文/胡 珊（安徽華菱汽車有限公司）

一、基于CAN 總線的車身控制模塊的功用

CAN 總線是一種支持分布式和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，以其高性能和高可靠性在自動控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。隨著技術(shù)的進步，重型卡車上的電子控制器越來越多，基于CAN 總線環(huán)境下研制的車身控制模塊，是重型卡車上最基本的功能性控制器。該控制器的設(shè)置可實現(xiàn)重卡的整車信息共享，最優(yōu)化安排各類輸入輸出。通過總線，遵循一定的協(xié)議，不需要額外增加電路就可以讀取其他控制器的信號，如發(fā)動機ECU 的轉(zhuǎn)速脈沖信號、加速踏板的開度信號、變速箱檔位信號以及其他各類傳感器信號，也可采集儀表以及其他所需的信息并發(fā)送到總線。

二、重型卡車車身控制特點分析

基于CAN 總線開發(fā)的車身控制模塊為功率型器件，可以大功率輸出，內(nèi)部集成了多個繼電器，可節(jié)省外部繼電器，有效減少電磁干擾，優(yōu)化整車線束，減少故障風險點。除此之外，還具備故障報警、自保護、自恢復(fù)能力，車身控制模塊發(fā)生故障更換固件即可，保證了整車故障的可追溯性及整車系統(tǒng)的可維護性。

商用車重卡運營的環(huán)境較惡劣，運行過程中會有機械振動和化學(xué)腐蝕等，對車身控制模塊的安全可靠性提出了更高的要求。整車控制網(wǎng)絡(luò)中的各模塊依據(jù)就近原則進行分布式布置[2]，各個控制器模塊主要由主控制單元、信號輸入單元、功率輸出單元、通訊單元等組成。主控制單元對預(yù)處理過的信號進行運算處理，并將處理的信號輸出到功率模塊或CAN 總線；信號輸入單元接收傳感器、其他裝置及駕駛員輸入的信號，對信號進行前置處理；功率輸出單元將數(shù)字信號的驅(qū)動功率放大，有些被還原為模擬信號，使其驅(qū)動被控元件工作；通訊單元可收發(fā)數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)中各個模塊互相通訊。整車CAN 總線車身系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)框架如圖1 所示。

圖1 整車CAN 總線車身系統(tǒng)框架圖

三、車身控制模塊的作用

在車身控制系統(tǒng)中，車身控制模塊主要針對車架部分用電器的特性來設(shè)計。智能化設(shè)計能更有效、可靠地驅(qū)動負載，還大大減少了對整車電磁輻射[3]。該控制模塊還擔負著發(fā)動機及底盤上各開關(guān)傳感器的信息傳遞工作。

1.功率輸出

對照明系統(tǒng)進行功率輸出。車身控制模塊通過CAN總線上收取的駕駛室中信號采集器采集到的操控開關(guān)信號，進行判別之后向相應(yīng)照明燈進行供電，同時對通電電流進行實時檢測。當電流異常還可通過CAN 總線發(fā)送信號，然后通過儀表的顯示屏進行報警。

繼電器和電磁閥的功率輸出。車架上的感性負載如繼電器和電磁閥在開關(guān)的過程都能產(chǎn)生干擾汽車電氣系統(tǒng)正常運行的瞬變過電壓，這些瞬時電壓可達到1kV。在處理這些感性負載的功率輸出時必須設(shè)計去擾措施。

2.開關(guān)量及模擬量信號采集

車架上眾多的開關(guān)及傳感器產(chǎn)生的開關(guān)量及模擬量由車身控制模塊進行采集整理，并通過CAN 總線傳輸這些數(shù)據(jù)。車身控制模塊共需實現(xiàn)19 路燈光輸出（如前照明大燈、轉(zhuǎn)向燈、前后霧燈、剎車燈、倒車燈、夜間照明燈等），4 路繼電器控制輸出（總電源繼電器、啟動繼電器、進氣加熱繼電器等），3 路電磁閥輸出（排氣制動電磁閥、PTO 電磁閥、差速鎖電磁閥等），2 路其他用電器輸出。

