 度，随着光照强度的变化，其电阻值相应发生变化，从而控制远近光电路的导 通与断开，实现远近光的自动变换。 ( 2 ) 美国德克萨斯仪表公司制作的前照灯自动关闭延时器电路。其原理是：当 汽车停下，切断点火开关时，通过晶体三极管实现电容器充电，实现前照灯自 动延时关灯的功能。 ( 3 ) 梅赛德斯一奔驰公司新近研发的“闪光制动灯技术 。此项技术可有效防止 汽车追尾事故的发生。当汽车遇到危险情况，驾驶员采取紧急制动时，这种闪 光制动灯会在最短的时间内开始连续闪烁四次，从而有效地提醒后车驾驶员避 免追尾【6 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 国内部分技术 ( 1 ) 会车灯亮度自动控制器，专利号：z l d 3 2 1 3 6 1 3 7 。此专利是大连市的陈立 杰发明的一种汽车灯光自动控制器。它可实现在两车会车时自动将远光灯转为 近光灯，避免远光灯灯光刺眼，减少车祸发生，会车后灯光自动转为远光灯， 继续照明行驶。 ( 2 ) 基于c 1 6 7 c s 及智能功率器件的汽车灯光控制系统。此项目是上海同济大 学的几位专家基于英飞凌c 1 6 7 c s 微控制器及智能功率器件设计的高端车用灯 光控制模块。该模块不仅可实现对每个车灯的控制，而且可实现对每个车灯的 故障诊断。 ( 3 ) 智能汽车灯光控制系统。重庆一家企业发明的自动开关和变光的智能汽车 灯光控制系统，其不仅可实现自动开关照明灯光，并可根据汽车所处环境智能 变光，选择开关仪表灯、近光灯或远光灯1 6 j 。 1 4 本课题的任务和目标 本课题的任务为设计基于c a n l i n 总线车灯控制系统，其中具体的任务包括： c a n l i n 车灯控制平台的设计，通过对c a n 、l i n 协议的分析，以c a n l i n 总线复用的方式构建车灯控制平台，其中c a n 作为主网络，l i n 作为c a n 的 辅助网络，c a n 、l i n 网络之间通过c a n l i n 网关通信。并分析目前的车灯控 制功能需求和现有的前照灯智能控制技术，提出基于c a n l i n 车载网络平台上 的前照灯智能控制功能的设计。 硬件电路设计，根据系统功能和车载环境的需求采用相应的微控制器和 c a n 、l i n 收发器设计c a n 车灯总控制节点、c a n l 1 n 网关节点和l i n 车灯 子控制节点，并设计车灯驱动模块，利用升降压方式驱动大功率的l e d 作为车 灯。 软件功能设计，其中针对c a n 车灯总控制节点、c a n l i n 网关、l 1 n 车灯 子控制节点这个三个模块，分析各模块在系统中的功能，提出软件设计方案和 程序流程，对其中主要的子程序做详细的设计。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车灯控制系统总体设计 车灯按照用途分有照明灯和信号灯两大类。照明灯又分为外照明灯和内照 明灯，外照明灯指前照小、大灯，内照明灯指蓬项灯、仪表灯等。信号灯也分 为外信号灯和内信号灯，外信号灯指转向指示灯、制动灯，内信号灯泛指仪表 板的指示灯，如机油压力、充电、关门提示等。本课题设计的车灯控制系统主 要是指对外部照明车灯和外部信号部分，其中以前照灯作为重点7 1 。 2 1c a n l i n 车载网络平台 图2 1c a n l i n 车载网络平台 在汽车领域，目前存在的多种车载网络标准，其侧重的功能也有所不同。 为了便于设计和使用，s a e ( 汽车工程协会) 将车载网络按传输速率的不同划分为 a 、b 、c 三类。a 类是面向传感器和执行器控制的l i n 网络，传输速率只有1 2 0 k b p s ，主要用于一些车身内饰附件，如灯光控制、电动调节座椅等；b 类是 面向独立模块间数据共享的低速c a n 网络，传输速率为2 0 , - - 一1 2 5 k b p s ，主要用 武汉理工大学硕士学位论文 于一些防盗系统、仪表显示、安全气囊等；c 类面向高速和实时的闭环控制的 多路传输系统的高速c a n 网络，最高传输速率可达1 m b p s ，主要用于e c m 、 a b s 、主动悬架等系统1 8 】1 9 1 。 