基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)的汽車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉貫華

（深圳鵬城技師學(xué)院，深圳 518000）

引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和人們對汽車功能化要求的逐漸提高，現(xiàn)代化汽車中的電氣設(shè)備和控制器逐漸增多[1]，需要設(shè)計更多的控制系統(tǒng)模塊實現(xiàn)功能化的要求。電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高必然對設(shè)計提出更高的要求，而傳統(tǒng)的點對點連接的方式已經(jīng)無法滿足汽車電氣功能化要求[2]，因為在傳統(tǒng)連接方式下會發(fā)生愈來愈多的故障，安全隱患加重，需要基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)對電氣控制系統(tǒng)進行設(shè)計[3-5]，以滿足現(xiàn)代化汽車功能化使用要求。本文在結(jié)合實際故障案例和汽車電氣控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，以汽車電器控制系統(tǒng)和智能儀表控制系統(tǒng)為研究對象，通過模塊化設(shè)計和功能原理分析，得出了適宜的電氣控制系統(tǒng)并對故障診斷系統(tǒng)進行了設(shè)計與說明，結(jié)果有助于電氣控制系統(tǒng)方案的升級并推動在工業(yè)化中的應(yīng)用。

1 汽車電器控制系統(tǒng)

汽車電器控制系統(tǒng)在整車系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，除了汽車發(fā)動機等動力系統(tǒng)和完全部件外的控制系統(tǒng)，包括燈光、電機、繼電器、電磁閥和加熱器件等的控制系統(tǒng)都屬于電器控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代化汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對汽車電器控制系統(tǒng)的要求逐漸提高，在傳統(tǒng)汽車控制器的基礎(chǔ)上，逐漸攝入了智能化控制模塊，但是其設(shè)計原則仍然要遵循[6-8]：①控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計；②功能模塊可擴展；③高性價比；④使用和維護方便快捷。

圖1為汽車駕駛室電氣控制模塊設(shè)計圖。由于駕駛室是駕駛員控制整車運行的核心區(qū)域，汽車的開關(guān)控制信號采集、車燈和雨刮器控制、門鎖控制和喇叭控制等都在駕駛室內(nèi)實現(xiàn)。在汽車行駛過程中，駕駛室控制系統(tǒng)需要明晰駕駛員的真實意圖，且各個不同的功能需要獨立運作，以防止控制系統(tǒng)出現(xiàn)意圖混淆。因此，設(shè)計了如圖1的通過接收開關(guān)來區(qū)分功能的屬性，包括開關(guān)部分設(shè)計成各自獨立的輸入模塊（CAN_1、CAN_2和CAN_3等），控制系統(tǒng)在接收到信號后進行CAN收發(fā)；在控制系統(tǒng)中還設(shè)計有短路、斷路和故障診斷系統(tǒng)，利于在汽車行駛過程中出現(xiàn)故障時，優(yōu)先采取自診斷模式，自行排除障礙以恢復(fù)正常使用功能。此外，燈光類、電機類、電磁閥類和加熱裝置類都可以通過功率驅(qū)動獨立實現(xiàn)，分別對應(yīng)開關(guān)信號類、傳感器電壓信號類、傳感器電阻值類和加熱器件類。如果需要對現(xiàn)有汽車進行局部功能改造，只需在控制系統(tǒng)中對單獨模塊進行更換，而不需要對整個系統(tǒng)進行重新布局和更換，在縮短改裝、修復(fù)時間的同時，可以節(jié)省成本，滿足多功能使用需求。

圖1 汽車駕駛室電氣控制模塊設(shè)計

圖2為汽車駕駛室電氣控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)和宏觀形貌。從汽車駕駛室電氣控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)中可見，各個功能模塊都是單獨存在，獨立通過模塊控制系統(tǒng)進行驅(qū)動，不存在功能混淆和交叉互聯(lián)現(xiàn)象，在進行診斷、功能調(diào)整等作業(yè)時，較為方便快捷實現(xiàn)目的；控制模塊外觀中可見，各個功能模塊多為插槽結(jié)構(gòu)，可以插拔而實現(xiàn)更換目的，大多情況下甚至不需要專業(yè)人員而自行進行更換模塊即可。

圖2 汽車駕駛室電氣控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)和宏觀形貌

圖3為汽車底盤電氣控制模塊示意圖。與汽車駕駛室電氣控制模塊相似的是，底盤電氣控制系統(tǒng)也都采取獨立模塊設(shè)計形式，且自帶斷路、短路和故障診斷系統(tǒng)，燈光類（制動燈、小鄧等）、電機類（換擋切換等）、電磁閥類（排氣制動電磁氣閥等）和加熱裝置（空氣干燥器加熱等）也都獨立通過模塊進行功率驅(qū)動。不同的是，在輸入端同時設(shè)有開關(guān)和傳感器控制系統(tǒng)，相應(yīng)地接收端則包括開關(guān)量輸入和A/D控制，而CAN接口則與CAN收發(fā)雙向互動。

圖3 汽車底盤電氣控制模塊示意圖

在汽車電器控制系統(tǒng)中，駕駛室電器控制系統(tǒng)（BCM）和底盤電器控制系統(tǒng)（CCM）協(xié)同工作，各自通過模塊化設(shè)計進行信號采集和能力輸出，數(shù)據(jù)傳輸與控制路徑如圖4。BCM通過采集開關(guān)信息傳輸給儀表并控制對象，采集傳感器信號通過CAN傳輸給儀表。在底盤控制系統(tǒng)中，BCM采集開關(guān)信號并通過CAN傳輸給CCM，再通過CAN傳輸給儀表并控制對象；在傳感器信號采集過程中，CCM直接采集信號并通過CAN傳輸給儀表。

