王 鵬，韓躍平，文洪奎 ，景冰潔

（1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051；2.東方久樂汽車電子（上海）股份有限公司，上海 200000）

汽車工業(yè)是國家一大支柱產(chǎn)業(yè)，汽車行業(yè)涉及眾多科技技術(shù)，安全氣囊控制、防撞系統(tǒng)、車窗防夾等等，汽車眾多技術(shù)的國產(chǎn)化任重道遠(yuǎn)。汽車產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，涉及到諸多專利技術(shù)，大部分的專利權(quán)在國外，即使現(xiàn)有的尾門控制系統(tǒng)有許多經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)或方法，但專利昂貴，并且國外及外資企業(yè)實(shí)行專利保護(hù)與技術(shù)封鎖，所以國產(chǎn)汽車自主知識產(chǎn)權(quán)的國有化，應(yīng)用于吉利等國產(chǎn)汽車上，具有重要的國民經(jīng)濟(jì)意義。釋放客戶雙手，基于接近感應(yīng)的腳部動作識別來控制尾門是當(dāng)前汽車尾門控制的研究熱點(diǎn)，腳踢控制器是汽車后尾門自動控制的核心部分。

當(dāng)前國內(nèi)裝配有腳踢功能的汽車車型，大部分都是由麥格納國際、博澤集團(tuán)、貝肯霍夫等汽車零件龍頭企業(yè)作為產(chǎn)品供應(yīng)商，這就導(dǎo)致了國內(nèi)汽車腳踢功能的裝配成本高、普及程度低的現(xiàn)狀。為此，設(shè)計(jì)了一種基于PSoC和LIN總線的汽車腳踢控制器，利用PSoC可編程嵌入式系統(tǒng)控制器內(nèi)部專用的電容感應(yīng)模塊來實(shí)現(xiàn)電容的快速測量與處理，通過LIN總線通信將準(zhǔn)確的尾門請求信號發(fā)送至BCM，實(shí)現(xiàn)汽車尾門的腳踢控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 腳踢控制器系統(tǒng)功能

PSoC內(nèi)部集成了豐富的模擬和數(shù)字模塊，外圍電路功能都可以在芯片內(nèi)部完成，降低了系統(tǒng)成本及復(fù)雜性，極大提高了開發(fā)效率[1]。汽車腳踢控制器需由PSoC主控制器和2個(gè)腳踢傳感器共同組成，系統(tǒng)測量框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)測量框圖Fig.1 System measurement diagram

由系統(tǒng)測量框圖可知，安裝于汽車后保險(xiǎn)杠內(nèi)壁的腳踢傳感器進(jìn)入活躍狀態(tài)后，經(jīng)由電容信號輸入電路的濾波降噪，PSoC主控制器內(nèi)部集成的專用電容感應(yīng)模塊會通過掃描2個(gè)腳踢傳感器采集到2組表示腳踢傳感器感應(yīng)磁場區(qū)域內(nèi)電容變化的數(shù)據(jù)，主控制器觸發(fā)算法，通過對2組電容數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否為指定的踢腳動作所引發(fā)，產(chǎn)生準(zhǔn)確的后尾門請求信號，采用LIN總線通信方式實(shí)現(xiàn)腳踢控制器與BCM信息交互，完成汽車尾門的腳踢控制，給用戶帶來智能化體驗(yàn)。

兩個(gè)腳踢傳感器在汽車后保的安裝位置如圖2所示，上方傳感器定義為腳踢傳感器2，近地傳感器定義為腳踢傳感器1。

1.2 PSoC主控的電容感應(yīng)原理

電容板兩塊相鄰的覆銅之間存在著寄生電容CP，當(dāng)把其中一塊覆銅連接到PSoC的模擬I/O上，另一塊連接到地上，當(dāng)有導(dǎo)體接近電極時(shí)，導(dǎo)體和覆銅之間產(chǎn)生新的電容，這些電容等于并聯(lián)在CP上，隨著導(dǎo)體的遠(yuǎn)近產(chǎn)生的電容會發(fā)生變化，則可通過電容的變化檢測導(dǎo)體的存在與動作。

圖2 腳踢傳感器安裝示意圖Fig.2 Kick sensor installation diagram

式中：ε0為空氣介電常數(shù)；εr為極板之間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；A為極板的有效面積，m2；d為兩極板間距，m。

