基于CAN总线的车身后部车灯控制系统设计.pdf

提要随着汽车电子技术的迅速发展，人们对汽车智能控制的开发也进入了一个新 的领域，汽车车身控制系统中的大量信号需要实时交换并处理，车身各个负载节 点的联系也越来越紧密，传统的实线连接工艺的缺点逐渐显露出了其不足，因此 汽车想要网络化发展必然要推广以CAN/LIN总线为基础的车身控制系统，这已经 成为了汽车电子技术发展的必然结果。车灯作为车身的必要零部件，其总体设计要求也越来越高，车灯的智能控制 也成为人们所关注的一个热点研究课题。本论文主要探讨基于CAN总线的车身后 部车灯智能控制系统，包括单片机选取，软硬件设计，各个模块独立分析，绘制 原理图及PCB等等。这种分为车身前后两部分设计的方法，优势在于总线对于各 个模块的控制能力。该设计从选题开始到结束经历了一年多时间，虽然最后并没 有作为产品上架，不过在CAN总线的智能控制系统中，本人也总结了相当多的经 验，另外几个模块的设计还是有一定价值的。1目 录第1章绪 论.11.1 汽车电子的发展趋势.11.2 汽车总线的发展趋势.21.3 汽车总线的研究与发展.41.4 各类汽车总线的特点比较.41.5 CAN总线介绍.61.5.1 CAN 的历史.61.5.2 CAN总线的特点.71.6车灯的发展趋势.71.7 国内外车灯控制技术.91.8 本文所包含的研究部分.9第2章 车身后部车灯控制器组成.11第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计.143.2电源输入与监控.163.2.3电源输入：.163.2.4 方案及设计要点:.163.2.5 电源管理.173.3开关采集模块.183.3.1需求分析：.183.3.2方案及设计要点：.193.4 CAN 模块.193.5 外部看门狗.193.6信号输出.203.7驱动输出模块.203.7.1需求分析：.20I3.7.2 方案及设计要点:.213.7.3 诊断和保护功能：.213.8 MCU 模块.223.9低功耗设计.223.9.1正常工作模式.223.9.2低功耗模式.233.9.3方案及设计要点：.243.10跛行功能设计.243.11 LED 灯模块.253.12灯泡模块.263.13行李箱模块.28第4章车身后部车灯控制系统软件设计.304.2错误处理.304.3模拟信号.314.4车身后部车灯控制系统各负载功能描述.324.4.1功能列表1.334.4.2功能列表2.354.5单片机CAN初始化.37第5章总结与展望.415.1总结.415.2展望.41参考文献.43致 谢.46摘 要.1Abstract.Iii第1章绪论第1章绪论汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。车体汽 车电子控制装置，包括发动机控制系统、底盘控制系统和车身电子控制系统。汽 车电子最重要的作用是提高汽车的安全性、舒适性、经济性和娱乐性。汽车电子 智能控制程度，已经成为衡量现代汽车产业发展状况的一个重要标志，是研发汽 车产品的一个指标，这对于改进汽车产业的进步有着重要的意义，在未来的汽车 产业市场中也占有相当显著的位置。现如今，汽车中电子产品与整车成本的比率 普遍已经大于50%,几乎所有系统都要用到汽车电子产品，汽车电子技术的发展 成为现代汽车制造领域的必然趋势。1.1 汽车电子的发展趋势目前，汽车电子技术已经发展到今天，汽车中的功能在不断的完善，汽车电 子控制单元也越来越多。汽车电子技术包括嵌图式单片机系统，及其接口、负载 等，软件主要靠C语言或汇编语言实现程序功能（如数据采集、报警、诊断等）。随着车内电子设备的数量不断增多，从车身内部到车身外部，汽车的电气负 载各个节点构成了一个完整的回路系统。它们被应用在发动机点火、电子控制喷 油、自动变速器、防抱死系统车技术领域中。CAN总线作为一种流行的审行数据 通信总线，如今已经受到国内外绝大部分汽车制造厂商的推崇。同时，另外一种 低成本总线LIN总线也在迅速发展，和CAN总线一起已经迅速成长为成熟的 总线网络标准。未来的汽车电子发展将有四个大趋势：节能、绿色、安全、廉价。在车身控 制系统中，电子产品以后将会逐步取代中控门锁、防盗、空调等单项控制模块；无线与有线技术相结合，实现信息传输的智能化；数字信号控制取代模拟信号控 制；多微处理器协同工作，增加数据信息的传递效率；此外还有硬件通用、快速 化；软件的专业化。另外，汽车电子还从汽车的安全性和高级信息娱乐系统方面 给予了一定的发展上升空间。目前，我国的汽车电子发展格局并不容乐观，车身总线技术系统的研究在我1第1章绪论国仅仅处于起步阶段，和国外同类产品有着一定的差距。