鄭小帆，梁志剛，程來炯

(1.黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,安徽 黃山245041；2.昌輝汽車電器股份公司,安徽 黃山245436)

0 引言

汽車組合開關(guān)作為汽車電器配件的關(guān)鍵部件之一，其性能的優(yōu)劣影響著整車的性能。隨著汽車工業(yè)和電子技術(shù)的發(fā)展，組合開關(guān)也朝著電子化[1，2]，智能化方向發(fā)展[3]。從汽車線束角度分析，傳統(tǒng)的組合開關(guān)大多以硬線方式輸出，組合開關(guān)與其他模塊之間的連線復(fù)雜。在汽車使用的過程中線束連接問題也成為組合開關(guān)質(zhì)量問題中主要的一種失效模式[4]。同時(shí)模塊在信號(hào)采集的過程中存在的不匹配問題也是造成開關(guān)功能失效的重要原因之一，例如需要進(jìn)行AD采樣的信號(hào)在接觸電阻和采樣消抖時(shí)間上存在不匹配問題導(dǎo)致開關(guān)失效[5]。本文介紹了基于CAN總線通信的汽車組合開關(guān)[6，7]電子設(shè)計(jì)，該組合開關(guān)具有UDS診斷[8，9]、網(wǎng)絡(luò)管理[10]、Boot?loader[11-13]等功能，可以減少整車線束的使用，降低成本、提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性、減少與其他模塊存在的不匹配問題，降低了因不匹配導(dǎo)致的質(zhì)量問題發(fā)生的概率。另外組合開關(guān)可進(jìn)行故障模式的診斷，便于檢修和故障定位。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)以NXP的MC9S12G128和UJA1076芯片為核心，包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。硬件部分包括了開關(guān)的按鍵信號(hào)輸入電路、CAN信號(hào)收發(fā)電路、電源電路等。硬件電路框圖如圖1所示。軟件設(shè)計(jì)包括了功能信號(hào)輸出、UDS診斷、網(wǎng)絡(luò)管理、Bootloader等程序。開關(guān)信號(hào)通過MC9S12G128的IO口和AD口輸入，然后通過CAN信號(hào)發(fā)送給其他模塊。開關(guān)信號(hào)輸出只需要電源、地、CANH、CANL 4根線即可實(shí)現(xiàn)。

圖1 硬件電路框圖

2 組合開關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心器件選擇

核心控制芯片采用NXP公司16位高性能微控制器MC9S12G128，工作溫度范圍-40℃-125℃，可靠性高。該控制器具有8KB內(nèi)部RAM，128KB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，4KB內(nèi)部E2PROM，1路MSCAN外設(shè)用于CAN總線，12個(gè)10位A/D，3路SCI，總線時(shí)鐘可達(dá)25MHz。

2.2 電源和CAN通信模塊設(shè)計(jì)

整車為組合開關(guān)提供的電源電壓范圍為9-16V，要求在睡眠模式下的靜態(tài)電流小于1mA。綜合選取集成高速CAN收發(fā)器、電壓調(diào)節(jié)器和看門狗功能的UJA1076芯片。芯片可為微控制器提供最大電流250mA的5V電壓。具有極好的電磁兼容性(EMC)性能和極低的靜態(tài)電流，帶有喚醒源檢測(cè)，可通過CAN總線或本地喚醒引腳進(jìn)行喚醒。高速CAN收發(fā)器符合ISO11898-2和ISO11898-5標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 按鍵信號(hào)電路

組合開關(guān)的左右轉(zhuǎn)向燈信號(hào)、超車燈信號(hào)等電路有閉合和開路狀態(tài)，通過電阻上拉到電源，并增加100K限流電阻和IO的保護(hù)電容。圖2所示是芯片IO口的信號(hào)處理電路。

圖2 芯片IO口的信號(hào)處理電路

前雨刮開關(guān)包括快、慢、單次、關(guān)信號(hào)，采用電阻編碼形式，其信號(hào)輸入到單片機(jī)A/D口。圖3所示是AD口信號(hào)處理電路。

圖3 AD口信號(hào)處理電路

2.4 PCB設(shè)計(jì)

在電路原理圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)組合開關(guān)的線路板。根據(jù)已經(jīng)確定的電路板尺寸和各項(xiàng)機(jī)械定位，合理放置接插件、按鍵/開關(guān)、螺絲孔、裝配孔、鍍金盤等。為了盡可能滿足EMC要求，在PCB布線過程中要注意：1.CANH、CANL信號(hào)線盡量短，并要求平行等長(zhǎng)；2.布線避免直角和銳角；3.線中心間距不小于線寬的3倍；4.信號(hào)線與其回路構(gòu)成的環(huán)路面積盡量??；5.布線長(zhǎng)度盡可能短；6.時(shí)鐘信號(hào)線要用地線包圍。

