張文斌，張玲華，秦延隆，劉召洋，張?zhí)m蘭，韓慶福

（中國重汽技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟南 250101）

目前國內(nèi)重型載貨汽車的后尾燈控制主要通過繼電器或車身中央控制單元。繼電器控制存在使用線束數(shù)量較多、驅(qū)動方式不可靠、可維護性較差等缺陷；車身中央控制單元控制存在功率驅(qū)動端易發(fā)生過載過流導致的熱損傷，以致燒毀整個控制單元，導致故障率提高，降低了整個電氣系統(tǒng)的可靠性。使用后尾燈控制器進行尾燈的驅(qū)動及診斷，需要解決由于前照燈功率較大，工作時間長可能會導致的電路板過熱，電流過大導致熱損等問題。在驅(qū)動與邏輯控制分離的情況下，完全可以通過良好的硬件電路設(shè)計，避免這種缺陷的發(fā)生。

汽車尾燈控制器的開發(fā)基于車身分布式控制策略，將尾燈的驅(qū)動和控制分離開來，尾燈控制器負責尾燈的驅(qū)動及診斷，各模塊間通過CAN通信的方式，替代繼電器和集中式的車身控制方式，減少了線束使用數(shù)量，降低了整車質(zhì)量，具有更高的可擴展性及穩(wěn)定性，也便于車身控制系統(tǒng)的維護。目前VOLVO、奔馳等公司已采用這種分布式控制策略，在某些車型或高配車型上使用尾燈控制器進行尾燈的驅(qū)動及診斷。隨著整車電氣系統(tǒng)的復雜化，使用CAN通信的分布式電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以共享的方式傳送數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字通信和控制功能，已經(jīng)成為車輛電子電氣的發(fā)展趨勢，尾燈控制器的開發(fā)正是符合這種控制架構(gòu)，已經(jīng)成為下一代重型載貨汽車尾燈控制的設(shè)計趨勢。

1 基于CAN總線的汽車尾燈控制器設(shè)計

1.1 總體思路

針對汽車尾燈控制器的設(shè)計定位要求，該控制器的主要功能包括主車的左／右后轉(zhuǎn)向燈、左／右后位置燈、制動燈、倒車燈及后霧燈的驅(qū)動及診斷反饋等。

當常電30電源及搭鐵線連接正常的情況下，基于CAN總線技術(shù)的汽車尾燈控制器可被I-CAN的相關(guān)CAN信息喚醒。汽車尾燈控制器被喚醒后，可從I-CAN獲取相關(guān)開關(guān)的狀態(tài)信息并按要求驅(qū)動相關(guān)燈具等。當其驅(qū)動的相關(guān)負載存在開路或?qū)Υ铊F短路故障時，汽車尾燈控制器可按要求向I-CAN發(fā)送相關(guān)故障信息，以通過儀表進行相關(guān)故障顯示或警示。基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)，汽車尾燈控制器連接到I_CAN線上，電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計方案

汽車尾燈控制器硬件系統(tǒng)主要由4部分組成，分別是電源模塊、MCU系統(tǒng)模塊、功率驅(qū)動模塊以及通信和外圍模塊等。電源模塊包含防反接功能、TVS瞬態(tài)抑制保護、阻性負載故障診斷、過載短路等智能關(guān)斷等功能；MCU系統(tǒng)模塊包含A／D采集、通用輸入輸出控制、CAN、SCI、BDM等通信接口；功率驅(qū)動模塊包含功率驅(qū)動控制、驅(qū)動電流反饋、故障診斷、智能關(guān)斷等功能；通信和外圍模塊包括開關(guān)量輸入采集、CAN驅(qū)動器保護、BDM和SCI接口等。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.1 MCU的選擇

MCU是汽車尾燈控制器的核心，它負責數(shù)據(jù)的采集和處理、邏輯運算以及控制等，MCU的選取是整個硬件設(shè)計過程中最重要的任務(wù)。選取NXP公司的MC9S08DZ60單片機，具備如下特點。

1）采用8位HCS08 CPU，核心運算能力可達到40 MHz，總線速度可達到20 MHz，采用HC08指令集，帶附加的BGND指令，支持最多32個中斷／復位源。