国外汽车总线技术基本 处于垄断地位，这就要求我们通过学习国外先进的汽车电子技术，并开展自己的 相关研发产品，提高技术实力，这对后提高自身的核心竞争力，打破国外技术垄 断有着重要的意义。1.2 汽车总线的发展趋势随着汽车功能的不断增加，汽车内部功能节点不断增多，越来越多的电子控 制单元（ECU）将被引用。为了这些控制单元能够形成网络，交互信息，并且减 少实线连接带来的空间和成本的麻烦，汽车总线被发明出来。汽车总线实质上就是一种通讯协议，汽车上的所有ECU被这种通讯协议连接 在一起，形成了一个车身独有的控制的通讯网络。从传统角度说，过去的电气设备大都采用一个开关控制一个用电器的实线连 接方式，这种一对一的方式虽然有较强的控制性，但是在汽车内部各个用电负载 大量增加的今天，是必对车身内部的布线方式产生严峻的考验。另外，大量的线 束也为采购成本形成了一种麻烦，所以无论从简化线束还是降低成本，总线式布 线方式都有着传统布线方式难以匹敌优势。总线式布线方式还为汽车驾驶员提供了方便的诊断系统。传统布线方式中，某个用电负载不能正常工作，极有可能是其他负载对其的影响产生的，这样检查 起故障非常麻烦；而总线网络则不一样，不同的节点发送不同的错误报文，可以 在很直观的情况下检查到底是哪个区域的哪个负载失效，具体甚至可以精确到负 载中的组成部件。下面两副图为两种布线方式的区别，可以明显观察出，同样数 量的节点，线束数量的变化。图1.1、1.2、1.3出自文献38。2第1章绪论图1.1传统的节点通讯方式图1.2 CAN总线通讯方式为了使车身内部的各个电子负载能够实时的交互通讯信息，总线的标准被制 定了出来。然而，车身内部各个用电模块对实时性的要求并不一样，比如气囊模 块和转向灯模块，因为涉及驾驶员的生命安全，因此信号的传输速率一定要快，最好能到达实时的程度；再比如车窗和车门模块，因为对实时性的要求相对较低,所以这样的总线速率普遍要比涉及安全程度的模块低一些。考虑到成本和功能实 现等问题，汽车总线通讯网络被划分成了不同的标准。（其中的CAN协议也分低 速和高速两种）美国汽车工程师协会车辆网络委员会根据传输速率，将车身总线传输类型为 A、B、C三类。图1.3出自文献38。3第1章绪论图L3汽车总线网络划分1.3 汽车总线的研究与发展现如今，欧美的各大汽车制造商已经可以非常成熟的应用汽车总线技术，出 产的车辆集安全性、可靠性、经济性于一体，已经占领了国际汽车制造业的绝大 部分市场；而我国对汽车总线方面的研究还处于起步阶段，相关技术人才并不是 很多，也没有成功研发该方向项目的经验，用的仍然是国外的总线技术，因此，国内的汽车生产企业应该抓住这次机会，通过自主研发或与国外车厂合作，尽快 掌握这项技术，这对增强国内汽车制造业市场的核心竞争力有着重要的意义。另 外奇瑞已经生产出了使用CAN网络控制技术的汽车。1.4 各类汽车总线的特点比较从目前的应用程度来看，A类网络流行的主要是TTP/A(Time Triggered 4第1章绪论Protocol/A)和 LIN(Local Interconnect Network),其中 LIN 已经成为国际标 准，为大多数汽车制造厂商所应用。它的特点是速度慢、带宽小、成本低，具有 很高的可靠性，在对车身控制要求指标不那么高的前提下，可以用LIN总线来补 充CAN总线的成本问题。LIN总线网络通讯具有几个特点：为单主节点，多从节点的控制方式；最多 可连接16个节点；最高传输速度可以达到20Kb/s；实现成本低；网络通信可预 期性；支持诊断模式。在B和C类总线通讯标准中,CAN总线协议的应用得到了汽车制造商的青睐。CAN(Cortroller area network)总线凭借其高稳定性、高可靠性、高安全性占 据了高、中速总线领域的一席之地。CAN总线如今已经成为汽车总线网络的国际 标准，CAN标准是串行通讯协,议，传输速率高，最高传输速度可以达到IMb/s,完全可以达到关键实时安全系统的需求，目前已经应用到客车、轿车和卡车等领 域。其他还有MOST和IDB-1394等总线协议，本文就不做过多介绍了。图1.4汽车上总线的应用图1.4、1.5来源于某车厂内部资料。5第1章绪论IMb sByte FlightlONk.sK.kR 9TTP5RB.工100 MbSM一”4TTCAJD2BMOSTIDR1394图1.5汽车各种总线速率及其应用范围1.5 CAN总线介绍CAN一Controller Area Network一是20世纪80年代初，由德国公司Bosch提 出的一种串行通讯网络标准，分为低速和高速，如今已经成为国际通用标准。1.5.1 CAN的历史1983年，Bosch开始研究车上网络技术。