基于c a n l i n 的车载网络平台如图2 1 所示，整个网络主要包括高速 c a n 、低速c a n 和l i n ，l i n 网络通过c a n l i n 网关实现与c a n 网络的通信。 高低速c a n 通过一个叫b s i ( 智能控制盒) 的中心处理控制单元来连接和控制， b s i 集成了多项控制的功能，这些功能通常分散于汽车各个部位的其它控制模块 或继电器。该集成有助于优化布线，简化各个模块之间的数据交换，实现车身 信息在各个模块中的共享【1 0 】【1 1 】。 2 1 1c a n 报文传输机制 c a n 具有如下特性：通信不分主从，节点之间通过报文标识符通信；采用 非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节 点会主动地退出发送：直接通信距离最远可达l o k r n ：节点在错误严重的情况下 自动关闭输出，其他节点的操作不受影响；采用c r c 检验并可提供相应的错误 处理功能；只需通过报文滤波即可实现点对点、点对多及全局广播等几种方式 的数据传送与接收；总线上用“显性 和“隐性 两个互补的逻辑值表示“0 和“1 【1 2 】【13 1 。 根据标识符场的长度不同有两种不同的帧格式，具有1 1 位标识符的标准帧 和含有2 9 位标识符的扩展帧。报文由以下4 个不同的帧类型所表示和控制，即： 数据帧，数据帧将数据从发送器传输到接收器；远程帧，总线单元发出远程帧， 请求发送具有同一标识符的数据帧：错误帧，任何单元检测到总线错误就发出 错误帧；过载帧，过载帧用以在先行的和后续的数据帧之间提供附加的延时【1 4 】。 c a n 协议在其帧结构中定义了多种校验方式，确保信息传送的可靠性。信 息在网络中采用广播的方式，总线上所有的节点均先接收到报文，然后根据帧 结构中的1 l 位或2 9 位标识符进行识别，接收所需的信息，屏蔽本节点不需要的 信息。在报文发送时采用载波侦听多路访问冲突检 贝i ( c s m a c d ) 的方式：当总 线上有两个节点同时进行发送时，必须通过无损的逐位仲裁方法来使有最高优 先权的报文优先发送。在c a n 总线上发送的每一条报文都具有唯一的标识符， 根据线与的关系，标识符越小拥有越高的优先权【l 引。 对于报文的滤波和检验，发送器如果直到帧的末尾位均没有错误，则此报 6 武汉理工大学硕士学位论文 文对于发送器有效。如果报文破损，则报文会根据优先权自动重发。为了能够 和其他报文竞争总线，重新传输必须在总线空闲时启动，接收器如果直到最后 的位均没有错误，则报文对于接收器有效【1 6 j 【1 7 j 。 2 1 2l i n 报文传输机制 l i n 具有如下特性：基于普通u 删s c i 接口的低成本硬件，低成本软件的 实现；通信时能监测传输响应时间，通信速率最高可达2 0 k b p s ；采用单主节点， 多从节点的主从结构，无需总线仲裁机制；数据帧长度可变，可为2 、4 或8 字 节，配置灵活；无须改变l i n 从节点的软硬件就可增加网络从节点；从节点不 需晶振或陶瓷震荡器就能实现自同步；l i n 网络中必须有一个主节点将该网络 连接到c a n 网络上i l 引。 报文帧 帧间空f 报头响应或间隔 1| 7 一hl _一削h i h l| 帧内响应空间字节间空间 图2 2l 烈报文帧结构 一个l 1 n 网络由一个主节点，一个或多个从节点组成，所有节点都有一个 从机任务，该从机任务分为发送任务和接收任务，主节点还有一个主机任务【1 9 1 。 l i n 报文帧由主机任务发送的报文头和从机任务发送的响应组成，如图2 2 所示。l i n 网络的通信总是由主节点的主机任务发送一个报文头开始，其中包括 一个同步间隔场，一个同步场和一个标识符场。