劉文英，鄒洪波，王 東，劉光宇*

(1.杭州電子科技大學(xué) 信息與控制研究所，浙江 杭州 310018;2.集瑞重工研究院，安徽 蕪湖 241080)

0 引言

隨著電子設(shè)備的不斷增加造成導(dǎo)線數(shù)量增加，使得在汽車內(nèi)有限的空間中布線變得日益困難，從某種程度上限制了汽車電子功能的拓展。采用總線技術(shù)，并通過電控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制［1］能有效減少線束使用，降低車內(nèi)布線難度。現(xiàn)有LIN 總線組合開關(guān)基于SCI/UART 數(shù)據(jù)格式，采用單主機(jī)多從機(jī)模式，總線由3 根導(dǎo)線組成(電源、地線和數(shù)據(jù)線)［2-3］。由于每個組合開關(guān)上器件I/O 口數(shù)量有限，則能檢測的開關(guān)量也有限，在應(yīng)用中若需增加開關(guān)量進(jìn)行功能擴(kuò)展，需要接入多個組合開關(guān)。但由于過多節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻抗過低、降低通訊效率，一個LIN 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)不宜超過16［4］，使得組合開關(guān)的擴(kuò)展受到限制。隨著汽車總線中通訊節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)流量持續(xù)增加，節(jié)點(diǎn)日益復(fù)雜，使得汽車總線在重量、布置、成本、通信效率等方面面臨困境。

本研究針對現(xiàn)有組合開關(guān)不易擴(kuò)展、應(yīng)用不靈活等問題，設(shè)計(jì)一款基于CAN 總線和UART 總線的汽車組合開關(guān)。由于采用CAN 總線通訊的組合開關(guān)只使用兩根線進(jìn)行通訊，不僅可提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶惭b便捷性，同時可減少線束的使用。使用者應(yīng)用該組合開關(guān)時，只需將組合開關(guān)主節(jié)點(diǎn)連接到車內(nèi)CAN總線上，根據(jù)需要連接部分從節(jié)點(diǎn)，便可檢測多個開關(guān)節(jié)點(diǎn)的按鍵狀態(tài)。不僅可減少線束使用，方便車內(nèi)布線，而且易于擴(kuò)展，可至少連接30個開關(guān)節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展的各從節(jié)點(diǎn)上的開關(guān)信號的對應(yīng)功能可由使用者根據(jù)需要在汽車電控單元自行定義。該組合開關(guān)還設(shè)計(jì)低功耗模式，具有休眠、喚醒功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該組合開關(guān)由一個主節(jié)點(diǎn)和多個開關(guān)從節(jié)點(diǎn)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。基于STM32 系列微控制器的主節(jié)點(diǎn)作為組合開關(guān)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各開關(guān)節(jié)點(diǎn)與汽車電控單元間的通訊。主節(jié)點(diǎn)一方面通過串行通訊總線檢測各開關(guān)節(jié)點(diǎn)的按鍵狀態(tài)，并將電控單元的工作指示傳送給各開關(guān)節(jié)點(diǎn)。另一方面通過CAN 總線與汽車電控單元通訊，上傳實(shí)時檢測的按鍵狀態(tài)。汽車電控單元根據(jù)接收到的按鍵狀態(tài)操作相應(yīng)的設(shè)備，并將設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)通過主節(jié)點(diǎn)反饋給各開關(guān)節(jié)點(diǎn)作為工作指示。

圖1 組合開關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)是組合開關(guān)的核心，由STM32 最小系統(tǒng)、電源模塊、CAN 收發(fā)單元及串行通訊電平轉(zhuǎn)換電路組成。主節(jié)點(diǎn)采用ST 公司Cortex-M3 內(nèi)核的32 位閃存微處理器STM32F103C8T6［5］，其內(nèi)部集成了CAN 控制器和串行通訊接口。該處理器具有3種低功耗模式:睡眠模式、停止模式和待機(jī)模式，在停止模式，其功耗可以低至幾十個微安。

