鄭小帆, 龐寶麟

(1.黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 安徽 黃山 245041; 2.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110142)

汽車組合開關(guān)是汽車內(nèi)部重要的部件之一,主要作為燈光控制、雨刮控制的信號(hào)[1-2]輸入來源.隨著CAN總線[3-4]和嵌入式技術(shù)[5-6]的發(fā)展,汽車組合開關(guān)也從傳統(tǒng)的電阻或電壓信號(hào)輸出向總線輸出發(fā)展[7],組合開關(guān)更加電子化、智能化.傳統(tǒng)的組合開關(guān)主要為電阻或電壓信號(hào)輸出,但在與其他控制模塊連接過程中易出現(xiàn)信號(hào)不匹配問題.為了解決不同模塊不匹配的問題,研究帶通訊型的組合開關(guān)成為了一種趨勢(shì).劉文英等[8]應(yīng)用具有CAN 收發(fā)器的STM32系列芯片,研究開發(fā)了CAN總線組合開關(guān).隨著電動(dòng)汽車應(yīng)用的推廣,電動(dòng)汽車各項(xiàng)技術(shù)也得到了大力發(fā)展.電動(dòng)汽車的檔位[9]比傳統(tǒng)燃油車的擋位結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單,但單獨(dú)的電子換擋開關(guān)不僅占用電動(dòng)汽車空間,也增加了生產(chǎn)成本.因此,亟需將電動(dòng)汽車的換擋功能集成在組合開關(guān)上. 這不僅有效節(jié)約了汽車的內(nèi)飾空間,而且還降低了生產(chǎn)成本.

本文設(shè)計(jì)了一種集燈光雨刮、巡航和換擋手柄于一體的組合開關(guān),主要包括開關(guān)的電子硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分.通過實(shí)驗(yàn)和測(cè)試,驗(yàn)證了該組合開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定的功能,滿足汽車安全性、可靠性的要求.該組合開關(guān)集成了傳統(tǒng)組合開關(guān)和換擋開關(guān)的功能,在電動(dòng)汽車上具有較大應(yīng)用價(jià)值.

1 總體設(shè)計(jì)方案

組合開關(guān)由燈光雨刮手柄、巡航手柄和換擋手柄3部分組成.燈光雨刮手柄主要實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向燈、超車燈、遠(yuǎn)近光切換、前雨刮刮水(Off、AutoLow、AutoHigh、Low、High)、后雨刮刮水(Off、On)、后雨刮洗滌、前雨刮點(diǎn)動(dòng)(Mist)、前雨刮洗滌等功能信號(hào)輸出.巡航控制手柄要實(shí)現(xiàn)前撥(ACC、ICA、HWA開關(guān))、后撥(ACC、ICA、HWA取消)、上下?lián)?各兩檔,速度調(diào)節(jié))、側(cè)面旋鈕(5檔時(shí)距調(diào)節(jié))、頂端按鍵(智能限速)的功能信號(hào)輸出.懷擋手柄主要實(shí)現(xiàn)P/R/N/D擋位信號(hào)輸出和擋位的LED指示.控制原理圖如圖1所示.燈光雨刮手柄和巡航控制手柄為簧片接觸機(jī)構(gòu),滿足12×104次操作要求;換擋手柄為霍爾感應(yīng)非接觸結(jié)構(gòu),滿足50×104次操作要求.

圖1 組合開關(guān)控制原理圖

電子設(shè)計(jì)以S9S12G128F0CLF芯片為核心,包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì).硬件電路包括電源電路,燈光、雨刮手柄的電阻電壓信號(hào)輸入電路,換擋手柄的霍爾開關(guān)信號(hào)輸入電路,CAN信號(hào)收發(fā)電路,等.軟件設(shè)計(jì)包括UDS診斷、在線刷寫程序(Bootloader)、網(wǎng)絡(luò)管理、換擋控制功能、燈光雨刮手柄和巡航控制手柄信號(hào)發(fā)送功能等程序的編寫和調(diào)試.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心器件選擇

開關(guān)額定電壓12 V,工作電壓9～16 V,工作溫度-40～90 ℃,儲(chǔ)存溫度-40～95 ℃,相對(duì)濕度25%～75%,CAN網(wǎng)絡(luò)工作電壓7～18 V.工作電流消耗小于250 mA,靜態(tài)電流小于200 μA.組合開關(guān)控制器核采用NXP公司S9S12G128F0CLF型號(hào)單片機(jī).芯片具有12路10位AD口,1路MSCAN,24路IO口,工作溫度范圍為-40～125 ℃,滿足系統(tǒng)要求.電源電路和CAN信號(hào)收發(fā)電路選取集成高速CAN收發(fā)器、電壓調(diào)節(jié)器和看門狗功能的UJA1076芯片為核心芯片.芯片輸出電流最大為250 mA,待機(jī)模式和睡眠模式下電流極低,符合低功耗要求.芯片含CAN總線專用的低壓差調(diào)節(jié)器,有助于提高系統(tǒng)的EMC性能.芯片帶喚醒源檢測(cè)功能,可通過本地喚醒引腳或CAN信號(hào)進(jìn)行喚醒.