同步间隔场使所有的从机任务 有均等的机会与总线时钟信号同步，同步场包含了时钟的同步信息，其格式是 0 x 5 5 ，表现在8 个位定时中有5 个下降沿。标识符场定义了报文的内容和长度， 内容是由6 个标识符位和两个i d 奇偶校验位表示【l 】。标识符位的第4 和第5 位 定义了报文的数据场数量。其中一些标识符有特殊的用途，如命令帧标识符， 命令帧分为请求帧和响应帧，0 x 3 c 为主机请求帧的标识符，用于从主节点向从 节点发送命令和数据，0 x 3 d 为从机响应帧的标志符，用于触发一个从节点向主 7 武汉理工大学硕士学位论文 节点发送数据。睡眠模式命令是第一个数据字节是0 x 0 0 的命令帧，睡眠模式下 所有的总线活动都停止，直到任何一个节点向总线发出唤醒信号。标识符0 x 3 e 表示用户定义的扩展帧，扩展帧标识符0 x f e 用于标识用户自定义信息帧格式， 0 x b f 由l i n 协会保留用于帧的扩展。从机任务的响应由3 到9 个字节场组成： 2 、4 或8 字节的数据场和一个校验和场【2 0 】【2 1 1 。 通过主机任务中的报文头，任何从机任务中发送的数据都可以被发送到其 他任何从机任务中。因此，主节点控制整个网络的通信，网络中不存在冲突， 不需要仲裁。整个网络的配置信息只保存在主节点中，从节点可以自由的接入 或脱离网络而不会对网络中的其他节点产生任何影响【2 2 1 。 报文滤波是基于整个标识符的，用户必须通过网络配置来保证，与某一指 定的传送标识符对应的从机任务不能多于一个。如果直到帧的末尾均没有错误， 则此报文对于发送器有效；如果报文破损，则主机会重新发送报文：如果直到 最后一位均没有错误，则报文对于接收器有效；如果报文发生错误，则主机和 从机任务都认为报文没有发。主机任务和从机任务在发送和接收到一个错误报 文时所采取的措施并没有在协议规范中定义，例如主机重新发送由用户按照应 用要求在应用层程序中来实现【2 3 】【2 4 1 。 2 2 车灯控制系统功能需求 前照灯包括远光灯和近光灯，近光灯照射距离小、照射高度低，主要在车 速低、环境照度略高的情况下使用，远光灯照射距离远，照射高度高，可以使 驾驶员很快看到前方的路牌，主要在高速行驶、环境照度低的情况下使用。在 行车时，需要经常根据自身车速、前方视距、环境照度等多种因素改变远近光 灯的状态，例如夜间行驶会车时，使用远光会造成对方车辆的驾驶员眩目、影 响对方视野，这时需要关闭远光、打开近光，会车后再变为远光；超车时，由 于在城市内禁止鸣喇叭，所以需要通过点动变换远近光灯来提示前方车辆。在 白天行驶中，有时要过隧道，因光线黑暗需要打开前照灯，当车通过后，再关 闭前照灯。但是由于长时间的驾驶，人们有时会忘记一些操作，例如驶出隧道 后忘记关闭前照灯，造成多余的耗电；会车时忘记切换至近光灯，造成对方车 辆驾驶员的眩目等1 2 引。 为了解决这个问题，很多汽车都应用了自动灯光控制系统。现有的汽车前 8 武汉理工大学硕士学位论文 照灯自动控制功能可以在一定路况下实现前照灯的自动打开、远近光的自动变 换，其控制方式主要分为感光控制式、车速控制式、红外收发式、液晶开关式 等。其中感光控制式变光器通过光敏元件检测来自车灯光和路面照度，达到一 定照度门限时进行自动变光；车速控制式变光器通过将车速传感器所测的车速 信号与其门限值比较，实现高速时自动变为远光、低速时自动变为近光；红外 收发式变光器是通过接收前方来车发射的红外线会车信号，实现夜间会车时远 近光灯的自动切换；液晶开关式防眩装置是通过控制液晶眼镜( 或挡光板) 的开 关频率和相位差，使外来直射和脉冲眩光减光，而不影响本车同频率同相位的 脉冲灯光照明。这几种变光模式的设计在实现上主要为在车灯控制器上挂载照 度、速度、红外等传感器模块，获得照度或车速等信息，从而做出自动变光的 判断，其缺点是判断的依据单一，应用不够灵活，并且红外收发式和液晶开关 式还需要会车车辆双方都安装相应的变光设型圳。 