基于LIN總線的汽車智能中央集控電器盒的設(shè)計研究

陳炳林，金少華，李萬霞，王 瑞

（上海滬工汽車電器有限公司，上海 201804）

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車的智能化要求越來越高。集控電器盒作為汽車電源分配的核心模塊也得到了飛速的發(fā)展。傳統(tǒng)集控電器盒是汽車上的標準配置，它把車身上需要控制的繼電器、熔斷器及電路監(jiān)測元件，通過印刷電路板和殼體組裝成一個總成，完成與相關(guān)線束的多線匹配組裝，從而實現(xiàn)電子電氣集控與分配功能。汽車集控電器盒歷經(jīng)以下5個階段：①使用金屬片的中央集控電器盒；②布線型中央集控電器盒 （RW BEC）；③印刷線路板中央集控電器盒（PCB BEC）；④電子集成中央集控電器盒 （I-BEC）；⑤智能型中央集控電器盒 （Smart BEC）。目前市場大多是PCB中央集控電器盒和電子集成中央集控電器盒，進口中檔轎車都是采用這種方式，少數(shù)的高檔進口車才是采用的智能型中央集控電器盒，內(nèi)部有控制部分，能夠更優(yōu)化電源的分配和管理。

目前市場中央集控電器盒一般沒有控制功能，也沒有總線，但隨著整車成本降低的壓力增大，具有總線控制的智能中央集控電器盒越來越受到整車廠的青睞，比如目前合資車廠：東風(fēng)日產(chǎn)、廣州本田等已經(jīng)在廣泛應(yīng)用總線式智能中央電器盒的方案。本文提出了一種基于LIN總線的中央集控電器盒的設(shè)計，并進行了深入分析和研究，提出了可行性設(shè)計方案，該方案降低了線束成本，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，為未來中央集控電器盒的設(shè)計提供了一種新的思路和方案。該方案LIN總線具有通信功能，中央集控電器盒可以直接和總線進行通信，進行自我診斷。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于LIN總線的中央集控電器盒是由發(fā)動機艙電器盒和LIN總線控制模塊組成。發(fā)動機艙電器盒包括發(fā)動機艙負載的熔斷絲和繼電器；LIN總線控制模塊包括：傳感器輸入模塊、LIN總線模塊、功率驅(qū)動模塊、電源及Limphome功能模塊和MCU，如圖1所示。前艙熔斷絲盒模塊，實現(xiàn)執(zhí)行LIN總線指令、上報診斷故障和Limp Home（跛行回家）的功能。傳感器輸入模塊涵蓋室外溫度測量、制動液報警、制動真空報警、洗滌液位報警、前照燈清洗液位報警、機艙蓋鎖報警和充電指示燈。前艙熔斷絲盒模塊負責控制近光燈、遠光燈、前雨刮、前照燈洗滌、前洗滌、后洗滌、前橋驅(qū)動和預(yù)留繼電器的輸出，BCM （車身控制器）通過LIN總線與智能集控電器盒進行通信，實現(xiàn)相關(guān)的功能，智能集控電器盒完成BCM的指令、負載的短路、斷路的診斷。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則啟動Limp Home的功能:也叫Fail-Safe（失效安全模式），開關(guān)信號可以直接控制燈光和雨刮負載的輸出。

LIN總線是一種A類總線 （面向傳感器或執(zhí)行器管理的低速網(wǎng)絡(luò)）的主從結(jié)構(gòu)，最高速度可達到20kbit／s的低成本、高可靠性的串行通信總線，利用LIN總線技術(shù)和總線式控制車身電子電器裝置是智能集控電器盒發(fā)展的必然趨勢，而且LIN總線的智能程度愈來愈高。帶 LIN總線的智能集控電器盒將是未來發(fā)展趨勢。

圖1 基于LIN總線的中央集控電器盒系統(tǒng)框圖

3 模塊設(shè)計及電路實現(xiàn)