2）片內(nèi)集成了60KB FLASH，4KB RAM和2KB E2PROM，完全滿足程序?qū)Υ鎯臻g的要求。

3）外設(shè)接口，包括一路CAN2.0A／B協(xié)議的CAN接口、兩路異步串行通信接口、三路同步串行通信接口、24通道12位A／D接口、一路I2C總線接口、53個通用I／O口 （其中24個外部中斷功能）、8通道輸入捕捉／輸出比較／PWM輸出等。本控制器的單片機最小系統(tǒng)如圖3所示。

1.2.2 電源模塊

尾燈控制器的供電來自重型載貨汽車的蓄電池組，其標定電壓＋24 V。汽車在運行過程中，蓄電池工作電壓為9～32 V，電壓的不穩(wěn)定將導致尾燈控制器工作不正常。因此，在電源模塊的設(shè)計過程中，采用了寬電壓輸入范圍，高輸出精度的線性電源芯片TPS7B6950，6.5～40 V電源芯片正常工作，輸出電壓5 V，±2%精度，最大150 mA的工作電流，并具有短路、過流及溫度過載保護等功能。通過使用這款芯片及其外圍輔助電路 （主要是濾波電路），使得電源模塊供電穩(wěn)定可靠。電源模塊如圖4所示。

圖1 分布式控制系統(tǒng)電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 單片機最小系統(tǒng)

圖4 電源模塊

1.2.3 CAN通信模塊

MC9S08DZ60片內(nèi)集成了一路兼容CAN2.0A／B協(xié)議的MSCAN模塊，所以尾燈控制器的CAN通信模塊只需外加CAN收發(fā)器。CAN通信模塊采用了PHILIP公司的TJA1050收發(fā)器芯片。該芯片的波特率范圍是60 kb／s～1 Mb／s，它具有一個溫度保護電路，當與發(fā)送器連接點的溫度超過大約165℃時，會斷開與發(fā)送器的連接 （當總線短路時，更需此溫度保護電路）。 CAN通信模塊如圖5所示。

圖5 CAN通信模塊

1.2.4 功率驅(qū)動模塊

功率驅(qū)動模塊采用VND5T035AK驅(qū)動芯片，包含功率驅(qū)動控制、驅(qū)動電流反饋、故障診斷、智能關(guān)斷等功能。此控制器共采用4個驅(qū)動芯片，8路輸出，驅(qū)動能力劃分為連續(xù)驅(qū)動1 A （21 W／24 V）2路、連續(xù)驅(qū)動2 A （42 W／24 V）4路、連續(xù)驅(qū)動3 A（70 W／24 V）2路。具備開路、過載、短路故障檢測功能；具備過熱、過流、短路元器件保護功能；有驅(qū)動電流反饋；可選燈泡或發(fā)光二極管負載驅(qū)動類型。驅(qū)動模塊如圖6所示。

圖6 驅(qū)動模塊

1.3 軟件設(shè)計方案

尾燈控制器的軟件設(shè)計首先搭建底層的軟件層，它是外設(shè)底層驅(qū)動層，主要包含了常用的外設(shè)驅(qū)動，比如GPIO用于燈的控制，ADC用于開關(guān)量的檢測，存儲器用于存儲一些重要的掉電不能丟失的數(shù)據(jù)，CAN用于通信，PWM用于復雜外設(shè)的驅(qū)動，RTC構(gòu)造時基定時器，看門狗用于系統(tǒng)可靠運行的保全。

再次設(shè)計應(yīng)用層程序，應(yīng)用程序?qū)庸δ苌现饕酝庠O(shè)診斷、功率驅(qū)動、開關(guān)量檢測、CAN報文的收發(fā)、CAN報文故障、數(shù)據(jù)處理和時間管理為主。多任務(wù)時間管理層根據(jù)各個任務(wù)的要求，進行消息管理、任務(wù)調(diào)度、時間管理優(yōu)化等工作，根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級，動態(tài)地切換各個任務(wù)，保證對實時性的要求?；贛C9S08系列8位芯片的尾燈控制器軟件架構(gòu)如圖7所示。