1986年，Bosch在SAE大会公布CAN协议1987年,Intel和Philips先后推出CAN控制器芯片1991年，Bosch颁布CAN 2.0技术规范，CAN2.0包括A和B两个部分1991年，CAN总线最先在Benz S系列轿车上实现1993年，ISO颁布CAN国际标准IS0T18981994年，SAE颁布基于CAN的J 1939标准2003 年，Maybach 发布带 76 个 ECU 的新车型(CAN,LIN,MOST)6第1章绪论2003年，VW发布带35个ECU的新型Golf1.5.2 CAN总线的特点CAN作为一种通用的网络协议，主要应用在汽车控制部件(如车门、车窗及 动力系统)、传感器等应用中。CAN总线属于审行通讯网络，其特点概括如下：(1)CAN总线是一种多主站结构，各个节点优先级别平等，优先权由报文ID 确定。(2)每个报文的内容通过标识符识别，标识符在网络中是唯一的，标识符描述 了数据的含义。某些特定的应用对标识符的分配进行了标准化。(3)CAN总线使川双绞线作为总线介质，传输速率可以到达1Mbps,总线长度 二40 米(4)CAN总线采用NRZ和位填充的位编码方式(5)报文可以被总线上的所有节点同时接收。(6)可以对报文进行过滤。1.6 车灯的发展趋势车灯从被发明到现在一共经历了几种类型：白炽灯、债灯、LED、卤素灯等。其中，白炽灯已经随着科技的进步，被逐步淘汰，现在用的比较多的是债灯和 LEDo(1)HID(High intensity Discharge)HID目前主要作为远光灯，应用于中高档轿车之中。其发出的光强度是普通 近光灯的两倍，而耗能却较之为少，使用寿命更是要比前者多出很多，管灯的应 用很大程度上增加了驾驶员的驾驶舒适性，可以在第一时间发现危险并反应，降 低了事故发生的可能性。目前债灯作为一种高端产品，正在逐步成为汽车车灯市 场的主流产品，不过其价格也比普通远光灯要高，如何降低债灯成本，成为现在 车灯研究方向一个需要攻克的课题。(2)发光二极管灯(LED组)随着汽车工业的发展，汽车灯具也正发生着日新月异的变化，越来越先进的 7第1章绪论灯光照明技术在汽车灯具上得到了更多的运用。LED被称为是第四代的汽车光源,英文全称LightEmittingDiode,汉译“发光二极管”，是一种固态的半导体器 件，它可以直接把电转化为光。汽车LED灯根据应用可分为配光用灯和装饰用 灯两种，配光灯适用于仪表指示灯背光显示、前后转灯、刹车指示灯、倒车灯、雾灯、阅读灯等功能性方面；装饰灯主要用于汽车灯光色彩变换，起车内外美化 作用。近几年随着部分车用LED亮度问题的解决和成本的下降，其应用量有所增 长。国内常见的:本田雅阁、日产天籁、皇冠、锐志、凯迪拉克系列、别克荣御 等都已经采用了 LED尾灯。诸如小外形尺寸、低功耗和快速接通时间等优势开创了高亮度LED被当今汽 车所广泛采川的局面。LED在汽车中的初始应川是中央高架停车灯(CHMSL)；另 外，LED的普遍寿命可以达到几万甚至几十万小时，大于汽车的使用寿命，因此 在汽车使用期限内都不需要更换灯泡；LED灯还有光线质量高的优点，无辐射，环保；LED亮灯速度也要比传统白炽灯快。随着LED技术的不断发展、演变，其在汽车领域的应用也日益广泛起来，汽 车LED灯将占据汽车照明领域，这个事必然的事实。然而目前汽车LED灯、LED 背光源、LED灯照明等三大应用市场上仍处于开发、认证阶段，需求青黄不接以 致对今年产业成长贡献度不大，但随着产业化速度加快，明年汽车LED灯、LED 背光源、LED灯照明等三大领域都有大量的应用。目前，影响LED灯原在中国推广的原因主要问题还是在于高昂的价格，现在 一个LED灯，芯片的成本就占到50%以上，很多LED芯片都是用蓝宝石做基底，甚至有些用更昂贵的碳化硅，这都导致LED灯价格高居不下，可见面对这种具有 广阔市场前途的产品，首要的任务还是攻克技术难关，降低产品成本，增加这样 才能增加市场竞争力，加快普及速度。8第1章绪论图1.6汽车LED灯1.7 国内外车灯控制技术（1）车身前照灯自动延迟开关系统。驾驶员在关闭点火开关后，前照灯通过电 容器的充电，可以延迟关闭。（2）会车灯亮度自动控制器。在夜间两车辆会车时，经常会出现驾驶员疲劳而 忘记关掉远光灯的情况，使会车危险增加，甚至导致交通事故的发生。此 设计是一种自动调节车灯亮度的控制系统，使会车时，远光灯自动变为近 光灯，减少耀目的灯光对驾驶员的影响；会车结束后，控制器自动将近光 灯转为远光灯照明。（3）智能汽车灯光控制系统。车灯可以根据外部环境的变化，自动改变车灯的 开关及明暗状态，而且存在故障诊断系统，可以对系统做反馈，提示汽车 车灯的故障。