3.1 發(fā)動機艙熔斷絲盒設(shè)計

發(fā)動機艙的熔斷絲盒包括繼電器和熔斷絲，繼電器負載驅(qū)動發(fā)動機艙的負載，熔斷絲是負載熔斷器。發(fā)動機艙熔斷絲盒設(shè)計如圖2所示，左側(cè)是信號輸入，右側(cè)是繼電器和熔斷絲，繼電器主要是驅(qū)動發(fā)動機艙的負載，比如近光燈、遠光燈、前雨刮、冷卻風(fēng)扇、前噴洗等，該設(shè)計主要是避免汽車蓄電池的功率線從發(fā)動機艙到乘客艙然后返回發(fā)動機艙，節(jié)省了大量的功率線束；同時由于控制器驅(qū)動部分直接在智能中央集控電器盒內(nèi)部，節(jié)省了控制器到中央集控電器盒的信號線束和連接器，該設(shè)計大大降低了整車線束和連接器的成本。乘客艙的BCM（車身控制模塊）通過LIN總線完成與發(fā)動機艙的智能中央電器盒通信，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 發(fā)動機艙熔斷絲盒模塊設(shè)計圖

圖3 是基于LIN總線中央集控電器盒內(nèi)部排線設(shè)計，該排線為基于LIN總線的中央集控電器盒的內(nèi)部信號，該部分完成控制部分與驅(qū)動負載部分之間的通信。在傳統(tǒng)汽車電子電器系統(tǒng)設(shè)計中，控制器與中央集控電器盒是分離的，從控制器到中央集控電器盒是硬線通過連接器進行連接。

圖3 基于LIN總線中央集控電器盒內(nèi)部排線設(shè)計

3.2 控制模塊設(shè)計

控制模塊主要包括傳感器模塊、單片機、功率驅(qū)動模塊、LIN模塊、電源及Limphome功能模塊。傳感器輸入模塊包括了室外溫度測量、制動液報警、制動真空報警、洗滌液位報警、前照燈清洗液位報警、機艙蓋鎖報警和充電指示燈等電路信號的輸入處理，從模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號給單片機。單片機完成對傳感器信號的處理，單片機采用Freescale的S12G系列單片機的S12G48-32LQFP芯片，該芯片具有LIN控制器，48KB flash，4KB RAM，圖4是單片機設(shè)計實現(xiàn)電路；LIN模塊的芯片采用NXP的TJA01021，該芯片符合SAE J2602協(xié)議和LIN2.1規(guī)范，高速率可達20Kb／s，低EME，強EMI，針對汽車環(huán)境的瞬時保護功能，遠程喚醒和休眠接收來自BCM的控制信號。LIN模塊通過LIN總線發(fā)送前艙電器盒負載的短路和開路的診斷信息，診斷功能的實現(xiàn)主要是LIN模塊上智能功率管監(jiān)控前艙電器盒上負載信息；圖5是LIN模塊的設(shè)計電路。

圖4 單片機設(shè)計實現(xiàn)電路

圖5 LIN模塊設(shè)計實現(xiàn)電路

圖6 是功率模塊設(shè)計實現(xiàn)電路，該電路采用英飛凌的TLE7240低邊驅(qū)動芯片，該芯片用于驅(qū)動汽車繼電器，芯片具有8路低邊輸出，每一路驅(qū)動能力210mA，芯片通過SPI接口與MCU進行通信，芯片4路具有Limphome功能，如果單片機軟件出現(xiàn)故障，Limphome模塊通過控制TLE7240芯片的LHI可以實現(xiàn)4路低邊輸出的Limphome功能。

電源及Limphome功能模塊，當智能中央集控電器盒系統(tǒng)的軟件出現(xiàn)故障，Limp Home的功能開關(guān)可以直接通過汽車線束直接控制LIN模塊的智能功率管和低邊驅(qū)動芯片來控制前艙電器盒負載，該模塊是采用NXP的SBC芯片UJA1076A，該芯片集成了LDO電源芯片，電流輸出能力250mA，具有CAN總線收發(fā)器 （預(yù)留擴展），具有獨立的Watchdog，具有Limphome輸出功能，具有2路本地喚醒輸入引腳，圖7是電源及Limphome功能模塊的設(shè)計實現(xiàn)電路。