2.1 電源模塊

整車為組合開關(guān)提供的電源為24 V，經(jīng)過可調(diào)輸出穩(wěn)壓器LM2576D2T_ADJR4G 降壓后給各開關(guān)節(jié)點(diǎn)及主節(jié)點(diǎn)上的5 V 芯片供電。LM2576 的工作電路如圖2 所示。LM2576 具有7 V～45 V 寬輸入電壓范圍，TTL 關(guān)斷能力［6］。其最大輸出電流有3 A，這樣的帶載能力保證系統(tǒng)可以連接至少30個開關(guān)節(jié)點(diǎn)。組合開關(guān)進(jìn)入休眠模式后，主要功耗為穩(wěn)壓器的靜態(tài)功耗，為降低系統(tǒng)的休眠功耗，筆者在設(shè)計(jì)中使用NE555 定時器控制LM2576 的使能引腳，使其在系統(tǒng)休眠期間間歇式工作。在系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式前，STM32 輸出NE555 使能信號，使NE555 工作輸出一定占空比的定時信號POWER_OFF，控制LM2576 使其定時關(guān)斷，在其關(guān)斷期間使用1 000 μF 電容儲能為進(jìn)入休眠狀態(tài)的組合開關(guān)主從節(jié)點(diǎn)供電。

圖2 電源模塊電路

2.2 通信模塊

CAN 總線自20 世紀(jì)80年代初由Bosch 公司開發(fā)以來，迅速得到廣泛應(yīng)用，成為汽車領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的總線標(biāo)準(zhǔn)［7-8］。汽車內(nèi)部有2 條CAN 通訊線(CANH和CANL)貫通車身，構(gòu)成CAN 網(wǎng)絡(luò)的主干通訊通道，所有CAN 節(jié)點(diǎn)可以掛接在主通道的任意位置。該組合開關(guān)也設(shè)計(jì)了CAN 總線通訊接口，可以作為一個獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，直接掛在總線上。STM32F103C8T6 內(nèi)部集成了CAN 控制器，只需外加CAN 收發(fā)器即可工作。本研究選用CAN 收發(fā)器NCV7340D12R2G［9］，該器件具有正常和靜默2種工作模式，由8 號引腳控制，在靜默模式下其典型功耗僅為10 μA。

主節(jié)點(diǎn)與開關(guān)節(jié)點(diǎn)采用UART 串行通訊，接口采用三線制，分別是5 V 電源線、信號線和地線。為了防止電源線上的傳導(dǎo)干擾引入通信線路，本研究使用單獨(dú)的信號線通訊，另外為了減少線束，收、發(fā)數(shù)據(jù)共用一根信號線。信號線上采用24 V 的電壓通信，以提高信號傳輸過程的抗干擾能力，主節(jié)點(diǎn)和開關(guān)節(jié)點(diǎn)各設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路，將24 V 的信號，分別轉(zhuǎn)換為3.3 V和5 V 的串行通訊信號，送給各自的主控制芯片。

主節(jié)點(diǎn)串行接收電平轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示，VIN為信號線。當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號為5 V 高電平時，經(jīng)過從節(jié)點(diǎn)內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換電路將信號轉(zhuǎn)換為24 V 在信號線上傳輸，VIN 端為24 V 高電平，此時圖3 中三極管Q3、Q4都截止，主節(jié)點(diǎn)串行接收引腳USART2_RX上為3.3 V 高電平。反之，所有三極管都導(dǎo)通，USART2_RX 上為低電平。主節(jié)點(diǎn)串行發(fā)送端到開關(guān)節(jié)點(diǎn)的接收端也有類似的電平轉(zhuǎn)換電路。這樣設(shè)計(jì)的目的主要是為了使三極管在串行通訊空閑時的高電平下都關(guān)斷，降低通訊線路上的功耗。

圖3 主節(jié)點(diǎn)串行接收電平轉(zhuǎn)換電路

2.3 開關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

開關(guān)節(jié)點(diǎn)包含串行通訊電平轉(zhuǎn)換電路、按鍵輸入電路及背光燈控制電路。主控芯片采用宏晶公司的51 單片機(jī)STC11F02［10］。該芯片成本低且滿足低功耗要求，在休眠模式下最低功耗為0.1 μA［11］。除了2個外部中斷信號可將CPU 從掉電模式喚醒，還有3個復(fù)用引腳信號，分別是2個定時/計(jì)數(shù)器信號輸入引腳INT/T0/P3.4、INT/T1/P3.5和串口接收引 腳INT/RxD/P3.0［12］，為開關(guān)節(jié)點(diǎn)休眠、喚醒功能的硬件設(shè)計(jì)提供了方便的選擇。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的按鍵檢測電路中，通過π 型濾波電路在硬件上提前給按鍵輸入做消抖處理，外加起保護(hù)作用的壓敏電阻，防靜電浪涌和尖脈沖。按鍵背光燈由51 單片機(jī)STC11F02 控制，通過定時器中斷在其控制引腳產(chǎn)生PWM 輸出，經(jīng)過硬件上的二階濾波電路濾掉交流分量，留下直流分量，實(shí)現(xiàn)亮度可調(diào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主節(jié)點(diǎn)程序

