汽车前照灯及其控制系统设计与故障诊断

汽车前照灯及其控制系统设计与故障诊断摘要随着我国社会的发展和科技的进步，汽车的普及范围也越来越广，据统计2013年我国汽车产、销量均超过1840万辆，位居全球第一。但是，汽车在为我们带来便利的同时，由于交通拥挤和照明等问题的影响，道路交通事故却频繁发生。近几年，每年因道路交通事故死亡的人数将近十万，通过对这些交通事故的统计分析，发现道路照明条件差是造成事故的重要原因之一。因此，对传统汽车照明系统的改进和创新成为汽车行业日益重视的研究课题。为了改善夜间和恶劣条件下的照明效果，提高行车的安全性，降低交通事故的发生率，各国汽车行业都加大了对汽车前照灯系统的研究和改进。针对现有的传统汽车前照灯系统的不足，研制开发一种能够根据道路环境状况和车辆行驶状态的变化而自动进行灯光调整的前照灯智能控制系统，已成为当今汽车行业日益重视的热点研究课题。关键词：汽车；前照灯；系统目录摘要 1引言 3一、系统的总体构成 3(一)相关的标准和规定 3（二）系统的功能构成 41.前照灯照射方向左右自动调整 52.前照灯上下方向自动调整 53.前照灯自动开关控制 54.停车后前照灯的延时关闭 5二、系统的信息传输通道 5（一）现场总线 61.基金会现场总线FF（FoundationFieldbus） 62.CAN（ControllerAreaNetwork）总线 63.LonWorks 74.PROFIBUS 75.HART 7（二）CAN总线的优点 8三、系统试验调试 8（一）系统硬件调试 81.脱机调试 92.联机调试 9（二）系统软件调试 9结语 10参考文献 10引言随着汽车数量与道路交通密度的上涨，交通事故和其危害逐年增加。据资料显示，交通事故原因大多是人的因素造成的。其中，复杂的交通状况，不合理信息或者缺少信息以及过度紧张等等也成为了事故频发的诱因，所以为了保证汽车行车安全，在汽车上都装有各种照明及信号设备，以确保驾驶员能及时有效的应对各种路况和汽车工况，保证汽车的安全驾驶。灯光，作为汽车的信息载体，对夜间行车有着不可替代的作用。它作为主动安全的重要组成部分，有效的预防和减少了交通事故的发生，而作为汽车前方道路的主要灯具--前照灯，又是关键中的关键，它的照明直接关系驾驶员的行为准则，甚至关系到乘员与行人的生命安全。随着社会的进步、科技的发展，人们对行车安全有了更高、更迫切的要求，汽车安全的智能化逐渐受到世界各国汽车制造商的广泛关注，并为此投入大量精力。为了提高夜间行车的安全性，针对传统汽车前照灯存在的照明不足，以及会车时给迎面行车驾驶员带来眩目等诸多问题，围绕汽车自适应前照灯研究逐步被展开，并受到了各界的高度重视。汽车自适应前照灯照明系统能够根据车辆行驶状况，以及所处的环境提供合理的照明光束，为驾驶员提供最佳的视野范围，减少交通事故的发生。一、系统的总体构成(一)相关的标准和规定机动车辆的灯光设备都有专门的设计和操作规程，其制造过程和试验程序都受到相关法规的严格约束。目前，在汽车前照灯的标准方面存在2种不同的标准：欧洲标准和美国标准；这两种标准各有其自己的特点，使用不同的认证制度。在欧洲，所有的汽车照明和信号装置都必须满足ECE-R48-01和76/756/EEC法令的要求，欧洲标准特别注重对眩光的控制，因此在其配光上存在15°的明暗截止线；而在美国，实行一种全然不同的法规架构，推行自我保证的原则，采用FVMSS标准(联邦汽车安全标准)108号，并在SAE光学和性能试验的规定中规定了各种照明装置的实验要求。国际上，汽车自适应前照灯系统（AFS）的研制和法规的制定进行了将近十年，目前系统已开始进入实用型开发，并已在一些中高档配置的乘用车上使用。欧洲经济委员会ECE（EconomicCommissionforEurope）于2007年正式发布了ECE-R123法规，即《关于批准装有汽车自适应照明系统的统一规定》，该法规定义了汽车前照灯AFS系统的各类照明模式，并对每个模式提出了配光试验的要求。在我国的汽车灯具强制性标准的制定过程中，为了与国际法规接轨，加强国内对汽车灯光系统的规范和管理，在充分考虑中国国情的基础上，基本上等效采用了欧洲经济委员会ECE法规的相应条款。在目前我国的汽车灯光强制性国家标准中，GB4599-2007《汽车用灯丝灯泡前照灯》对应于欧洲经济委员会的ECE-R112法规；GB21259-2007《汽车用气体放电光源前照灯》对应于欧洲经济委员会的ECE-R98法规；GB-4785-2007《汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》对应于欧洲经济委员会的ECE-R48法规，同时参照ECE-R48的2004版，增加了弯道照明等内容；除此之外，全国标准化技术委员会灯具及灯光分技术委员会组织还制定起草了标准《汽车用自适应前照明系统(征求意见稿)》，并于2009年7月17日至8月20日期间广泛征求社会各界的意见，会同专家进行修改后将择期发布。其中，在GB-4785-2007标准的条款中对车灯在水平方向上作了规定：为了形成弯道照明，可以改变一只或两只近光灯的方向；在0条款中要求：如果弯道照明是通过水平移动整个光束或明暗截止线弯曲肘部来实现，那么只有在车辆前行时才能被开启。