2 3 车灯控制系统功能设计 为弥补现有机动车前照灯自动变光器普遍存在的上述缺陷，本课题设计的 是根据前景视距、近光照距、停车视距、制动和超车等多种信息进行综合控制 的手自动互补式前照灯变光功能，其具有手自动和全手动两种工作模式，它实 现以下功能应用：在行车时，如果行车环境照度过低，例如汽车进入隧道，前 照灯能够自动打开，当汽车行出隧道，环境照度足够时，自动关闭前照灯：在 夜间会车时，汽车自动关闭远光灯、打开近光灯，在会车过后，关近光灯、恢 复远光灯；在汽车制动，速度低于门限值的情况下，能够自动切换到近光灯； 在汽车油门打开的情况，速度高于门限值的情况下自动切换到远光灯；驾驶员 的手动变光在两种模式下均有效，以实现点动变光1 27 。 其具体实现的工作原理为： ( 1 ) 开启手自动模式 通过判断开关大小灯条件来控制大小灯的开关。在大灯打开的情况下，当 满足开自动近光条件且无手动远光触发时，进入近光状态：当满足开自动近光 条件且有手动远光触发时，切换至远光直至制动有效或有满足开自动近光条件 后，解除手动远光触发，转入自动变光状态：当满足开自动远光条件且无手动 近光触发时，进入远光状态；当满足开自动远光条件且有手动近光触发时，切 9 武汉理工大学硕士学位论文 换至近光直至有油门打开或满足开自动远光条件后，解除手动近光触发，转入 自动变光状态。 ( 2 ) 开启全手动模式 根据手动开关的触发信号来实现大小灯的开关和远近光灯的选择。 由于手自动模式的判定依据较多，因此本课题在c a n l i n 复用的车载网络 平台上构建车灯控制系统，如图2 1 所示。在c a n 网络中挂载一个c a n 车灯 总控制节点，它可以通过b s i 获得所需的车身信息，通过对车身信息和变光模 式的判断可以有效地得出车灯控制信号，再通过c a n l i n 网关将控制信号发送 给各l i n 车灯子控制节点，各车灯子控制节点实现对车灯的控制，并将车灯的 工作状态信息通过c a n l i n 网关发送至c a n 网络给c a n 车灯总控制节点、 b s i 等，实现车灯信息在各功能模块中的共享。 同时，本课题设计的车灯控制系统采用升降压的方式驱动大功率l e d 作为 车灯，极大的提高了能量的利用率，符合目前汽车电子安全、节能、环保以及 智能化和信息化的发展趋势。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章车灯控制系统硬件设计 基于c a n l i n 总线的车灯控制系统主要包括一个c a n 车灯总控制节点、 一个c a n l i n 网关节点和四个l i n 车灯子控制节点。 3 1 整体设计模型 图3 1 车灯控制系统整体结构 本课题设计的车灯控制系统整体结构如图3 1 所示。该系统的信号流程为： c a n 车灯总控制节点实时接收来自c a n 总线的车身的信息，包括前景亮度、车 上方照度、油门信号、刹车信号等以及驾驶员对手自动和全手动工作模式的选 择，并根据这些信息做出对各个节点车灯控制的判断，生成c a n 报文控制信息， 武汉理工大学硕士学位论文 然后实时地该将控制报文发送给c a n l i n 网关；c a n l i n 网关完成c a n 报文 的接收后，读取c a n 报文信息并组成l i n 报文，发送给相应的l i n 车灯子控制 节点；l i n 子节点接收到报文帧后根据报文的内容通过车灯驱动模块实现对车灯 的控制，并实时地采集车灯驱动模块的电位，分析车灯的工作状态，然后将车 灯的状态信息发送给c a n l i n 网关，c a n i , i n 网关完成l i n 报文到c a n 报文 的转化后，再将车灯状态信息发送至c a n 总线给c a n 车灯总控制节点、b s i 等，以实现车灯信息的共享【2 7 】1 2 8 】。 四个l i n 车灯子控制节点分别控制前左、前右、后左、后右四个灯群，其 中前左与前右对称，后左与后右对称，四个l i n 子节点的设计方式都相同。由 于车灯用途的不同，所需要的电流、电压、功率等参数有所不同，车灯驱动电 路有所区别。本设计通过左前节点控制左前远光灯为例进行硬件电路的设计。 