1.8本文所包含的研究部分本文第一章主要介绍了汽车电子的历史、现状和未来发展趋势，并对各种汽 车总线类型做了简单介绍。着重介绍了本篇论文要用到的CAN内容。第二章对车 身后部车灯控制系统需求做一个详细的分析，弄清楚要做什么东西，和怎么做。9第1章绪论第三章分析了负载的状况，并详细进行硬件设计，包括各个模块的详细介绍。第 四章具体研究软件方面的问题并进行设计，包括初始化和一部分流程思路。10第2章 车身后部车灯控制器组成第2章车身后部车灯控制器组成车身后部车灯控制器用于控制车辆后部的车灯负载，主要控制车辆后部灯光 系统。包括行李箱灯、转向灯、倒车灯、雾灯、制动灯、位置灯、高位制动灯、牌照灯等。其中雾灯、制动灯和位置灯为串联LED灯组。车身后部车灯控制器包括两路输入12V电压和一路点火开光ON的输入电压,和CAN总线的高端和低端。车身后部车灯控制器接入高速CAN总线，通过CAN总线与其他控制器交互信 息。V _12电机电源12后灯组电源1点火开关ONN HCA行李箱灯车身后部车灯控制器后灯组电源21A*2 0.5A*2 0.3A*2图2.1车身后部车灯控制器系统框图II第2章 车身后部车灯控制器组成各负载职能分析：表2.1车身后部车灯控制系统各负载功能分析名称功能行李箱灯在打开行李箱盖的同时，行李箱内自动 点亮并照明，以方便取物转向灯在车辆转向时开启以提示前后左右车 辆及行人注意的重要指示灯倒车灯用于照亮车后路面，并警告车后的车辆 和行人，表示该车正在倒车雾灯装于汽车前部比前照灯稍低的位置，用 于雨雾天气行车时照明道路制动灯当驾车人踩下制动踏板时，制动灯即亮 起，并发出红色光，提醒后面的车辆注 意，不要追尾位置灯主要是用以表示汽车的存在及大体的 宽度，便于其他车辆在会车和超车时判断。高位制动灯以便后方车辆能及早发现前方车辆而 实施制动，防止发生汽车追尾事故，又 叫第三制动灯牌照灯夜间或者天色比较暗的时候和行车位 置灯一起打开的用以照亮牌照的灯.车身后部车灯控制器主要控制对象包括：表2.2车身后部车灯控制器主要控制对象负载有效驱动电平参数左后转向灯高21W/12V12第2章 车身后部车灯控制器组成右后转向灯高21W/12V左后雾灯高LED(1A)右后雾灯高LED(1A)制动灯高LED(0.5*2A)左后位置灯高LED(0.3A)右后位置灯高LED(0.3A)高位制动灯高LED(5W)倒车灯高21W/12V*2牌照灯高5W/12V*2行李箱灯高5W/12V13第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计车身后部车灯空气系统包括开关信号采集芯片（采集车身总线上的各个开关 信号），电源管理芯片（给车身后部各用电器及单片机和驱动电路供电），单片机 ECU（车身后部车灯控制器的大脑，起到电脑中CPU的作用，实现各种逻辑控制），还有各个用电器的驱动电路。两路电源电压经过电源处理电路，稳压传输给电源管理芯片一路12V电以川 来将电压分配给各个用电设备，其中电源管理芯片中集成CAN总线收发器，直接 和总线相连并通过SPI通信与单片机进行数据交互。单片机接收电源管理芯片提 供的5V电压并工作。开关信号采集芯片可以检测到点火开关和行李箱的开关情 况，并通过SPI通信与单片机进行数据交互，使单片机完成控制。单片机直接接 收车辆的制动信号，并控制各个车灯的驱动端，对各个车灯实现控制。上述方案可以分解为电源模块（含CAN、外部看门狗模块）、信息采集模块、驱动输出模块、MCU模块、低功耗设计、跛行模式设计、控制器端口分配等。14第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计车身后部车灯控制系统图3.1车身后部车灯控制器硬件整体设计方案3.1 电源模块（含CAN、外部看门狗模块）3.1.1 设计性能要求电源额定电压（来自汽车电平）：12V3.1.2 功耗车身后部车灯控制器不同的工作模式产生的功耗满足下表要求。15第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计表3.1车身后部车灯控制器功耗工作模式电流(mA)睡眠模式0.2操作模式 对输入的12V电源进行处理，分别为功率驱动和数字部分(各个负载的 驱动芯片)提供电源。对输入电源进行采集，监控过压、欠压等异常情况。将12V电源稳压转化为5V电源，为数字部分(单片机)供电。为高速CAN接口供电，本控制器中的电源管理芯片集成了 CAN模块。为外部看门狗供电，本控制器中的电源芯片继承了该模块。