四、車身控制模塊的硬件設(shè)計思路

1.基本組成

車身控制模塊是為了滿足車身（車架部分）控制架構(gòu)的擴展需求而設(shè)計的，它包括一個連接2 個CAN 網(wǎng)絡(luò)的接口、一些高電流硅開關(guān)輸出和20 多個開關(guān)輸入。主要包括以下五部分：主控制單元、電源模塊、開關(guān)量及模擬量的采集單元、功率電源輸出部分、通訊模塊。

模塊整體設(shè)計有14 路低端開關(guān)量輸入接口，4 路傳感器模擬信號接口，16 路2A 電流功率負載輸出接口，16路6A 電流功率負載輸出接口，2 路8A 電流功率負載輸出接口。所有輸出要求提供一個正電壓到負載，并帶有過流、過熱、短路、防反接等保護功能，并設(shè)計有輸出負載檢測及保護電路、1 個CAN2.0B（ISO11898 標準）通訊接口[4]。

2.硬件設(shè)計原則

經(jīng)濟合理。本模塊的開發(fā)必須兼顧重卡使用的經(jīng)濟性。近年來重卡對成本的要求越來越高，因此在開發(fā)設(shè)計時應(yīng)盡量選用性價比高的元器件。

安全可靠。本模塊主要是采集駕駛員對車身電器件的操控信號，并控制相關(guān)的電器件，如大燈、雨刮、門鎖等，因此在產(chǎn)品的設(shè)計和測試過程中，要保證產(chǎn)品設(shè)計的高可靠性[5]。

3.主控單元設(shè)計

車身控制模塊的核心是數(shù)字信號控制器MC9S12XHY256RMV1，它是16 位微控制器產(chǎn)品系列，具有低成本、高性能的特點，總線頻率最高為40MHz，具備脈寬調(diào)制（PWM）模塊和2 個定時器模塊（TIM0 和TIM1）。

4.晶振電路設(shè)計

MC9S12XHY256RMV1 的XTAL 引腳為片內(nèi)振蕩電路的輸入端，EXTAL 引腳為片內(nèi)振蕩電路的輸出端。設(shè)計采用10MHz 晶振，內(nèi)部PLL4 備頻。電容C75、C76 為補償電容，容值大小為22pF，如圖2 所示。

圖2 晶振電路

5.復(fù)位電路設(shè)計

通過鋁電解電路的充放電來使MCU 正常工作和復(fù)位，當上電或+5V 電源上升時，電源通過電阻給電容充電，正極端的電壓慢慢上升并穩(wěn)定在+5V，此時MCU 會處于正常工作狀態(tài)；當MCU 電源電壓掉電或者5V 電源跌落時，電容通過快速放電，這樣MCU 便能立即復(fù)位。

6.電源控制單元設(shè)計

重卡運營的環(huán)境較差，灰塵污染、化學(xué)腐蝕和電磁干擾較為嚴重，自身也會產(chǎn)生大量的電磁干擾；重卡電氣設(shè)備帶有大量耦合電感、電容等，會影響車輛車載電源的穩(wěn)定性，繼而影響到電子設(shè)備的工作，給電子設(shè)備造成不可恢復(fù)的故障。在進行電源控制單元的設(shè)計時，要充分考慮到上述問題。

7.電源控制單元芯片選擇

考慮整車安全，對整車電源要進行凈化處理。基于整車電路的設(shè)計，不可能完全消除干擾源，因此可以提升車載電源的抗干擾能力。正脈沖干擾目前采用吸收法進行濾波處理。針對負脈沖干擾，考慮到電容器件特性，可以并聯(lián)電容吸收負脈沖的能量，消除干擾。由于電器件特性及電壓平臺指標的不同，在選用電源芯片的時候，盡量使用寬電壓范圍的電源芯片。為此選擇了車載級的DC/DC芯片MPQ4420。該芯片具有4～30V 的輸入電壓范圍；36V 的汽車拋負載輸入瞬態(tài)容限；輸出可調(diào)，范圍為0.8～0.9V；驅(qū)動能力可達到2A 持續(xù)輸出，能滿足較多后端負載的需求。