2.2 CAN信號(hào)電路

CAN信號(hào)電路如圖2所示.CANH和CANL信號(hào)線上的共模電感(600 Ω/100 MHz)L1,用于過濾差分信號(hào)的共模干擾;信號(hào)線上的C9和C13為47 pF的濾波電容,給干擾信號(hào)提供低阻抗的回流路徑,達(dá)到抗干擾能力.將終端電阻分為2個(gè)60 Ω再接4.7 nF的電容到GND,有助于濾除總線上的共模干擾.TVS2為瞬態(tài)抑制二極管,對(duì)CAN信號(hào)端口起到靜電防護(hù)的作用.

圖2 CAN信號(hào)電路

2.3 按鍵信號(hào)電路

燈光雨刮手柄和巡航控制手柄為簧片接觸機(jī)構(gòu),在不同的信號(hào)檔位時(shí),線路板對(duì)應(yīng)位置的鍍金盤導(dǎo)通,輸出相應(yīng)的電平信號(hào)到MCU的IO口或不同的電壓信號(hào)到MCU的AD口.芯片IO口的信號(hào)處理電路如圖3所示.AD電路如圖4所示.

圖3 IO口信號(hào)處理電路

圖4 AD口信號(hào)處理電路

換擋手柄為霍爾感應(yīng)非接觸結(jié)構(gòu),在手柄運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)上安裝一塊磁鐵,當(dāng)手柄運(yùn)動(dòng)到不同的擋位時(shí),下方線路板上相應(yīng)位置的霍爾芯片感應(yīng)到磁鐵,輸出高電平到MCU的IO口.霍爾信號(hào)處理電路如圖5所示.

圖5 霍爾信號(hào)處理電路

2.4 指示燈控制電路

換擋手柄實(shí)現(xiàn)擋位信號(hào)輸出功能和擋位顯示功能,在組合開關(guān)將擋位信號(hào)輸出后,需根據(jù)VCU反饋的信號(hào)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)擋位的指示燈.換擋手柄擋位的指示燈控制電路如圖6所示.當(dāng)MCU的控制端為高電平時(shí),工作指示燈LED被點(diǎn)亮,通過MCU輸出PWM信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)不同亮度的燈光控制.

圖6 指示燈控制電路

3 PCB設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)過程中,要與結(jié)構(gòu)件的尺寸匹配,定位孔、螺絲孔、鍍金盤、接插件等部分要與結(jié)構(gòu)圖一致.元器件放置要滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)的限高要求,且按信號(hào)流向擺放,防護(hù)濾波器件要靠近接口位置處緊湊整齊擺放.線路板布線時(shí)要避免出現(xiàn)直角或銳角,避免信號(hào)的衰減.共模電感及跨接電容要置于隔離帶中,隔離帶下方禁止走線.信號(hào)接口和接口濾波防護(hù)電路附近禁止布線和放置高速、敏感元器件.CAN_H/L的布線總長(zhǎng)度不超過10 cm.

4 軟件設(shè)計(jì)

組合開關(guān)的軟件設(shè)計(jì)主要包括開關(guān)信號(hào)處理、CAN通訊、UDS故障診斷、在線刷寫程序(Bootloader)、網(wǎng)絡(luò)管理等.

4.1 開關(guān)信號(hào)處理

開關(guān)燈光雨刮手柄、巡航手柄和換擋手柄的輸入信號(hào)進(jìn)行軟件消抖濾波處理后通過CAN信號(hào)輸出.換擋手柄的擋位請(qǐng)求邏輯見表1.

表1 擋位請(qǐng)求邏輯

4.2 CAN信號(hào)處理

CAN網(wǎng)絡(luò)采樣點(diǎn)設(shè)置在81.25%,網(wǎng)絡(luò)通信速率為500 kbit/s,數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8.高速CAN 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)采用Motorola 格式.開關(guān)信號(hào)處理包括按鍵信號(hào)掃描、按鍵信號(hào)處理、CAN報(bào)文處理、CAN報(bào)文發(fā)送等部分.按鍵信號(hào)處理流程如圖7所示.