3.2电源输入与监控3.2.3电源输入：后灯电l(Vbatt A),单独保险丝 后灯电2(Vbatt B),单独保险丝 点火开关ON,单独保险丝3.2.4 方案及设计要点：电源输入要考虑滤波、防反及瞬态电压抑制等。后灯电1和2分别为两边灯负载供电，承担的功率分别为70W、78W(稍 大于该路各负载的额定功率之和)。后灯电1和2同时为控制器内部的数字部分提供12V电源，提高可靠性。控制器对后灯电1和2分别进行AD采样，监控电源异常情况，但考虑到 静态功耗的限制，在休眠时要关断采样电路。点火开关ON为关闭时不需要工作的开关和A/D电路提供电源，同时作为唤醒信号。16第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计图3.2电源输入处理电路如图的电源处理电路，为把两路12V电源经过滤波、稳压合并为一路稳定的 12V数字电源为电源管理芯片供电。3.2.5 电源管理根据需求，控制器内部5V供电的需求为最大耗电13.9mA,电源管理方案为：。单片机输出2路可关断5V电源，其中一路5V仅给CAN模块供电，另外一路5V 的输出能力为135mA,为上述器件供电。I II-1SPI通信ft；口vcc vcc vcc电源百0石片*栉*北rRXDRSTNSDISDOSCKscsTXDTESTBAT42 SENSEV3 SYSINHNC BAT14 RTLIN LINSPLIT GNDCANL CANHV2NC WAKE INH/L1MP31 R75,_,39KX530 42与愉曲1凄2623D21 bjl4V电愉入(tt)22212017-图3.3电源管理芯片模块的原理图如图所示，VI引脚为电源管理芯片的电源输入端，用来输入12V的稳定数 字电压；V3输出的12V电压作为开关信号采集模块的上拉电压，V2输出稳定的 5V电压为单片机供电；其中引脚SDI、SDO、SCK和SCS作为SPI通信的端口，以此来与单片机进行数据的交互；弓I脚BAT42为后车灯的各个驱动模块供电。此 外，该芯片集成了 CAN模块及其CAN收发器，可以直接把电平的高低信号转化成 17第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计总线信号，因此具有4个管脚分别为与单片机的CAN信号输入、与单片机的CAN 信号输出，和与车身总线直接相连的CANL（CAN低）和CANH（CAN高）。3.3开关采集模块图3.4开关信号采集模块示意图制动信号点火开关ON电信号如图为开关信号采集模块的示意图，开关信号通过一个稳压滤波电路进入到 开关采集采集芯片，开关采集芯片通过SPI通信方式与单片机进行数据交互，以 获取开关状态是否为开启的信息o这部分电路主要实现开关信号采集的功能：3.3.1需求分析：外部后行李箱按钮：低电平有效行李箱灯开关：低电平有效行李箱开启位置开关：低电平有效行李箱关闭位置开关：低电平有效行李箱钥匙开启开关：低电平有效制动信号：可能是有源的双极性HALL开关信号，高电平有效点火开关ON信号：高电平有效合计：5个低端开关信号，2个高端开关信号。18第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计3.3.2方案及设计要点：用单片机的I/O 口（数字信号）采集。开关输入要考虑防静电。开关信号的上拉电源（静止状态是在高电平）要根据功能选择12V电，输出电流应为15mA左右，并且在进入低功耗模式时，作为上拉电源的 30电可切断，降低静态功耗。3.4 CAN模块电源管理芯片内嵌ISO11898-2规范的CAN收发器，并可与CAN收发器共同 使用。图3.5 CAN总线驱动3.5外部看门狗在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外 界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单 片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料 的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用 于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称“看门狗”（watchdog）。19第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计看门狗，又叫watchdog timer,是一个定时器电路，一般有一个输入，叫 喂狗（kicking the dog or service the dog）,一个输出到 MCU 的 RST 端，MCU 正常工作的时候，每隔一端时间输出一个信号到喂狗端，给WDT清零，如果超 过规定的时间不喂狗，（一般在程序跑飞时），WDT定时超过，就会给出一个复位 信号到MCU,是MCU复位。