組合開關(guān)主節(jié)點(diǎn)通過輪詢的方式查詢各開關(guān)節(jié)點(diǎn)的按鍵狀態(tài)，每個開關(guān)節(jié)點(diǎn)都有相應(yīng)的地址編號。主節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4 所示，系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，包括時鐘、定時器、外部中斷、串行中斷、CAN 控制器等。

圖4 主節(jié)點(diǎn)程序流程圖

主節(jié)點(diǎn)給開關(guān)節(jié)點(diǎn)的指令有4種，分別是在線節(jié)點(diǎn)查詢指令、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)查詢指令、工作指示指令及休眠指令。組合開關(guān)主節(jié)點(diǎn)會定時對所有預(yù)留的地址口進(jìn)行在線節(jié)點(diǎn)查詢，若某地址上有節(jié)點(diǎn)，則會收到該地址上開關(guān)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，之后主節(jié)點(diǎn)只對在線的節(jié)點(diǎn)發(fā)送按鍵狀態(tài)查詢和硬件工作指示指令。休眠命令采用廣播的方式，各開關(guān)節(jié)點(diǎn)收到休眠命令后停止串行通訊，進(jìn)入休眠狀態(tài)。主節(jié)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行休眠命令廣播和在線節(jié)點(diǎn)查詢，直至確認(rèn)所有地址口上都無節(jié)點(diǎn)在線后才進(jìn)入休眠狀態(tài)。需要注意的是由于收、發(fā)共用一根信號線，開關(guān)節(jié)點(diǎn)在收到休眠指令后要先關(guān)閉串口，進(jìn)入掉線狀態(tài)，以備主節(jié)點(diǎn)查詢確認(rèn)是否所有節(jié)點(diǎn)都已掉線，開關(guān)節(jié)點(diǎn)延時待主節(jié)點(diǎn)先休眠后，再進(jìn)入休眠狀態(tài)，以免提前休眠而被串口接收引腳上的外部中斷喚醒。

3.2 開關(guān)節(jié)點(diǎn)主程序

各開關(guān)節(jié)點(diǎn)初始化后，通過串行中斷接收主節(jié)點(diǎn)的指令。開關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5 所示。系統(tǒng)收到指令后先校驗(yàn)地址編號，判斷若為該節(jié)點(diǎn)的地址，則對收到的指令進(jìn)行解析處理，根據(jù)收到的指令類型作相應(yīng)的響應(yīng)或操作。當(dāng)汽車電控單元給組合開關(guān)發(fā)休眠指令時，組合開關(guān)主節(jié)點(diǎn)和各開關(guān)節(jié)點(diǎn)后先后進(jìn)入休眠狀態(tài)。系統(tǒng)休眠后既可以通過汽車電控單元發(fā)送CAN 信號到STM32F103C8T6 的外部中斷由上而下地喚醒組合開關(guān)，也可以通過組合開關(guān)里的任意開關(guān)節(jié)點(diǎn)按鍵按下產(chǎn)生的外部中斷，由下而上地喚醒整個系統(tǒng)。

圖5 開關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 測試結(jié)果

經(jīng)過軟、硬件結(jié)合調(diào)試，該組合開關(guān)帶30個節(jié)點(diǎn)時，采用9 600 bit/s 的波特率可以可靠通信，檢測到各個開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的按鍵狀態(tài)。在系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式時，本研究通過設(shè)置使主節(jié)點(diǎn)上的 CAN 收發(fā)器、STM32F103C 及所有開關(guān)節(jié)點(diǎn)都進(jìn)入掉電模式，系統(tǒng)功耗為7.3 mA，而各芯片的待機(jī)功耗都為微安級，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，此時主要為LM2576 的靜態(tài)功耗。為降低組合開關(guān)的休眠功耗，加入NE555 延時調(diào)壓節(jié)能電路。在系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式前，STM32 輸出NE555 使能信號，使NE555 工作輸出一定占空比的定時信號，控制LM2576 使其定時關(guān)斷，在其關(guān)斷期間使用1 000 μF電容儲能為進(jìn)入休眠狀態(tài)的系統(tǒng)供電。

NE555 工作電路如圖6 所示。其中D2、D3為二極管，NE555 使能后，C1、C2通過R2、D2構(gòu)成的RC 回路充電，當(dāng)達(dá)到THR 的閾值電壓時，NE555 的OUT和DISC 引腳輸出低電平。之后C1、C2通過R3、D3構(gòu)成的RC 回路放電，當(dāng)達(dá)到TRIG 信號的閾值低電壓時，NE555 的OUT和DISC 引腳輸出高電平。通過C1、C2周期性地充、放電，使NE555 輸出一定時信號。調(diào)節(jié)R2、R3的阻值可調(diào)節(jié)C1、C2充、放電時間，即可設(shè)置NE555 輸出的定時信號占空比。