當驅(qū)動開啟后，應(yīng)用程序以10 ms為周期，連續(xù)診斷（短路故障需檢測3個周期即30 ms，其他故障需要檢測4個周期即40 ms）。針對燈泡負載，通過診斷可以判別開路、過載、短路等故障，但是當電源電壓小于18 V時不做開路故障檢測；對于LED負載，通過診斷可以判別開路、短路等故障。診斷條件：控制命令為1即用戶開啟相關(guān)燈光，并且不存在短路故障，即燈光開啟后才能診斷。開路故障不關(guān)燈，過載故障不關(guān)燈，對搭鐵短路關(guān)燈。

圖7 基于MC9S08系列8位芯片的尾燈控制器軟件架構(gòu)

2 帶CAN功能的尾燈控制器的優(yōu)勢

1）帶CAN功能的尾燈控制器，CAN總線相對傳統(tǒng)線束的優(yōu)勢

傳統(tǒng)尾燈控制方式為后尾燈分線盒和控制線束，尾燈控制器的應(yīng)用，采用CAN線代替控制線束，可減少線束使用數(shù)量和體積，減少整車質(zhì)量并降低了生產(chǎn)成本，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和安裝便捷性，且擴展了汽車功能。

帶CAN功能的尾燈控制器，具備后尾燈的診斷保護功能，同時尾燈控制器檢測車輛尾部燈光故障狀態(tài)，并采集開關(guān)信號狀態(tài)將其反饋給車身控制器，將信息反饋給儀表，顯示相關(guān)故障信息及工作信息，駕駛員從儀表盤一目了然。

尾燈控制器可作為掛車模塊使用，為以后系統(tǒng)擴展配置掛車時，可增加掛車模塊來控制掛車后尾燈。

尾燈控制器易于測試，為形成自己的CAN總線測試規(guī)范，提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2）尾燈控制器的匹配的電氣系統(tǒng)架構(gòu)的先進性

尾燈控制器的自主開發(fā)，提高了整車電控設(shè)計的自主性、通用性和方便功能延展，可更好地滿足相關(guān)法律法規(guī)的使用及擴展需求，為整車網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)安全積累經(jīng)驗。

尾燈控制器的設(shè)計將車身中央控制器中的部分功能分離開來，尾燈控制器匹配的電氣系統(tǒng)架構(gòu)較車身中央控制單元電氣系統(tǒng)架構(gòu)成本較低，且降低了CAN線的負載率，信息傳輸更加可靠、穩(wěn)定。

尾燈控制器的開發(fā)設(shè)計能夠滿足布局的整車分布式控制的電氣系統(tǒng)架構(gòu)，通過軟硬件的匹配，可適配LED光源。

3）提供車身控制系統(tǒng)整套產(chǎn)品

布局整車車身分布式控制系統(tǒng)的電器系統(tǒng)架構(gòu)，規(guī)劃包括前模塊、駕駛室內(nèi)模塊、尾燈控制器等，為確保新開發(fā)模塊可靠、可用，采用逐步開發(fā)，分布實施的原則，首先開發(fā)車輛尾燈控制器，驅(qū)動后尾燈，驅(qū)動形式能兼容燈泡和LED負載，可更好地滿足市場的不同需求。通過本項目的實施，可逐步為企業(yè)研發(fā)安全、可靠、低成本的車身控制系統(tǒng)整套產(chǎn)品，提高企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力。

3 總結(jié)

重型載貨汽車掛車尾燈后裝市場情況比較復雜，掛車尾燈分普通白熾燈泡和LED燈。為應(yīng)對復雜的市場情況，尾燈控制器應(yīng)運而生。車輛尾燈控制器的主要功能是驅(qū)動后尾燈，可針對白熾燈泡和LED兩種發(fā)光類型的后尾燈，尾燈控制器通過EOL標定實現(xiàn)硬件電路電流診斷電路的切換，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種類型尾燈的開路、短路等故障診斷，實現(xiàn)兩種尾燈驅(qū)動兼容，且能夠更好地保護后尾燈，滿足市場的不同需求。LED是一種高效環(huán)保的新型半導體光源，有其它光源無法比擬的優(yōu)勢，在未來重型汽車照明應(yīng)用中前景廣闊，同時LED后尾燈也逐漸成為各主機廠出廠的首要選擇，尾燈控制器的應(yīng)用，完全滿足LED燈的使用要求。隨著LED后尾燈的普遍應(yīng)用，尾燈控制器的應(yīng)用也具有巨大的市場潛力。