防止MCU死机。看门狗的作用就是防止程序发生死循 环，或者说程序跑飞。工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动 计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引 起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。硬件看门狗是利川了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序 的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环，或 者说PC指针不能何来。那么定时时间到后就会使单片机复位。常用的WDT芯片 如 MAX813,5045,IMP 813 等。本电源管理芯片内嵌独立看门狗，复位周期可配置。3.6信号输出BCM2控制器负责输出以下信号：倒车信号输出（信号特性：悬空/地，地有效）转向信号输出（信号特性：悬空/地，地有效）位置灯信号输出（信号特性：悬空/地，地有效）行李箱开关信号输出（信号特性：悬空/地，地有效）3.7驱动输出模块3.7.1需求分析：位置灯：0.3A*2,仅为LED驱动电路提供电源，但要求具有电流反馈功 能。后雾灯：L0A*2,仅为LED驱动电路提供电源，但要求具有电流反馈功 台匕目匕。20第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计 制动灯：0.5A*2,仅为LED驱动电路提供电源，但要求具有电流反馈功 能，电压范围615V。高位制动灯：5肌 仅为LED驱动电路提供电源，但要求具有电流反馈功 能，电压范围615V。转向灯：2个，21Wo 倒车灯：2个，21肌并联驱动。牌照灯：2个，5肌并联驱动。行李箱灯，1个，5肌 高电平有效。3.7.2方案及设计要点：位置灯、高位制动灯：VND*（极限电流最小值：3.5A）后雾灯、制动灯：VND*（极限电流最小值：12A）转向灯：VND*（极限电流最小值：27A）倒车灯：VND*（极限电流最小值：40A）牌照灯、行李箱灯：VND*（极限电流最小值：3.5A）3.7.3诊断和保护功能：对位置灯、后雾灯、制动灯、高位制动灯、转向灯、倒车灯、牌照灯具有下 列保护功能：过压和欠压保护（驱动芯片内部集成），当负载电压过高或过低时进行 断路保护。过热保护，当负载温度过高时进行断路保护。过流保护，当流过负载的电流过高时进行断路保护。开路保护，当负载为断路时，保持当前状态而不响应操作。具有下列诊断功能（电流反馈）：开路诊断，当负载为断路状态时，向总线发送断路报文。过流诊断，当负载电流过大时，向总线发送过流报文。过压和欠压诊断，当负载电压过高或过低时，向总线发送过压或欠压报文。21第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计3.8 MCU模块需求分析：表3.2 MCU资源需求用途模块名称备注普通I/O电源芯片驱动EN直接连地LED故障信号输入中断输入I/O电源芯片开关采集电路A/D输入12V电平监控A/D采集电路驱动芯片反馈CAN 接口专用SPI专用电源/地/晶振/复位/开发专用方案：单片机*,除去15个专用管脚（电源/地/晶振/复位/开发端口），还有 65个管脚可用，能够满足上述资源需求。此外，单片机*内置2KERR0M,能够满足配置及诊断数据的存储需求。按照上述分配还剩余12个I/O 口，可用 于I/O和A/D电源的关断控制。3.9低功耗设计3.9.1正常工作模式要求控制器正常工作时的功耗不超过200mAo所设计的车身后部车灯控制器正常工作时的功耗约为100mA,具体情况如下表所示。22第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计表3.3控制器正常工作时的功耗模块名称最大耗电(mA)单片机13.9电源管理芯片30高端功率驱动芯片约30合计约743.9.2低功耗模式低功耗模式下的休眠分为两层：第一层休眠时，停止网络信息传输，MCU和其它器件都进入低功耗模式。此时，可通过本地开关和总线唤醒，且被本地开关唤醒后，发送网络信 息唤醒其它节点。第二层休眠时，关闭电源管理芯片的5V输出。此时，可通过本地开关和 总线唤醒，且被本地开关唤醒后，发送网络信息唤醒其它节点。