圖6 NE555 工作電路

經(jīng)測試，系統(tǒng)休眠功耗與NE555 定時器輸出信號的占空比關(guān)系如表1 所示?？梢娬伎毡仍叫?，即LM2576 間歇性工作的時間越短，組合開關(guān)休眠功耗越低。需要注意的是，1 000 μF 電容儲能有限，測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)NE555 輸出占空比小于1/6時，由于供電不足，系統(tǒng)產(chǎn)生掉電復(fù)位，不能保持休眠狀態(tài)，因此目前系統(tǒng)的最低功耗調(diào)到了3.8 mA。應(yīng)用時也可以通過換用更大容值的2 000 μF 儲能電容，將系統(tǒng)功耗調(diào)至更低的3.2 mA，此時已達(dá)到臨界值，之后再往下調(diào)占空比，系統(tǒng)功耗不會再下降，甚至?xí)捎诠╇姴蛔銌拘研菝吣Ｊ健?/p>

表1 低功耗測試結(jié)果

5 結(jié)束語

該組合開關(guān)改變了傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)控制方式，主節(jié)點(diǎn)與汽車電控單元采用CAN 總線通訊，主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)采用單信號線通訊，減少線束使用，方便車內(nèi)布線。不僅易于擴(kuò)展，可以掛載至少30個開關(guān)節(jié)點(diǎn)，且在設(shè)計(jì)的過程中考慮了實(shí)際應(yīng)用的低功耗、低成本的要求，在軟件和硬件上進(jìn)行了有效的低功耗設(shè)計(jì)和處理。經(jīng)測試，其性能良好，在休眠模式下功耗設(shè)計(jì)僅為3.8 mA。

目前在歐美的每輛汽車上都至少有一個CAN 節(jié)點(diǎn)，我國在CAN 總線領(lǐng)域起步較晚，但市場潛力很大。現(xiàn)今車身網(wǎng)絡(luò)大多只應(yīng)用于中高檔車，自主汽車品牌的車輛大多價格低廉，大多數(shù)這類汽車還采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)控制方式，尚未采用CAN 總線產(chǎn)品，而進(jìn)一步的發(fā)展趨勢是把車身網(wǎng)絡(luò)推廣向中檔、經(jīng)濟(jì)型轎車甚至農(nóng)用運(yùn)輸車。隨著民族品牌的發(fā)展，汽車工業(yè)的發(fā)展和科技水平的提高，產(chǎn)品的不斷進(jìn)步，對CAN 總線應(yīng)用的需求也越發(fā)迫切。基于CAN 總線接口的低功耗、低成本汽車組合開關(guān)具有一定的應(yīng)用價值。

［1］南金瑞，劉波瀾.汽車單片機(jī)及車載總線技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2005.

［2］王 鑫.組合開關(guān)中燈控開關(guān)的失效原因及解決方案［J］.汽車電器，2009(9):29-31.

［3］馬春紅，王旭東，呂寶良，等.基于CAN/LIN 總線的車燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11(1):116-119.

［4］東風(fēng)汽車有限公司.一種基于LIN 總線的新型汽車組合開關(guān):中國，200620099701［P］.2006-10-31.

［5］巍 巍，李澤滔.CAN 總線汽車組合開關(guān)體系的研究與開發(fā)［J］.中國西部科技，2009，23(8):36-37.

［6］張 志.CAN/LIN 混合車身網(wǎng)絡(luò)在東風(fēng)載貨車上的開發(fā)及應(yīng)用［D］.北京:清華大學(xué)汽車工程學(xué)院，2006.

［7］宋 立.基于CAN 總線的車身網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.上海:上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，2008.

［8］付 曉.CANBUS 總線在組合開關(guān)及其監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電氣開關(guān)，2012，50(5):67-68.

［9］凡海峰.基于CAN 總線的汽車車身控制系統(tǒng)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，2009.

［10］蔣淑霞，韓志剛，周永軍.基于CAN/LIN 總線車身網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)與CAN 通信實(shí)現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011(6):48-51.

［11］劉紅麗.基于RS485 總線的組合開關(guān)保護(hù)測控系統(tǒng)［J］.電氣開關(guān)，2010，48(4):75-77.

［12］崔儲斌，周孟然.基于ARM 的智能組合開關(guān)的研究［J］.科技咨詢，2008(18):1-3.