圖6 功率模塊驅(qū)動設(shè)計實現(xiàn)電路

圖7 電源及Limphome功能模塊的設(shè)計實現(xiàn)電路

4 軟件設(shè)計實現(xiàn)

汽車產(chǎn)品的穩(wěn)定性直接影響到駕乘人員的安全，所以汽車產(chǎn)品的安全與穩(wěn)定非常重要，該系統(tǒng)的設(shè)計除了硬件具有很強的魯棒性外，軟件也需要非常強的可靠性，所以系統(tǒng)軟件設(shè)計需要獨立的watchdog和穩(wěn)定的主程序架構(gòu)。圖8是系統(tǒng)的主程序結(jié)構(gòu)圖。

1）軟件開始首先進入系統(tǒng)配置，系統(tǒng)配置單片機的初始化、定時器的初始化、AD／IO／SPI等接口的初始化、外圍電路TLE7240的初始化、LIN協(xié)議棧的初始化以及應(yīng)用程序狀態(tài)的初始化。

2）軟件程序進入主循環(huán)，掃描讀取輸入輸出接口的任務(wù)狀態(tài)以及AD狀態(tài)、負載的狀態(tài)信息，LIN總線協(xié)議棧，以及應(yīng)用程序的負載控制信號。掃描負載狀態(tài)信息，如果發(fā)現(xiàn)負載有異常狀態(tài)，如短路、斷路或過流，程序?qū)⒐收闲畔⑿纬晒收洗a上報總線，并做好記錄便于讀取。每一個應(yīng)用程序的執(zhí)行和調(diào)用如果出現(xiàn)更高級別的中斷，程序跳出，完成中斷操作。

圖8 系統(tǒng)的主程序結(jié)構(gòu)圖

基于LIN總線的智能集控電器盒是采用的LIN總線通信的方式，LIN總線是針對汽車分布式電子系統(tǒng)而定義的一種低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)。LIN總線是基于SCI（UART）數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器／多從設(shè)備的模式，是UART中的一種特殊情況。LIN的軟件是采用調(diào)度表的方式進行，分為主從方式，本文的LIN是處于LIN的從節(jié)點，BCM（車身控制器）是LIN的主節(jié)點，調(diào)度表詳細規(guī)定了每個幀頭的標識符以及一個幀與下一個幀之間的間隔，當智能中央電器盒接收到主節(jié)點發(fā)送的LIN信號，首先判斷ID，然后判斷命令的類型，然后執(zhí)行響應(yīng)的動作，每一幀主節(jié)點都會發(fā)送數(shù)字字段和校驗字段。在LIN總線的軟件設(shè)計中，初始化非常重要。圖9是基于LIN總線從節(jié)點的初始化流程圖。

圖9 基于LIN總線從節(jié)點的初始化流程

5 總結(jié)

基于LIN總線的中央集控電器盒的設(shè)計研究，完成了系統(tǒng)設(shè)計，模塊及硬件設(shè)計實現(xiàn)電路以及軟件實現(xiàn)，目前該設(shè)計方案已經(jīng)完成了產(chǎn)品設(shè)計、工程開發(fā)、試驗驗證以及客戶PPAP的認可，并且在某主機廠實現(xiàn)了配套。經(jīng)過使用客戶的實際成本計算，為整車線束節(jié)省了三分之一的成本。本文的方案思路清晰簡潔，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，為中央集控電器盒領(lǐng)域提出一種新的設(shè)計思路和方案。隨著汽車產(chǎn)業(yè)對汽車的舒適度、穩(wěn)定性、節(jié)能減排以及成本控制等要求越來越高，基于LIN總線的中央集控電器盒方案將會在更多的車型中得到應(yīng)用。