3 2c a n 车灯总控制节点硬件设计 c a n hc a n l m c u 控制单元 c a n 收发器 互 器t x dc a n h 芝 t j 、 模 厂1 r x dc a n l 块 图3 2c a n 车灯总控制节点结构 c a n 车灯总控制节点结构如图3 2 所示，包括m c u 和c a n 收发器【2 9 1 。 3 2 1m c u 控制单元 本课题采用f r e e s c a l e 公司的m c 6 8 h c 9 0 8 g z 8 做为c a n 车灯总控制节点和 c a n l i n 网关的m c u ，它是一款低功耗、高性能的8 位控制器。该芯片中集成 有m s c a n 0 8 模块和e s c i 模块。其中m s c a n 0 8 模块完全执行由b o s c h 公司 在1 9 9 1 年9 月定义的c a n 2 0 a b 协议，可以用于与c a n 总线控制节点进行通 信，这样不仅使得c a n , 总线的通信有了更高的可靠性，而且就不必再进行c a n 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 控制器的选择，只需要一个c a n 收发器即可实现与c a n 总线通信。同时，e s c i 模块与l i n 收发器连接，可作为l i n 主节点，既简化了硬件结构，又降低了成 本。在c a n 车灯总控制节点的应用中不需要用到e s c i 模块，c a n 车灯总控制 节点的电路如图3 3 所示。 图3 3c a n 总控制节点m c u 电路 m s c a n 0 8 模块是m s c a n 概念针对m c 6 8 h c 0 8 控制器系列一项特别的应 用。它支持标准、扩展数据帧格式和远程请求帧，有四个先进先出结构的收发 缓冲区，其中三个为具有局部优先级的发送缓冲区，还内置有低通滤波的远程 唤醒功能，可编程为方便调试的自环工作模式【3 0 1 。 e s c i 模块是增强的串行通信接口模式，可以和外围设备及其它m c u 进行 异步通信。它的发送接收使能分离，发送接收c p u 中断请求分离，具有两个接 收唤醒方式( 总线空闲唤醒，地址标识唤醒) ，带有八个中断标识的中断驱动操作 ( 发送器空，发送完成，接收器完成，接收器输入空闲，接收器溢出，干扰错误， 帧错误，奇偶错误) ，具有接收器帧错误检测、硬件奇偶检测和1 1 6 位时干扰检 测等功能1 3 l j 【3 2 j 。 为增加节点的抗干扰能力，m c 6 8 h c 9 0 8 g z 8 的c a n t x 和c a n r x 不直接 与c a n 收发器相连，而是通过高速光耦6 n 1 3 7 与之相连。光耦部分电路所采用 的两个电源v d d l 和v d d 2 需要不同的两个5 v 输入，否则，光耦达不到完全 武汉理工大学硕士学位论文 隔离的效果。可以采用多个5 v 输出的电源模块实现。p t a 7 端与c a n 收发器的 c a ns 端相连，用作c a n 收发器的模式选择端。 3 2 2c a n 收发器 c a n 收发器提供了c a n 控制器( m s c a n 0 8 模块) 与物理总线之间的接口， 主要用于节点逻辑电平和c a n 总线差动电平之间的电平转换，为总线提供差动 发送能力和为c a n 控制器提供差动接收能力，增加通信抗干扰能力，是影响系 统网络性能的关键因素之一。常见的c a n 收发器有p h i l i p s 的t j a l 0 5 0 和 p c a 8 2 c 2 5 0 ，二者均为汽车中高速通信应用而设计的芯片，本设计中c a n 收发 器采用t j a l 0 5 0 ，因为它使用了最新的e m c 技术，采用了先进的绝缘硅 ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) 技术进行处理，这样t j a l 0 5 0 比p c a 8 2 c 2 5 0 的抗电磁干 扰性能提高了2 0 d b ，更适合在高电磁干扰的车载环境下使用【3 引。 