此外，根据《中华人民共和国道路交通管理条例》第四十九条第（四）项的规定，机动车夜间在没有路灯或照明不良的道路上会车时，须距对面来车一百五十米以外互闭远光灯，改用近光灯，直至会车结束。以上所有这些标准、法规的制定不仅为汽车智能前照灯系统在我国的研究、应用和推广提供了统一的规范和标准，而且对相关产品的普及应用和市场化奠定了坚实的法律基础。（二）系统的功能构成根据上述相关法律法规，并结合公司的产品设计要求，本课题所研究的汽车前照灯智能控制系统的基本功能主要分为以下四个方面：1.前照灯照射方向左右自动调整夜晚汽车转弯或进入弯道时，系统从汽车CAN总线获取方向盘的转向角信息并进行分析处理，自动调整前照灯的左右照射方向，照亮车辆即将行驶到的前方路面。2.前照灯上下方向自动调整当汽车由于前后负载发生变化而使车身倾斜时，系统根据安装在前后车轴上的车身高度位移传感器所测得的信号进行分析处理，对前照灯进行上下方向的调整，使前照灯保持合理的照射高度。3.前照灯自动开关控制主要包括以下两个功能：①当外界光线不足时(比如傍晚天黑、白天通过隧道、进入地下停车场等)，影响驾驶员的正常驾驶，系统通过对光敏传感器获得的信号进行分析处理，自动开启前照灯（默认开启近光）。②当外界光线足够时(如黎明天亮、白天驶出隧道、地下停车场等)，系统通过分析处理相关的信息，自动关闭前照灯。4.停车后前照灯的延时关闭夜晚停车熄火后，根据检测到的发动机和车门的状态以及周边光照的强度，前照灯自动延时一段时间后熄灭，为司机离开车辆后在光线不足的环境中提供方便。二、系统的信息传输通道随着现代科技的飞速发展，汽车上的电子设备越来越多，从电控喷油、电子点火到防抱死刹车系统、电子助力转向系统，从车载导航到移动办公、车载娱乐等等，汽车电气设备已经成为一个复杂的大系统。传统的点到点的布线方法不仅增加了布线的复杂程度，而且大大提高了材料成本，所以采用现场总线作为汽车上信息传输的通道成为一种必然趋势。（一）现场总线现场总线（Fieldbus）是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串行、多结点的数字通信技术；从二十世纪八十年代开始形成和发展，目前已经有好几种成熟的总线技术被推广应用在多个领域，几种较为典型的现场总线技术的情况如下：1.基金会现场总线FF（FoundationFieldbus）基金会现场总线FF采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层；FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，协议符合IEC1158-2标准；FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码；该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用。2.CAN（ControllerAreaNetwork）总线CAN总线又称汽车总线，是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，已被ISO国际标准组织制定为国际标准；CAN协议分为两层：物理层和数据链路层；CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力；CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯速率最高可达1Mbit/秒，网络节点数实际可达110个；目前CAN总线广泛应用于汽车行业及医疗、建筑、环境控制等领域，已有多家公司开发了带有CAN控制器的控制芯片。3.LonWorksLonWorks由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导；它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置；它支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/秒至1.5M/秒不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/秒）；LonWorks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现；采用LonWorks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。4.PROFIBUSPROFIBUS是以西门子公司为主的几十家德国公司、研究所共同推出的现场总线标准，由PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA系列组成；它采用了OSI模型的物理层、数据链路层，支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式，传输速率为9.6Kbit/秒至12Mbit/秒，最大传输距离为1200m（9.6Kbit/秒），可采用中继器延长至10km；传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点；DP适用于加工自动化领域，FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等，PA用于过程自动化等。