圖7 按鍵信號(hào)處理流程

報(bào)文發(fā)送重復(fù)次數(shù)為3次,報(bào)文間隔時(shí)間為20 ms.當(dāng)新能源高速CAN總線出現(xiàn)異常狀況時(shí),需保證不對(duì)本地ECU功能產(chǎn)生影響.異常網(wǎng)絡(luò)狀況包括:總線錯(cuò)誤;一個(gè)或多個(gè)標(biāo)識(shí)符的報(bào)文(任何報(bào)文,任何數(shù)據(jù))占有100%的總線負(fù)載.ECU不干擾或不影響總線運(yùn)行,尤其是不影響其他節(jié)點(diǎn)間的通信,異常ECU狀況不應(yīng)影響剩余網(wǎng)絡(luò).ECU能處理異常網(wǎng)絡(luò)狀況,盡可能長(zhǎng)地維持網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行,使除異常ECU之外的其他分系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的功能不受影響. 異常ECU為:ECU故障,包括任何硬件或者軟件故障; ECU掉電或接地;欠壓或者過壓情況;地電壓偏移;由軟件、電量過低或看門狗觸發(fā)引起的ECU復(fù)位; ECU初始化,包括控制器和CAN收發(fā)器的初始化.

4.3 UDS故障診斷

診斷服務(wù)功能按照一定規(guī)則實(shí)現(xiàn),執(zhí)行一個(gè)診斷服務(wù)必須在適合的會(huì)話模式下進(jìn)行.診斷會(huì)話模式主要包括默認(rèn)會(huì)話、編程會(huì)話、擴(kuò)展診斷會(huì)話.診斷工具通過診斷會(huì)話控制服務(wù)使能,服務(wù)器進(jìn)入不同的診斷會(huì)話模式.

4.3.1 診斷會(huì)話

上電后如果沒有診斷會(huì)話請(qǐng)求,要求ECU自動(dòng)進(jìn)入常規(guī)/默認(rèn)會(huì)話模式.診斷會(huì)話模式轉(zhuǎn)換如圖8所示.

圖8 診斷會(huì)話模式轉(zhuǎn)換

4.3.2 安全訪問

安全訪問是限制訪問權(quán)限,排除由不恰當(dāng)?shù)姆?wù)造成電子設(shè)備或其他汽車部件的破壞,防止對(duì)安全性及安全標(biāo)準(zhǔn)造成風(fēng)險(xiǎn).客戶端發(fā)送“請(qǐng)求種子”服務(wù)報(bào)文,組合開關(guān)響應(yīng)“發(fā)送種子”報(bào)文,客戶端根據(jù)此“種子”計(jì)算密鑰.客戶端通過發(fā)送包含密鑰的服務(wù)報(bào)文給開關(guān)來請(qǐng)求比較密鑰,開關(guān)將此密鑰與計(jì)算的密鑰進(jìn)行比較:若兩數(shù)一致,允許客戶端對(duì)特定服務(wù)和數(shù)據(jù)的訪問,發(fā)送“正響應(yīng)”服務(wù);如果兩數(shù)不一致,此訪問被認(rèn)為是錯(cuò)誤的訪問嘗試,發(fā)送“負(fù)響應(yīng)”服務(wù).安全訪問的流程如圖9所示.

圖9 安全訪問流程

4.3.3 故障自診斷

故障自診斷程序通過對(duì)故障檢測(cè)條件的判斷,對(duì)符合故障條件的故障狀態(tài)進(jìn)行記錄,部分故障狀態(tài)通過CAN總線發(fā)送.故障自診斷的范圍包含CAN網(wǎng)絡(luò)通信總線狀態(tài)、開關(guān)輸入信號(hào)狀態(tài)、供電電壓狀態(tài)等.故障診斷的確認(rèn)條件和恢復(fù)條件見表2.

表2 故障診斷的故障確認(rèn)及恢復(fù)條件

4.4 網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)絡(luò)管理的任務(wù)是保證網(wǎng)絡(luò)通信的安全可靠.網(wǎng)絡(luò)管理基本功能包括:ECU進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)睡眠;檢測(cè)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的配置;提供系統(tǒng)狀態(tài);網(wǎng)絡(luò)通信啟動(dòng)和關(guān)閉;節(jié)點(diǎn)監(jiān)控;故障處理.

4.4.1 網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和關(guān)閉

IGN上電、本地事件或總線遠(yuǎn)程喚醒后,組合開關(guān)進(jìn)行初始化操作.系統(tǒng)上電或喚醒前,發(fā)送和接收處于禁止?fàn)顟B(tài).上電后進(jìn)入初始化過程,在150 ms內(nèi)使能接收功能,并開始處理應(yīng)用報(bào)文;之后初始化網(wǎng)絡(luò)管理功能,在180～600 ms內(nèi)發(fā)送第一條報(bào)文.在IGN斷電后200 ms內(nèi)必須停止通信.系統(tǒng)在進(jìn)入等待睡眠狀態(tài)5 s內(nèi)未監(jiān)測(cè)到本地喚醒事件或未收到退出睡眠報(bào)文,系統(tǒng)將立即進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉狀態(tài).在網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉狀態(tài)下,系統(tǒng)禁止報(bào)文的發(fā)送和接收.