图3.6低功耗设计方案23第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计3.9.3方案及设计要点：正常工作时，开关信号分别通过开关采集芯片和I/O电路采集。进入第一层休眠模式时，本地开关信号可以通过开关采集芯片和I/O电 路采集直接使MCU产生中断，同时，也能通过电源管理芯片唤醒MCU；总线信息通过电源管理芯片唤醒MCUo进入第二层休眠模式时，本地开关信号和总线信息都通过电源管理芯片 唤醒MCUo具有唤醒功能的开关为外部后行李箱按钮、行李箱灯开关、行李箱钥匙 开启开关、行李箱开度检测开关、点火开关ON电信号共4个低端开关信 号，1个高端开关信号。表3.4第二层休眠时各器件及控制器整体的静态功耗典型值(mA)最大值(mA)电源管理芯片0.0500.070高端功率驱动芯片3*0,002+2*0,00154*0,005+2*0,0025合计0.0600.953.10跛行功能设计任务书要求在控制器(MCU)失效的情况下，制动灯能够正常工作：电源管理芯片具有跛行输出端口，利用该信号可以构建控制器(MCU)失效 保护电路，实现跛行功能。设计方案如下：24第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计图3.7失效保护电路示意图如图，跛行模块是一个比较简单的三级管逻辑电路。三级管的发射级接地，提供一个下拉电平，如果单片机出现故障无法正常工作，则三级管导通，输入的 制动信号不在经过单片机，直接由1/0（数字信号，高低电平）口进入各个负载 的驱动模块，控制该负载。具体由于该模块涉及具体项目的泄密，不能做详细介 绍，请各位老师们体谅。3.11 LED灯模块后位灯后雾灯制动灯高位制动灯图3.8 LED模块系统框图25第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计外围接口:表3.5 LED灯模块外围接口名称属性有效电平输入量位置灯控制命令CAN0：OFF 1:ON后雾灯控制命令CAN0：OFF 1:ON制动信号（唤醒源）实线高制动信号CAN0：OFF 1:ON输 出 量左后位灯状态CAN00：OFF 01:ON右后位灯状态CAN00：OFF 01:ON左后雾灯状态CAN00：OFF 01:ON右后雾灯状态CAN00：OFF 01:ON实线刹车开关指示CAN0：OFF 1:ON左后位灯实线高右后位灯实线高左后雾灯实线高右后雾灯实线高制动灯实线高高位制动灯实线高3.12灯泡模块左转向灯右转向灯倒车灯睥照灯图3.9灯泡模块系统框图26第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计外围接口表3.6灯泡模块外围接口名称属性有效电平输入量左转向灯闪烁信CAN0：OFF 1:ON石转向灯闪烁佶CAN0：OFF 1:ON变速杆档位信息CAN0001：R点火开关ON信实线Wj：ON点火开关CAN00:LOCK输 出 量左倒车灯状态CAN00:OFF01:ON 11:右倒车灯状态CAN00:OFF01:ON 11:左牌照灯状态CAN00:OFF01:ON 11:右牌照灯状态CAN00:OFF01:ON 11:左转向灯实线高右转向灯实线高倒车灯实线高倒车信号输出实线低(OC)牌照灯实线高27第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计3.13行李箱模块CAN总线点火开关ON车身后 部车灯 控制器行李箱钥匙开启开-行李箱灯开关。1行李箱灯图3.10 行李箱模块系统框图图3.11 行李箱灯开关与行李箱门关系时序图28第3章 车身后部车灯控制系统硬件设计图3.12车身后部车灯控制系统硬件PCB设计图29第4章 车身后部车灯控制系统软件设计第4章 车身后部车灯控制系统软件设计在车身后部车灯控制系统软件设计中，主要分别实现以下几个部分：行李箱 灯、牌照灯、倒车灯、转向灯、雾灯、位置灯、制动灯、高位制动灯。4.1开关信号去抖处理：由于开关控制的人为性较强，车身控制还无法达到正确识别是否为人为操作 的程度，比如按键很短的时间，系统将无法判定该操作是否为有效操作，因此必 须要设计开关信号的去抖处理。具体的软件控制为，在开关信号被送出时，进行 一次信号采集，同一时间系统晶振开始计时，经过一段去抖时间后，对该信号再 次采集，如果两次情况一样，则识别该信号为有效操作，否则认为是无效操作。表4.1开关去抖处理开关信号有效电平去抖处理开启位置开关、低30ms去抖关闭位置开关低30ms去抖行李箱开度检测开关低30ms去抖钥匙开启开关低30ms去抖制动开关高30ms去抖IG高30ms去抖4.2错误处理点火开关ON信号:车身后部车灯控制系统有两种方法获得点火开关ON信号，一种为实线点火 开关ON信号，另一种是总线ON信号。