郭 峰，趙 璇，汪 穎

(武漢理工大學信息工程學院，湖北 武漢 430070)

隨著各種車載系統(tǒng)的增加和完善，整車逐漸形成了一個龐大的系統(tǒng)。集中式車身控制系統(tǒng)線束質(zhì)量劇增，線路繁冗復雜，故障率不斷上升。至此，傳統(tǒng)的線束已經(jīng)不能滿足汽車行業(yè)的飛速發(fā)展。汽車網(wǎng)絡總線技術(shù)的使用不但能讓大批數(shù)據(jù)信息在電子單元中共享，而且能讓汽車綜合控制系統(tǒng)中的大量控制信號得到實時的傳輸交換，在節(jié)約材料成本的同時增加了智能化功能，提高了駕乘人員的安全性、舒適性，以及電子控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了汽車故障診斷和維修的難度。

1 方案總體設計

BCM(body control module)是車身控制模塊的簡稱。目前電控單元在汽車上的應用越來越多，各種電子設備相互之間的交互也變得越來越頻繁[1]。結(jié)合某主機廠現(xiàn)有車身控制系統(tǒng)，從汽車信息系統(tǒng)的角度，探討了一種基于CAN/LIN總線混合網(wǎng)絡的BCM。該BCM涉及的主要控制對象如表1所示。

由于汽車上各種電氣設備對網(wǎng)絡信息傳輸延遲的敏感性差別很大[2-3]，發(fā)動機控制器、自動變速器控制器、ABS(anti-lock brake system)控制器和安全氣囊控制器等之間的協(xié)調(diào)關(guān)系所要求的實時性很強，需要掛接在CAN總線上。但CAN總線負載率不能超過20%，否則會影響總線上信號傳輸?shù)膶崟r性[4-5]，因而一般只把涉及到整車安全的控制節(jié)點掛接在CAN總線上，但為了方便行車診斷，診斷節(jié)點也掛在CAN總線上[6-9]。

表1 BCM主要控制對象

前后車燈的開關(guān)、車門開閉和座位調(diào)節(jié)等簡單事件對信息傳輸延遲的要求相對寬松(10～100 ms)，如汽車的組合開關(guān)、門窗等控制單元，可以采用LIN總線實施控制，節(jié)省線束，實現(xiàn)整車的集約化設計。

余下的一些實時性不強的信號，如防盜LED指示燈、車門開/關(guān)報警等信號可以通過硬線連接到BCM。整個BCM平臺的拓撲圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 CAN/LIN模塊硬件設計

CAN模塊使用PIC18F248采集外部信號，將相關(guān)節(jié)點信號打包以幀的方式通過CAN收發(fā)器(MCP2551)經(jīng)由CAN總線傳輸?shù)紹CM，BCM根據(jù)接收到的信息做出判斷，執(zhí)行相應的功能。該模塊主要包括CAN收發(fā)器及其外圍電路、信號調(diào)理電路和電源管理等模塊，其中振蕩器采用4.0 MHz陶瓷振蕩器。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖

為防止數(shù)據(jù)在導線終端被反射導致數(shù)據(jù)丟失，一般在CAN_H與CAN_L之間接一固定大小的標稱終端電阻(一般為120 Ω)?？紤]到EMI，有些車型將終端電阻分布在各個控制單元內(nèi)，減少數(shù)據(jù)傳輸時的過調(diào)效應，更好地抑制干擾。該模塊實施軟件控制后實測靜態(tài)電流≤0.7 mA。

LIN模塊使用PIC18F248采集外部信號，將LIN總線節(jié)點上的信號打包以幀的方式通過LIN收發(fā)器(MCP201)，經(jīng)由 LIN總線傳送到 BCM，BCM對接受的幀進行解析后再做出判斷，執(zhí)行相應的功能。該模塊主要由LIN收發(fā)器及其外圍電路、信號調(diào)理電路、復位電路和電源管理模塊等組成。MCP201可在-40～125℃范圍內(nèi)使用，負載承受力可達40 V，還提供高溫與短路保護機制，可防止系統(tǒng)因遭遇接地異常而受損。該模塊采用4.0 MHz陶瓷晶振。由于LIN總線信號速率低，不會產(chǎn)生交互干擾，故采用單線傳輸。該模塊實施軟件控制后實測靜態(tài)電流≤0.5 mA。

2.2 主控節(jié)點硬件設計

主控節(jié)點主要實現(xiàn)以下功能:采集、處理銅線上各種輸入/輸出量;傳輸、處理CAN/LIN總線上的信息;實現(xiàn)診斷功能;實現(xiàn)CAN/LIN網(wǎng)絡交互，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能。以下主要討論主控節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)的功能設計。

主控節(jié)點采用MC9S12XDG128，該單片機以高性能、低功耗為目的，針對汽車電子設計，具有極好的EMC性能和高效率的代碼實現(xiàn)。該芯片內(nèi)部有12 k的 RAM，128 k的Flash，2 k的 EEPROM，16位AD轉(zhuǎn)換模塊，增強型的SCI模塊，實現(xiàn)LIN總線的通信，內(nèi)部自帶MSCAN模塊和定時器單元。網(wǎng)關(guān)框架結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件框架圖