圖4 汽車電器控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與控制路徑

2 汽車智能儀表控制系統(tǒng)

汽車儀表在汽車行駛過程中起著給駕駛員傳遞汽車狀態(tài)的作用，現(xiàn)代化汽車目前都要求儀表控制系統(tǒng)可以采集和處理駕駛員所需要的汽車交互信息[9]，要求在設(shè)計過程中增加數(shù)字化縱向儀表功能、支持儀表反應(yīng)功能故障并自行診斷與修復(fù)，以及外設(shè)監(jiān)控等功能。圖5為總線儀表控制系統(tǒng)示意圖，可見，智能儀表部分包括轉(zhuǎn)速表、指示燈、電池電壓、機油壓力、車速、水溫表和燃油表等功能顯示，駕駛員在使用車輛時，可以方便快捷的了解儀表中顯示的各個信息，從而更好地保障車輛順利使用。

圖5 總線儀表控制系統(tǒng)示意圖

圖6為總線儀表控制系統(tǒng)原理框圖。在設(shè)計總線儀表控制系統(tǒng)過程中，驅(qū)動端主要考慮了液晶驅(qū)動系統(tǒng)（顯示屏）、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)（步進電機表盤）、LED驅(qū)動系統(tǒng)（信號指示燈），輸入端主要考慮開關(guān)量輸入、A/D和CAN模塊（CAN_1、CAN_2），并通過微處理器實現(xiàn)圖像/數(shù)據(jù)處理。

圖6 總線儀表控制系統(tǒng)原理框圖

3 電氣控制系統(tǒng)故障診斷

在汽車實際使用過程中，由于汽車自身狀態(tài)、外部環(huán)境、保養(yǎng)程度等各方面的因素都不同，故障通常在不同的模塊中產(chǎn)生，從而對控制系統(tǒng)帶來不同的影響，按故障持續(xù)時間來說，電氣控制系統(tǒng)故障包括較短時間內(nèi)即可修復(fù)的故障（瞬時故障）和長期存在的故障（永久故障）[10]，而前期出現(xiàn)的幾率遠大于后者。因此，我們基于瞬時故障設(shè)計了電氣控制系統(tǒng)故障管理模塊，如圖7?？刂颇K狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦收蠙z測模塊，該模塊將系統(tǒng)級故障信息傳輸給故障上報單元，并將故障信息傳輸給故障策略庫；故障策略庫將系統(tǒng)內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)信息進行匹配，并得出最接近的恢復(fù)策略并反饋給故障檢測系統(tǒng)；之后故障檢測模塊通過恢復(fù)動作進行故障恢復(fù)，并形成整體閉環(huán)。

圖7 汽車電氣控制系統(tǒng)故障管理模塊

當電氣控制系統(tǒng)遇到故障時，駕駛員可以啟動故障分級恢復(fù)和安全控制系統(tǒng)，具體流程為：①啟動故障分級恢復(fù)和安全控制系統(tǒng)；②各個不同的控制模塊進行故障檢測；③檢測完成后輸出檢測結(jié)果，判斷是否發(fā)現(xiàn)故障；④如果發(fā)現(xiàn)故障，可采用附帶的故障處理系統(tǒng)進行操作，如沒有發(fā)現(xiàn)故障則需要進一步反饋給上次檢測系統(tǒng)，并通過參數(shù)調(diào)整進行重新檢測和匹配，直至發(fā)現(xiàn)故障；⑤如果采用附帶系統(tǒng)對故障進行了成功處理，則控制系統(tǒng)會上報網(wǎng)關(guān)，并結(jié)合分析處理器結(jié)合機理模型與實現(xiàn)模型進行故障分析推理，找出故障恢復(fù)策略，并執(zhí)行故障恢復(fù)策略；⑥故障成功解決后，啟動緊急安全裝置和報警裝飾，對車輛進行降級運行處理，直至汽車安全停車；⑦安排檢修，完成故障排除，恢復(fù)汽車使用功能。值得注意的是，在這個控制流程框架圖中，如果當前階段未能成功解決該模塊的任務(wù)，系統(tǒng)無法進行到下一個階段的處理，控制系統(tǒng)會自動返回上級菜單直至通過。為了提高電氣控制系統(tǒng)故障診斷功能性，需要及時對故障診斷系統(tǒng)進行升級，如更新故障數(shù)據(jù)庫、升級數(shù)學(xué)模型等[11-13]。

4 結(jié)論

1）結(jié)合汽車電器控制系統(tǒng)的功能模塊，對汽車電器控制系統(tǒng)進行了系統(tǒng)化設(shè)計，并分析了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與控制路徑。

2）結(jié)合汽車智能儀表的功能模塊，對汽車智能儀表控制系統(tǒng)進行了系統(tǒng)化設(shè)計，并分析了總線儀表控制系統(tǒng)原理。

3）針對汽車電器控制系統(tǒng)和汽車智能儀表控制系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)故障管理模塊，可以實現(xiàn)對汽車電氣控制系統(tǒng)的自動診斷。