当点火开关ON的实线信号与总线信号不 符时，处理方法：总线有信号，实线无信号：经过三个周期共300ms（周期时间根据实际微调）再判断总线和实线的信号，总线仍然有信号，实线仍无信号认为点火开关“接 通”。总线无信号，实线有信号：经过三个周期共300ms（周期时间根据实际微调）30第4章 车身后部车灯控制系统软件设计再判断总线和实线的信号，总线仍然无信号，实线仍有信号认为点火开关ON“接 通”。制动信号：车身后部车灯控制系统有两种方法获得刹车踏板制动信号，一种为实线信 号，另一种是总线信号。当实线信号与总线信号不符时，处理方法与点火开关相 同。总线信号：总线信号丢失时，点火开关和制动信号以实线信号为准，其它信号保持上 一次的有效值4.3模拟信号表4.2模拟信号处理模拟信号后灯组电源1电压采样三个系统节拍后灯组电源2电压采样三个系统节拍电机电源电压采样三个系统节拍左转向灯电流采样左转灯驱动开时采样右转向灯电流采样右转灯驱动开时采样倒车灯电流采样倒车灯驱动开时采样左后雾灯电流采样左后雾灯驱动开时采样右后雾灯电流采样右后雾灯驱动开时采样制动灯电流采样制动灯驱动开时采样高位制动灯电流采样高位制动灯驱动开时采样左后位灯电流采样左后位灯驱动开时采样右后位灯电流采样右后位灯驱动开时采样牌照灯电流采样牌照灯驱动开时采样行李箱灯电流采样行李箱灯驱动开时采样31第4章 车身后部车灯控制系统软件设计对以上模拟信号都采用连续采样5次AD(模拟信号)值，去掉最大值和最 小值，剩余3个取平均值的方法采集。4.4车身后部车灯控制系统各负载功能描述 后位灯车身前部车灯控制器识别到灯控开关对后位灯的操作信号，经舒适 CAN总线传输指令给车身后部车灯控制器，车身后部车灯控制器驱动后位 灯点亮或熄灭，要求采用带有诊断及保护功能的器件作为后位灯的驱动。后雾灯车身前部车灯控制器经舒适CAN总线传输后雾灯指令给车身后部车灯 控制器，车身后部车灯控制器驱动后雾灯的点亮与熄灭。相关的控制器还 有网关控制器和组合仪表，后雾灯发生故障时，车身后部车灯通过网关控 制器发送故障信息给组合仪表。点亮条件是电源开关在点火开关ON位置或发动机处于工作状态。该 条件由车身前部车灯控制器进行判断，车身后部车灯控制器不予考虑。后雾灯是LED类型灯具，要求采用带有诊断及保护功能的器件作为后雾 灯的驱动。过压和欠压保护功能：输入电压不在工作电压(916V)范围内时，后雾 灯停止点亮，在恢复到可工作电压范围后后雾灯再次点亮。制动灯制动灯/高位制动灯由车身后部车灯控制器驱动，触发信号可以是制 动踏板的信号，也可以是网关控制器经CAN总线发出的制动信号。制动踏板的实线信号可唤醒控制器。制动灯/高位制动灯是电源12V的用电器，即可以在点火开关断开时 激活。制动灯/高位制动灯工作电压范围扩展到6V至15Vo制动灯/高位制动灯都是LED类型灯具，要求采用带有诊断及保护功能 32第4章 车身后部车灯控制系统软件设计的器件作为制动灯/高位制动灯的驱动O4.4.1功能列表1功能操作元件接通条件关闭条件左后位灯亮灭CANAD（左后位灯 电流采样）命令后位灯打开CAN命令后位灯断开 CAN或左后位灯短路 故障右后位灯亮灭CANAD（右后位灯 电流采样）命令后位灯打开CAN命令后位灯断开 CAN或右后位灯短路 故障左后雾灯亮灭CANAD（左后雾灯 电流采样）AD（后灯组电 源2电压采 样）命令后雾灯打开CAN且后灯组电源2电压=10V 且v=15V 命令后雾灯断开 CAN 或左后雾灯短路 故障 或后灯组电源2电 压8V 或17V右后雾灯亮灭CANAD（右后雾灯 电流采样）AD（后灯组电 源2电压采 样）命令后雾灯打开CAN且后灯组电源2电压=10V 且v=15V 命令后雾灯断开 CAN 或右后雾灯短路 故障 或后灯组电源2电 压8V 或17V制动灯亮灭制动信号（实 线）制动信号（CAN）AD（制动灯电有制动信号（处理 后）无制动信号（处理 后）或短路故障33第4章 车身后部车灯控制系统软件设计流采样）制动灯/高位制动灯（无需MCU控制）制动信号（实线）MCU失效且制动信号为（实线）高 MCU正常或制动信号为（实线）低 转向灯由车身后部车灯控制器驱动，控制信号是由车身前部车灯控制器经舒 适CAN总线发送到车身后部车灯控制器的。要求采用带有诊断及保护功能的器件作为后部转向灯的驱动，软件方面要有 断丝报警功能。倒车灯车身后部车灯控制器接收到舒适CAN总线倒车信号后，驱动倒车灯点 亮或熄灭。点亮条件是电源开关在点火开关ON位置。要求采用带