t j a l 0 5 0 有两种工作模式：高速模式和静音模式，都由引脚s 来控制。 伍 图3 - 4c a n 收发器 c a n 收发器电路图如图3 - 4 所示，m c u 电路中的c a nt x d 和c a nr x d 端连接到c a n 收发模块的t x d 和r x d 端，而收发器的总线终端c a n h 和c a n l 连接到总线线路c a n h 和c a n l 上，它的引脚s 用于模式控制，连接到 m c 6 8 h c 9 0 8 g z 8 的p t a 7 端。 输出驱动c a n h 由v d d 提供一个源输出，而c a n l 则向g n d 提供一个 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 下拉输出。如果没有节点发送一个显性位则总线处于隐性状态，如果一个或多 个总线节点发送一个显性位总线就会覆盖隐性状态而进入显性状态。 t j a l 0 5 0 内部的接收比较器将差动的总线信号转换成逻辑电平信号并在 r x d 输出，当总线节点发送一个报文时，它同时监控总线，该功能可以用于支 持c a n 的非破坏性逐位仲裁策略。 总线采用一对双绞线，总线两端都接一个1 2 0 欧的额定电阻，这就要求总 线额定负载是6 0 欧，终端电阻和电缆阻抗的紧密匹配确保了数据信号不会在总 线的两端反射。 c a n h 和c a n l 输出到g n d 的一对匹配电容经常被用于提高抗电磁干扰的 性能，相应噪声源的阻抗和c a n h 和c a n l 对地的电容组成了一个r c 低通滤 波器，在抗干扰的性能的问题上，电容的值应该尽可能大才能获得低的角频率。 另一方面，输出级的整个电容负载和阻抗为数据信号建立了一个低通滤波器。 因此，相关的角频率要比数据传输频率高，这使电容值必须由节点的数量和数 据传输频率决划驯。 3 3c a n l 1 n 网关节点硬件设计 c a n h c a n ll i n m c u 控制单元 c a n 收发器 l i n 收发器 c a n ht x d 一 卜 蚤 c t ， n n 力 ： t x d c a n lr x dr 。 芝 _ r x dl r n 图3 5c a n l i n 网关结构 c a n l i n 网关结构如图3 5 所示，包含m c u 、c a n 收发器、l i n 收发器， 其中m c u 、c a n 收发器的芯片和连接方式与c a n 车灯总控制节点相同，m c u 的e s c i 模块与l i n 收发器相连，作为l i n 网络里的主节点，如图3 3 所示。 l i n 收发器是l i n 控制器和l i n 物理总线之间的接口。发送数据时，l i n 收发器将m c u 的t x d 管脚输入的发送数据转换成l i n 总线信号，并由l i n 收 发器控制转换速率和波形。接收数据时，l i n 收发器检测l i n 总线的数据并通 武汉理工大学硕士学位论文 过管脚r x d 发送到m c u 。本课题采用的l i n 收发器为p h i l i p s 的t j a l 0 2 0 。 图3 - 6t j a l 0 2 0 工作模式转换 t j a l 0 2 0 共有四种工作模式，如图3 - 6 所示，分别是：普通斜率模式、低斜 率模式、准备模式和睡眠模式，其中主要工作模式为普通斜率模式和睡眠模式 【3 4 】 o 图3 7l i n 收发器 武汉理工大学硕士学位论文 本课题的l i n 收发器电路图如图3 7 所示。睡眠控制引脚n s l p 直接与控制 器的i o 相连，n s l p 的低电平使t j a l 0 2 0 进入睡眠模式，这时收发器本身电 流功耗很低，可以通过引脚l i n 远程唤醒或通过引脚n w a k e 本地唤醒，也可 以直接通过引脚n s l p 为高电平直接