CF為導(dǎo)體電容，當(dāng)腳踢傳感器感應(yīng)到導(dǎo)體存在，導(dǎo)致式中d，A發(fā)生改變，電容量CF也就跟著改變，再基于一定的測量電路將其轉(zhuǎn)化為電壓、電流或頻率等電信號輸出，就能夠根據(jù)輸出的電信號來判斷被測物理量的大小。在控制器的設(shè)計(jì)過程中，用戶可以單獨(dú)調(diào)整電容感應(yīng)的靈敏度，從而調(diào)整腳踢傳感器磁場感應(yīng)區(qū)域[2-3]。

傳感器墊片與導(dǎo)體之間的電容值為

2 硬件設(shè)計(jì)

PSoC芯片內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)采集需要的各種數(shù)字、模擬模塊和通信接口，使得傳感器采集板所需的外圍芯片大為減少，硬件電路大為簡化[4-5]。本設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括PSoC主控芯片連接電路和LIN通信電路等。

選用Cypress公司PSoC系列32位ARMCortex-M0內(nèi)核的CY8C4240AXI單片機(jī)，引腳P1_2、P1_3連接腳踢傳感器，在編譯過程中被配置為CSD（CapSense Sigma Delta）模塊輸入端。單片機(jī)內(nèi)部存儲著腳踢控制器的控制程序、LIN協(xié)議控制程序。引腳P3_0、P3_1作為通用異步收發(fā)協(xié)議（UART）所定義的串行異步接口與LIN收發(fā)器通信。

LIN是一種低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制，LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)（例如CAN總線）提供輔助功能[6-7]。LIN總線收發(fā)器是連接LIN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，在LIN網(wǎng)絡(luò)中是主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)所必需的器件[8-9]。采用TJA1028芯片進(jìn)行LIN通信收發(fā)器接口設(shè)計(jì)，作為PSoC主控制器與LIN總線之間的物理連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

腳踢模塊的軟件部分主要包括PSoC的CSD模塊和LIN Slave模塊。腳踢控制模塊程序流程如圖3所示。

圖3 腳踢控制器程序流程Fig.3 Kick controller program flow chart

3.1 腳踢控制器初始化

根據(jù)腳踢控制模塊程序流程可知，首先要進(jìn)行的是端口、CSD傳感部件參數(shù)等初始化，具體設(shè)置如表1所示。

表1 控制器的閾值參數(shù)Tab.1 Controller threshold parameter

初始化成功后，在腳踢傳感器感應(yīng)磁場區(qū)域發(fā)生電容變化，傳感器處于活躍狀態(tài)，控制器掃描2個(gè)腳踢傳感器后，得到2組具有上升沿和下降沿的表示電容變化的信號，稱之為傳感器數(shù)據(jù)（raw）?？刂破魍ㄟ^傳感器數(shù)據(jù)與電容模塊基準(zhǔn)線的差值得到傳感器信號（differ）。

3.2 腳踢信號判定

在控制器的設(shè)計(jì)過程中，規(guī)定在距離后汽車保險(xiǎn)杠約10 cm左右，平腳深踢動作是標(biāo)準(zhǔn)的踢腳動作，執(zhí)行時(shí)間為2 s?？刂破鬟M(jìn)入正常工作模式后，觸發(fā)算法得到2組變化的傳感器數(shù)據(jù)與傳感器信號，按時(shí)間將腳部動作分割為踢入與踢出兩部分，以此主觀地對傳感器數(shù)據(jù)與傳感器信號進(jìn)行離散化，給定 n 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（xi，yi）（i=0，1，...，n-1），用直線 y=ax+b來做回歸分析，其中a，b為回歸系數(shù)，采用最小二乘法來確定，使式（2）的值達(dá)到最小：

根據(jù)極值原理，a與b滿足下列方程：

從而解得：

踢入、踢出過程中傳感器數(shù)據(jù)的斜率按照式（3）、式（4）進(jìn)行計(jì)算，x為存儲時(shí)間，y為傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否為標(biāo)準(zhǔn)腳踢信號的算法分三步。

第一步 針對所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)踢腳動作與傳感器的安裝方式，傳感器1感應(yīng)到的電容變化始終比傳感器2的變化更明顯，故sum-differ1與sum-differ2差值為真，sum-differ為傳感器信號值的累加和。

第二步 針對兩腳踢傳感器所感應(yīng)到的動作是否唯一，a1-rasing與a2-rasing的差值應(yīng)小于兩上升斜率差值閾值，其中a1-rasing、a2-rasing為踢入、踢出過程中傳感器數(shù)據(jù)的上升沿斜率。