3 軟件設(shè)計(jì)

組合開關(guān)的軟件功能設(shè)計(jì)包括休眠和喚醒、應(yīng)用功能、診斷、Bootloader等。

3.1 休眠和喚醒

開關(guān)在IGN斷電時(shí)，若遠(yuǎn)光燈信號(hào)為OFF、閃光燈信號(hào)為OFF、前雨刮MIST為OFF情況下，在一定時(shí)序內(nèi)未接收到CAN網(wǎng)絡(luò)管理的保持命令，組合開關(guān)模塊要進(jìn)入睡眠模式。開關(guān)在IGN斷電時(shí)，出現(xiàn)下列任一情況后組合開關(guān)被喚醒：接收到CAN網(wǎng)絡(luò)管理的喚醒命令、檢測(cè)到近光燈信號(hào)為ON、檢測(cè)到閃光燈信號(hào)為ON。

3.2 開關(guān)功能

開關(guān)的輸入處理邏輯提供以下功能：監(jiān)測(cè)開關(guān)的工作電壓，濾波，防止誤操作；物理信號(hào)到CAN信號(hào)的轉(zhuǎn)化；對(duì)邏輯信號(hào)的診斷監(jiān)控。開關(guān)信號(hào)關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 開關(guān)信號(hào)關(guān)系圖

3.3 UDS故障診斷

開關(guān)具備故障診斷功能，根據(jù)自檢測(cè)結(jié)果判斷是否產(chǎn)生故障，并將故障的狀態(tài)信息通過CAN總線發(fā)送給相應(yīng)模塊。故障自診斷的范圍包含CAN網(wǎng)絡(luò)通信BUSOFF故障，開關(guān)信號(hào)對(duì)地或?qū)﹄娫炊搪饭收?、開關(guān)卡滯故障、蓄電池電壓超過正常運(yùn)行范圍的異常情況等。自診斷的故障列表見表1。

表1 自診斷的故障列表

3.4 網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)管理的主要任務(wù)是保證網(wǎng)絡(luò)通信安全可靠。網(wǎng)絡(luò)管理包括直接網(wǎng)絡(luò)管理和間接網(wǎng)絡(luò)管理。直接網(wǎng)絡(luò)管理的基本功能包括協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同步進(jìn)入睡眠模式、檢測(cè)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的配置、提供系統(tǒng)狀態(tài)。根據(jù)《Open Systems and the Corre?sponding Interface for Automotive Electronics-OS?EK/VDX Network Management》中的算法建立邏輯環(huán)的通信機(jī)制。間接網(wǎng)絡(luò)管理主要包括網(wǎng)絡(luò)通信的啟動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)閉、節(jié)點(diǎn)監(jiān)控、錯(cuò)誤處理。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.5 Bootloader

Bootloader代碼是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼，它能實(shí)現(xiàn)用戶程序的引導(dǎo)啟動(dòng)和應(yīng)用程序更新兩個(gè)功能。上電/復(fù)位后，Bootloader部分的代碼首先被執(zhí)行。Bootloader執(zhí)行系統(tǒng)的初始化后，查詢是否有外部重編程的請(qǐng)求。若有外部重編程的請(qǐng)求，執(zhí)行Flash-Bootloader程序，若無外部重編程請(qǐng)求，檢查應(yīng)用程序的狀態(tài)。如果應(yīng)用程序有效，ECU正常執(zhí)行用戶應(yīng)用程序，如果應(yīng)用程序無效，ECU繼續(xù)執(zhí)行Flash-Bootloader程序，且Bootloader的默認(rèn)會(huì)話被激活。Bootloader功能的啟動(dòng)流程如圖6所示。

圖6 Bootloader啟動(dòng)流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的組合開關(guān)改變了傳統(tǒng)的硬線輸出方式，采用CAN總線通訊進(jìn)行信號(hào)傳輸，減少線束使用，方便車內(nèi)布線。在設(shè)計(jì)的過程中充分考慮了實(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(cè)試，其性能良好，在休眠模式下的靜態(tài)電流為0.3mA，滿足整車對(duì)組合開關(guān)的靜態(tài)電流要求。經(jīng)過軟、硬件結(jié)合調(diào)試，開關(guān)滿足主機(jī)CAN總線網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)要求、UDS診斷規(guī)范、OSEK網(wǎng)絡(luò)管理測(cè)試規(guī)范、電磁兼容性要求等技術(shù)規(guī)范。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和科技水平的提高，產(chǎn)品不斷進(jìn)步，基于CAN信號(hào)通信的汽車組合開關(guān)會(huì)不斷被接受，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。