5.HARTHART（HighwayAddressableRemoteTransducer）最早由Rosemount公司开发，在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品；其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式；它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片；HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。（二）CAN总线的优点由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的现场总线相比，它的数据通信具有更加突出的可靠性、实时性和灵活性，其优点概括可以如下：①比传统的布线方式的数据传输速度更高。②比传统布线方式要节省线束，降低了车身重量，同时优化了车身的布线方式，同时线束的简化也给故障诊断和维修带来了更多的便利。③以CAN总线方式连接的控制单元中如果有一个发生故障，它会自动关闭输出功能，其它控制单元仍可正常发送各自的数据，互不影响。④CAN数据总线为双线制的双绞线，如果有一条发生故障，CAN系统会转为单线运行模式，提高了整车的稳定性。⑤CAN总线的双线制在实际中是像“麻花”一样缠绕在一起的，这样可以有效的防止电磁波的干扰和向外辐射。⑥基于CAN总线的系统可以实现更丰富的功能，便于后续新的产品、功能的扩展和开发。⑦CAN总线将各个功能部件连在一起构成的完整的网络系统，可以实现信息与数据的全车共享，使汽车在控制方面更加智能、精确。基于以上原因，本课题选取性能可靠、容错性强、时间特性好、可扩展性强的CAN总线作为系统的传输通道，将CAN总线应用于车辆上各类传感器信号的传输，从而实现智能化的汽车前照灯控制功能。三、系统试验调试（一）系统硬件调试系统的硬件可能存在以下几方面常见的故障：(l)逻辑错误：硬件的逻辑错误主要是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的，主要包括错线、开路、短路等，其中短路最为常见，在印刷电路板布线密度高的情况下，极易因工艺原因造成短路。(2)器件失效：元器件失效主要是因为器件本身已损坏或性能不符合要求，或者是由于组装错误造成的元器件失效，如电解电容、二极管的极性错误，集成块安装方向错误等。(3)可靠性差：系统不可靠可能受多种因素影响，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏；内部和外部的干扰、器件负载过大等造成逻辑电平不稳定；另外走线和布局的不合理等也是系统可靠性差的重要因素之一。(4)电源故障：若系统中存在电源故障，则加电后将造成器件损坏甚至烧坏整个电路板。本系统的硬件调试步骤如下：1.脱机调试首先对电路板进行目测检查，看是否存在明显的故障，如连线断裂等情况。然后用万用表检查线路板是否有短路、断路及漏焊、虚焊的地方；在焊接过程中要对各个元器件逐一检查，比如二极管极性、电容容量及耐压、电阻值大小等。最后给电路板空载上电，不插芯片，检查线路板各管脚及插件上的电压是否正确。2.联机调试通过脱机调试排除一些明显的故障后，还需要进行联机调试来进一步检查系统内部是否存在其他硬件故障。首先进行复位电路和晶振的检查，因为它们关系到处理器ECU能否运行。检查复位电路的方法是：在按下复位开关的同时，用示波器观察处理器芯片的RESET引脚的电压是否为高。同样用示波器可以检查晶振是否正常工作。然后将仿真器连接到板子上，利用一些基本的测试程序来对存储器、I/O端口来进行检查，并借助万用表和示波器等工具来观察有无故障。若有故障，利用示波器观察输出、读写控制信号、地址数据波形及有关控制电平，来分析故障原因并排除。（二）系统软件调试本系统软件设计采用模块化结构，由主程序和各子程序模块组成，所以需要对各个程序分别进行调试。系统使用的调试工具是Keil4（MDK4）。具体的调试方法如下：在Keil4编译环境中编写、编译系统各个功能模块，并依次对各个功能模块进行软件仿真调试。调试过程采用单步运行方式和断点运行方式，检查系统CPU的现场、RAM的内容和I/O口的状态，检测程序执行结果是否符合设计要求。在调试过程中不断对软件程序进行改进，使系统各个功能模块顺利实现预定功能。最后再将系统各个功能模块组合起来进行整体程序的综合调试。单步和断点调试后，接着进行连续调试，因为单步运行只能验证程序的正确与否，而不能确定定时精度、CPU的实时响应等问题。多次软件调试无误后，用编程器烧写到处理器芯片中，确保程序准确运行。结语从主动安全考虑，汽车智能照明控制系统是汽车生产厂商目前研究的主要