第三步 針對標(biāo)準(zhǔn)踢腳動作特性，判斷腳部在傳感器感應(yīng)區(qū)域進(jìn)入和離開的方式是否相似。a1-rasing與a1-falling的差值、a2-rasing與a2-falling的差值應(yīng)小于上升沿與下降沿斜率差值閾值，其中a1-fallinga、a2-falling為踢入、踢出過程中傳感器數(shù)據(jù)下降沿斜率的絕對值。

所有判斷都通過后，控制器判定該信號為標(biāo)準(zhǔn)腳踢信號，產(chǎn)生后尾門請求信號，通過LIN總線通信方式發(fā)送給BCM；如果任意一條不通過，控制器會在3 s之后進(jìn)入低功耗工作模式。

3.3 腳踢控制器的LIN通信設(shè)計(jì)

腳踢控制系統(tǒng)采用BCM作為主機(jī)模式，腳踢控制器作為從機(jī)模式，通過LIN總線把二者連接起來組成一個(gè)小的LIN網(wǎng)絡(luò)。腳踢模塊作為LIN通信網(wǎng)絡(luò)中的從機(jī)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收和響應(yīng)報(bào)文，從機(jī)節(jié)點(diǎn)的流程如圖4所示，首先對涉及的變量、輸入輸出端口以及驅(qū)動函數(shù)初始化。然后主機(jī)節(jié)點(diǎn)BCM采集本地各控制開關(guān)的狀態(tài)產(chǎn)生控制指令，并將指令發(fā)送轉(zhuǎn)換為LIN報(bào)文，通過LIN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給從機(jī)節(jié)點(diǎn)腳踢模塊，PSoC控制器接收到與自己相關(guān)的報(bào)文后對報(bào)文進(jìn)行拆解、解讀，根據(jù)獲得的指令判斷是否發(fā)出后尾門請求信號。

圖4 LIN通信流程Fig.4 LIN communication flow chart

腳踢控制器作為從機(jī)進(jìn)行信號幀定義主要有3幀，BCM_1（0x30）包括汽車行車模式信號，運(yùn)車模式、停車模式等；BCM_2（0x31）包括了汽車各個(gè)狀態(tài)信號，車型配置字信號等；HFA（0x39）包括了腳踢與主機(jī)BCM通信所需的腳踢信號與異常信號，腳踢信號、傳感器脫落信號等。

PSoC的LIN Slave模塊會發(fā)送一個(gè) “響應(yīng)錯(cuò)誤”的狀態(tài)來報(bào)告自己的狀態(tài)，BCM對腳踢控制器的“響應(yīng)錯(cuò)誤”進(jìn)行檢測[10]，當(dāng)接收到“響應(yīng)錯(cuò)誤”的值為“1”時(shí)，BCM將響應(yīng)的故障診斷代碼設(shè)置為測試失??；當(dāng)接收到“響應(yīng)錯(cuò)誤”值為“0”時(shí)，該診斷代碼被設(shè)置為通過。當(dāng)腳踢傳感器感應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)踢腳動作后，產(chǎn)生正確的后尾門請求信號，若LIN總線通信通過，則腳踢信號發(fā)送至BCM，后尾門自動開啟；若通信失敗，則進(jìn)入通信失敗狀態(tài)，4 s后模塊進(jìn)入低功耗模式。

3.4 腳踢控制器工作模式的切換

腳踢控制器主要有2種工作模式，正常工作模式和低功耗工作模式。低功耗工作模式下，PSoC主控制器處于睡眠模式，系統(tǒng)整體能耗極低，對汽車安全具有重要意義。汽車在一般狀態(tài)下腳踢控制器都處于低功耗工作模式，在腳踢傳感器進(jìn)入活躍狀態(tài)后，進(jìn)行控制器喚醒判斷，進(jìn)而進(jìn)入正常工作模式。

針對控制器的喚醒判斷，觸發(fā)算法后，每20 ms采集1次傳感器數(shù)據(jù)與傳感器信號，連續(xù)采集10次，通過對這2組數(shù)據(jù)的算法分析，判斷腳踢控制器是否滿足喚醒條件，該算法主要有2條原則：