網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)CAN/LIN網(wǎng)絡之間相互通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。協(xié)議轉(zhuǎn)換就是將源協(xié)議的幀格式中的有效信息提取出來，并將其封裝成目的協(xié)議的幀格式，同時在源網(wǎng)絡的信息發(fā)送到目的網(wǎng)絡的過程中，數(shù)據(jù)在存儲器中有一個短暫的存儲。系統(tǒng)利用報文的ID來實現(xiàn)路由的功能，報文ID類似于計算機網(wǎng)絡中的路由映射表，表中每個源ID對應一個目的ID，當接收到數(shù)據(jù)報文時，首先提取它的ID號，通過查詢路由表，判斷該ID的目的地址，然后將它發(fā)送出去。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 CAN/LIN通信網(wǎng)絡的軟件設計

CAN通信網(wǎng)絡的軟件設計主要包括3部分:CAN節(jié)點的初始化、CAN節(jié)點的報文發(fā)送和報文接收[10-11]。CAN節(jié)點以幀的形式定時向 CAN總線發(fā)送消息，BCM對各CAN節(jié)點的ID進行濾波，并對幀中的數(shù)據(jù)進行對比，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)改變，BCM執(zhí)行相應的動作。

LIN通信網(wǎng)絡主要采用單主多從的通信方式，包括主機節(jié)點任務和從機節(jié)點任務。主機節(jié)點任務主要是通過循環(huán)查詢各節(jié)點狀態(tài)，當信號狀態(tài)發(fā)生改變時，從機就會調(diào)用LIN發(fā)送函數(shù)，把刷新的狀態(tài)以幀的形式發(fā)送到LIN總線上，主節(jié)點再對接收到的消息執(zhí)行相應的動作。

3.2 主控節(jié)點軟件設計

主控節(jié)點信號量采集、處理功能的軟件實現(xiàn)相對容易，以下只討論其作為網(wǎng)關(guān)的軟件實現(xiàn)。作為網(wǎng)關(guān)的主控節(jié)點需要對外來信號進行選擇性的接收、處理和回發(fā)，同時需要對每個信號進行判斷，響應各從節(jié)點的要求，時刻檢查各從節(jié)點的工作狀態(tài)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示或存儲起來?？偩€數(shù)據(jù)的發(fā)送在主監(jiān)控程序中實現(xiàn)，接收采用中斷方式實現(xiàn)，這樣不僅可以減少系統(tǒng)資源浪費，降低BCM功耗，使整個系統(tǒng)的靜態(tài)電流≤5 mA，還可以不影響程序運行。

主控節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)CAN/LIN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀的透明傳輸，以及大量的數(shù)據(jù)信息的交互。網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)包括CAN網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)發(fā)和LIN網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)發(fā)。實際應用中CAN節(jié)點一直向網(wǎng)關(guān)發(fā)送信息，而LIN總線速率較慢，幾乎不主動向網(wǎng)關(guān)發(fā)送信息，只有當網(wǎng)關(guān)發(fā)出查詢命令時，LIN節(jié)點才向網(wǎng)關(guān)發(fā)送信息。主控節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)CAN節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，流程圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)執(zhí)行CAN轉(zhuǎn)發(fā)任務流程圖

由于BCM涉及的對象多而雜，主程序運行時要合理地分配各個任務的時間，即時間片。時間分配的合理與否直接關(guān)系到程序的執(zhí)行效率和系統(tǒng)的性能好壞，該系統(tǒng)在主程序運行過程中時間分配如下:主進程循環(huán)10 ms，其中，CAN部分(高級電子設備部分)3 ms、LIN部分(組合開關(guān)和車門狀態(tài)部分)2 ms、信號檢測部分3 ms、其他部分2 ms(如AD模塊、無鑰匙進入等)。

4 系統(tǒng)故障自診斷設計

系統(tǒng)增加了故障自診斷模塊，自制車載診斷儀通過OBDII接口實現(xiàn)與BCM的通信，診斷設備具備大屏幕LCD及按鍵，使系統(tǒng)工作狀態(tài)信息實時顯示在LCD上，可隨時查看系統(tǒng)運行狀態(tài)。車載診斷儀發(fā)出指令訪問BCM，通過CAN/LIN總線來實現(xiàn)可視化總線在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)實時分析、汽車行駛數(shù)據(jù)記錄和解碼器功能等，通過LCD顯示故障信息。

對LIN節(jié)點診斷幀通過標識符為ox3C和ox3D的幀實現(xiàn)，在ox3C主機請求幀中，LIN總線上所有的節(jié)點都接收該幀，并查詢第8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，如果該數(shù)據(jù)與所定義的節(jié)點地址相同，則在ox3D從機響應幀中將數(shù)據(jù)發(fā)送。主節(jié)點接受到從節(jié)點的響應，則置相應的標志位為0或1，如果未收到，則認為該節(jié)點數(shù)據(jù)丟失，出現(xiàn)故障，進行標識。

對CAN節(jié)點診斷幀通過標識符為ox7E2和ox7EA的幀實現(xiàn)，節(jié)點故障在每一子模塊中有專門的診斷模塊，如果出現(xiàn)故障，置相應的標志位為0或1。

5 結(jié)論

該BCM不僅可以直接利用片內(nèi)端口采集輸入信號，分析處理后使得控制執(zhí)行器做出相應動作，還可以作為網(wǎng)關(guān)支持CAN/LIN總線網(wǎng)絡交互，甚至可以裁剪總線作為集中式控制系統(tǒng)使用，并預留部分接口，以便后期開發(fā)升級。經(jīng)專用檢測設備進行高低溫試驗、振動、防塵和汽車瞬變脈沖測試等可靠性實驗后裝車測試，實驗證明該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有較強的實用價值。

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