圖3 24V 電源系統(tǒng)處理和轉(zhuǎn)換方案

8.電源控制單元電路設(shè)計

為使電源控制單元有良好的抗干擾能力，特擬定了一個24V 電源系統(tǒng)方案。系統(tǒng)包括防反接保護、浪涌保護、濾波電路和DC24V/DC 5V 處理等部分，如圖3 所示。

五、車身控制模塊的具體線路設(shè)計

1.開關(guān)量信號輸入單元設(shè)計

主模塊需要檢測相關(guān)控制開關(guān)，并根據(jù)開關(guān)動作輸出控制命令到對應(yīng)的模塊。車身檢測的開關(guān)包括：檔位開關(guān)、燈光開關(guān)、雨刮開關(guān)、發(fā)動機水溫過熱開關(guān)、牽引車制動開關(guān)、翻轉(zhuǎn)上下限位開關(guān)、玻璃升降開關(guān)等。各類開關(guān)信號連接到主控芯片的I/O 引腳上。

2.模擬量信號輸入單元設(shè)計

水位報警電路。主要由電源驅(qū)動電路、傳感器輸入信號處理電路、報警信號輸出驅(qū)動電路三部分組成。電源驅(qū)動電路為水位傳感器提供合適的驅(qū)動電源，驅(qū)動電源要求在一定溫度條件下精度較高，且具有反向保護、過流保護、過壓保護等功能。水位傳感器不直接由主控芯片處理，傳感器阻抗信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并經(jīng)濾波、整形、放大等電路的處理，當電壓超過電路設(shè)定的取值后驅(qū)動MOS 管，MOS 管輸出形成低驅(qū)信號接控制報警信號。

燃油液位傳感器采集電路。當燃油液位傳感器的阻抗未達到動作閾值時，此電路可以產(chǎn)生一個PWM信號，供主控芯片采集。當燃油液位傳感器的阻抗達到動作閾值時，信號被拉低，低電平信號被芯片采集。

機油壓力傳感器采集電路。機油壓力模擬信號通過取樣電阻接到主控芯片的模擬輸入口，通過內(nèi)部8 bit 精度的A/D 轉(zhuǎn)換器進行采樣。

3. 功率輸出單元設(shè)計

功率輸出單元芯片選型。本模塊負載中最重的是照明系統(tǒng)，選擇控制器件時對燈光系統(tǒng)的特性和實際保護也作了考慮。選用了英飛凌智能功率器件，并根據(jù)實際燈光系統(tǒng)的特點設(shè)計了汽車燈光控制單元。所采用的智能功率型器件具有自保護和自恢復(fù)的功能，如過流保護和過載保護等，因此整車線束減少了保險絲和繼電器。本單元還具有故障診斷的功能，可根據(jù)故障碼找出故障原因，有利于售后維修。采用微控制器輸出PWM信號來控制車燈的亮暗，不僅可以降低能耗，且可以延長燈泡的使用壽命，同時可設(shè)計延時熄滅等功能，更加人性化。

功率輸出電路設(shè)計。車身控制模塊也提供了多路繼電器驅(qū)動電路。使用了具有診斷功能的車身控制IC，利用專為負載設(shè)計的驅(qū)動器可以把這些負載集成到系統(tǒng)中去。本設(shè)計中選用了BTS6143D 芯片，可以直接驅(qū)動燈類負載或多路繼電器控制的負載。

通訊單元設(shè)計。通訊單元采用了CAN 收發(fā)器MCP2551，符合ISO11898 標準，數(shù)據(jù)率可達1Mbps，可承受±250V的瞬態(tài)電壓和±40V的短路電壓。車身控制模塊集成有120Ω 終端電阻，連接在CAN-H和CAN-L之間。

六、結(jié)語

本文介紹了車身控制模塊的硬件設(shè)計與開發(fā)過程，根據(jù)整車控制需求給出了模塊需實現(xiàn)的車身控制功能，敘述了模塊內(nèi)各功能系統(tǒng)的控制芯片的功能及主控制電路、電源電路、信號采集電路、功率輸出電路、CAN 通訊電路的設(shè)計，從而確定了車身控制硬件設(shè)計方案。