4.4.2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)主要包括關(guān)閉狀態(tài)、正常工作狀態(tài)、總線錯(cuò)誤狀態(tài).IGN處于關(guān)閉后網(wǎng)絡(luò)處于關(guān)閉狀態(tài),系統(tǒng)禁止發(fā)送和接收數(shù)據(jù).IGN 切換到ON 時(shí),進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)模式,開始初始化,初始化完成后系統(tǒng)發(fā)送接收使能,系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài).系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)bus-off錯(cuò)誤以及欠電壓、過電壓錯(cuò)誤時(shí),系統(tǒng)處于總線錯(cuò)誤狀態(tài).系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖10所示.

圖10 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

4.5 Bootloader

系統(tǒng)的代碼由Bootloader和應(yīng)用程序組成,Bootloader代碼是上電后最開始運(yùn)行的軟件代碼,實(shí)現(xiàn)用戶程序的引導(dǎo)啟動(dòng)和應(yīng)用程序更新.在正常運(yùn)行過程中,執(zhí)行的是應(yīng)用軟件和應(yīng)用數(shù)據(jù).當(dāng)應(yīng)用軟件或應(yīng)用數(shù)據(jù)無效時(shí),或者要求對(duì)此進(jìn)行升級(jí)的時(shí)候,Bootloader軟件才被激活.在重編程失敗(短路,斷路)或被中斷、發(fā)生超時(shí)或復(fù)位、Flash擦除不完全或應(yīng)用程序無效的情況下,系統(tǒng)能夠重編程.

4.5.1 Bootloader啟動(dòng)

系統(tǒng)上電/復(fù)位后,先執(zhí)行Bootloader引導(dǎo)代碼,然后檢查是否有重編程請(qǐng)求.若存在重編程請(qǐng)求,執(zhí)行Bootloader程序,進(jìn)入編程會(huì)話模式;若無外部重編程請(qǐng)求,則繼續(xù)檢查應(yīng)用軟件的標(biāo)志位狀態(tài).若應(yīng)用軟件有效,則執(zhí)行應(yīng)用程序;若應(yīng)用軟件無效,激活Bootloader模式下的默認(rèn)會(huì)話模式.

4.5.2 重編程流程

重編程時(shí)序分為3個(gè)編程步驟:(1) 預(yù)編程步驟,編程前的CAN網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備;(2) 主編程步驟,下載應(yīng)用軟件或應(yīng)用數(shù)據(jù);(3) 后編程步驟,重同步CAN網(wǎng)絡(luò).編程流程如圖11所示.

圖11 編程流程

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的組合開關(guān)采用CAN信號(hào)通訊進(jìn)行燈光雨刮、巡航、換擋信號(hào)輸出,軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了故障診斷、在線刷寫程序(Bootloader)、網(wǎng)絡(luò)管理等功能.經(jīng)過耐久試驗(yàn)驗(yàn)證,燈光雨刮和巡航手柄機(jī)械操作次數(shù)達(dá)到15×104次,換擋手柄的機(jī)械操作次數(shù)達(dá)到80×104次,符合操作次數(shù)要求.經(jīng)測(cè)試,組合開關(guān)信號(hào)輸出穩(wěn)定,性能良好,在休眠模式下的靜態(tài)電流為0.1 mA,滿足靜態(tài)電流要求.開關(guān)的EMC試驗(yàn)合格,電磁干擾和抗擾性符合整車要求.通過產(chǎn)品測(cè)試和裝車路試驗(yàn)證,開關(guān)滿足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.與傳統(tǒng)組合開關(guān)和換擋開關(guān)相比,集成換擋功能的CAN通訊型組合開關(guān)有效地節(jié)約汽車的內(nèi)飾空間和生產(chǎn)成本,CAN信號(hào)通訊有效地解決了硬線輸出開關(guān)存在的不匹配問題,對(duì)發(fā)生的故障能通過自診斷功能及時(shí)輸出,有利于故障的定位.該組合開關(guān)設(shè)計(jì)的故障診斷范圍不能覆蓋全部故障,軟件更新必須通過汽車OBD口進(jìn)行.隨著電動(dòng)汽車發(fā)展,汽車組合開關(guān)集成更多功能的研究將進(jìn)一步開展,同時(shí)提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、擴(kuò)大故障診斷范圍、系統(tǒng)軟件無線刷新將成為研究的重要方向.