（1）傳感器感應(yīng)順序的判斷，即腳踢傳感器1的傳感器數(shù)據(jù)始終高于腳踢傳感器2的傳感器數(shù)據(jù)；

（2）判斷通過2個(gè)傳感器每次采集到的differ值始終高于喚醒閾值。

如果2條原則都滿足，認(rèn)為模塊滿足喚醒條件，喚醒后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，觸發(fā)判斷是否為標(biāo)準(zhǔn)踢腳信號的算法；如果任一條原則未滿足，則模塊不喚醒，維持低功耗工作狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)上述測量原理搭建測試裝置，以驗(yàn)證系統(tǒng)一致性和后尾門請求信號的準(zhǔn)確性。在裝置下方進(jìn)行多種模擬工況下的傳感器數(shù)據(jù)與傳感器信號的采集，可以看到控制器通過腳踢傳感器可以穩(wěn)定地識別標(biāo)準(zhǔn)踢腳動作的發(fā)生，圖5～圖7分別為標(biāo)準(zhǔn)腳踢（平腳深踢）工況、干擾踢腳（平腳深橫掃）工況、人在裝置后方走動工況3種常見工況的傳感器數(shù)據(jù)。由圖5可以看出，人路過的過程中未能喚醒模塊。由圖6、圖7可以看出，實(shí)驗(yàn)裝置在檢測到腳部動作深橫掃和平腳深踢的過程中，腳踢控制器正常喚醒。

圖5 人走動Fig.5 Human walking

圖6 平腳深橫掃Fig.6 Flat foot sweep

圖7 平腳深踢Fig.7 Flat foot kick

在腳踢控制器由低功耗模式切換為正常工作模式后，對引起該變化的原因進(jìn)行分析，判斷是否為標(biāo)準(zhǔn)踢腳動作所誘發(fā)，由表2分析可知，在平腳深踢的動作下，sum-differ1與sum-differ2差值為真，a1-rasing與a2-rasing的差值小于兩上升沿斜率差值閾值，a1-rasing與 a1-falling的差值、a2-rasing與a2-falling的絕對值差值小于上升沿與下降沿斜率差值閾值，符合標(biāo)準(zhǔn)踢腳信號的判斷條件，故腳踢信號置位為01；在平腳深橫掃的動作下，sum-differ1與sum-differ2差值為真，a1-rasing與a2-rasing的差值大于兩上升沿斜率差值閾值，a1-rasing與a1-falling的差值、a2-rasing與a2-falling的絕對值差值小于上升沿與下降沿斜率差值閾值，不符合標(biāo)準(zhǔn)踢腳信號的判斷條件，故腳踢信號不置位。

表2 閾值計(jì)算結(jié)果Tab.2 Threshold calculation result

連續(xù)重復(fù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的踢腳動作，即腳從外側(cè)天線下方伸展到內(nèi)側(cè)天線下方并在2 s內(nèi)收回。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，腳踢控制器在不同工作模式下性能穩(wěn)定，腳踢傳感器在感應(yīng)到滿足閾值的電容變化后，控制器會喚醒，萬用表測量工作電流可知，休眠靜態(tài)電流為125 μA，喚醒后工作電流為4.1 mA；實(shí)驗(yàn)過程中，只有在標(biāo)準(zhǔn)踢腳動作發(fā)生后，PLIN上位機(jī)界面可以觀察到HFA_R_OperReq信號發(fā)生置位。

采用LIN總線報(bào)文顯示軟件來模擬BCM與腳踢控制器的通信，打開PLIN-View Pro，導(dǎo)入LDF文件后，打開LIN通信，在控制器感應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)踢腳動作后，可以檢測到HFA信號幀的腳踢信號HFA_R_OperReq置位為01，如圖8所示。

圖8 LIN總線報(bào)文Fig.8 LIN bus message

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種基于PSoC和LIN總線的汽車腳踢控制器。利用32位單片機(jī)CY8C4240AXI的專用電容感應(yīng)模塊，將傳感器感應(yīng)到的電容變化量進(jìn)行處理，開發(fā)設(shè)計(jì)簡單、成本低、體積小、性能穩(wěn)定。采用TJA1028芯片進(jìn)行LIN通信收發(fā)器設(shè)計(jì)，當(dāng)腳踢模塊感應(yīng)到正確的踢腳動作后，將準(zhǔn)確的后尾門請求信號通過LIN通信方式發(fā)送至BCM，實(shí)現(xiàn)對后尾門的控制，通信穩(wěn)定。腳踢控制器處于休眠模式時(shí)，功耗低，環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，未具有良好的功耗模式轉(zhuǎn)換功能。實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明，該控制器能夠準(zhǔn)確的識別踢腳動作，產(chǎn)生后尾門開關(guān)請求信號，正確的控制后尾門，可達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。