CN106218548A - 基于can‑lin网络的车灯控制系统 - Google Patents

基于can‑lin网络的车灯控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CAN‑LIN网络的车灯控制系统，所述系统包括：按键模块，所述按键模块与CAN总线相连，用于输入开关信号；主机模块，所述按键模块与CAN总线和LIN总线相连，主机模块通过CAN总线接收开关信号组成的CAN数据帧，解析CAN数据帧并处理后组成LIN数据帧通过LIN总线进行发送；若干从机模块，每个从机模块包括与主机模块进行通信的LIN从机节点和用于对车灯进行控制的驱动控制模块，从机模块从LIN总线接收LIN数据帧对车灯进行控制。本发明CAN‑LIN网络间的通信具有硬件电路简单、控制层次分明且成本较低等优点。

Description

基于CAN-LIN网络的车灯控制系统
技术领域
本发明涉及汽车电子技术领域，特别是涉及一种基于CAN-LIN网络的车灯控制系统。
背景技术
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。汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，是改进汽车性能最重要的技术措施。近年来，随着信息技术的快速发展以及汽车制造业水平的不断提升，电子设备在汽车总成本中所占的比例也随之攀升，据统计，从1970年至2014年，全球汽车电子设备的成本占比从2％上涨到了50％以上。近10年来汽车产业70％的创新来源于汽车电子技术及其产品的开发应用，汽车电子技术的应用水平已成为衡量汽车档次水平的主要标志，其应用程度的提高是汽车生产企业提高市场竞争力的重要手段。
汽车电子技术的快速发展带来了汽车领域的革新，使汽车越来越智能化，汽车电子技术的研究在整车研发工作中的占比也不断增加。面向汽车电子的微控制器的应用基础研究是汽车电子技术的重要内容之一。2014年恩智浦推出了基于ARM Cortex M0+内核的面向汽车电子KEA系列微控器，相比于一般微控制器，KEA系列微控制器具有更宽的温度范围及更高的可靠性。因其具有性能好、可靠性高、价格低等突出特点，将是汽车电子领域的重要成员，也能更好地应用于其他对可靠性要求较高的领域。
传统的车灯控制系统大多采用继电器和独立模式控制，这使得车内线束过多且布线复杂，电磁干扰变得更加严重，降低了系统的可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于CAN-LIN网络的车灯控制系统。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，所述系统包括：
按键模块，所述按键模块与CAN总线相连，用于输入开关信号；
主机模块，所述按键模块与CAN总线和LIN总线相连，主机模块通过CAN总线接收开关信号组成的CAN数据帧，解析CAN数据帧并处理后组成LIN数据帧通过LIN总线进行发送；
若干从机模块，每个从机模块包括与主机模块进行通信的LIN从机节点和用于对车灯进行控制的驱动控制模块，从机模块从LIN总线接收LIN数据帧对车灯进行控制。
作为本发明的进一步改进，所述按键模块包括若干独立式按键。
作为本发明的进一步改进，所述主机模块包括CAN收发器MC33901、KEA128微控制器及LIN收发器MC33662，CAN收发器MC33901与KEA128微控制器通过CAN_TX和CAN_RX相连，KEA128微控制器的PTC7引脚与CAN_TX连接，PTC6引脚与CAN_RX连接，LIN收发器MC33662与KEA128微控制器通过LIN_TX和LIN_RX相连，KEA128的PTB1引脚与LIN_TX连接，PTB0引脚与LIN_RX连接。
作为本发明的进一步改进，所述LIN收发器MC33662的EN引脚由KEA128的PTB2引脚控制，当PTB2＝1时，MC33662使能，进入工作模式；当PTB2＝0时，MC33662禁能，进入睡眠状态。
作为本发明的进一步改进，所述驱动控制模块包括一个NPN型的三极管和一个MOSFET-N管。
作为本发明的进一步改进，所述驱动控制模块还包括检测电路。
作为本发明的进一步改进，所述检测电路包括若干分压电阻，通过分压电阻间的电压检测电源电压。
作为本发明的进一步改进，所述驱动控制模块还包括限流电路。
作为本发明的进一步改进，所述限流电路包括用于放大电流的放大器。
本发明的有益效果是：
通过CAN总线，实现按键模块与主机模块的通信；
通过LIN总线，实现主机模块对车灯的准确、及时的控制；
通过总线电位及电路中输入引脚、输出引脚的电位，实现从机模块对车灯故障的诊断功能，能够使LIN总线节点能有效、实时地完成通信任务；
CAN-LIN网络间的通信具有硬件电路简单、控制层次分明且成本较低等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施方式中基于CAN-LIN网络的车灯控制系统的模块示意图；
图2为本发明一实施方式中独立式按键的原理图；
图3为为本发明一实施方式中按键模块的电路图；
图4为本发明一实施方式中主机模块的电路图；
图5为本发明一实施方式中从机模块的电路图；
图6为本发明另一实施方式中从机模块的电路图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明一实施方式中公开了一种基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，其包括：
按键模块10，按键模块与CAN总线相连，用于输入开关信号；
主机模块20，按键模块与CAN总线和LIN总线相连，主机模块通过CAN总线接收开关信号组成的CAN数据帧，解析CAN数据帧并处理后组成LIN数据帧通过LIN总线进行发送；
若干从机模块30，每个从机模块30包括与主机模块进行通信的LIN从机节点31和用于对车灯进行控制的驱动控制模块32，从机模块从LIN总线接收LIN数据帧对车灯进行控制。
本发明一具体实施方式中的车灯控制系统(SD-LCM系统)包括一个主机模块和四个从机模块。主机模块与CAN总线和LIN总线相连，它作为CAN-LIN网络之间的纽带，实现了局域网LIN与车身CAN网络之间的连接；四个从机模块分别控制左前、左后、右前、右后相应位置的车灯，所有的从机模块之间通过一条LIN总线相连。
当用户按下操作按钮时，车灯控制系统要求车灯能及时地做出相应的反应；同时，当车灯发生故障时，用户能得到相应的故障信息。基于此需求，本发明对主机模块和从机模块作以下分工：
主机模块位于车的驾驶车内，主要用于检测来自CAN总线的各个控制开关的状态，并根据这些控制开关的状态实现相应的控制策略，然后将控制命令打包成帧通过LIN总线发送给从机模块；
四个从机模块通过LIN总线接收主机模块的命令，通过解析命令完成对车灯的控制，同时向主机模块反映各个车灯的状态，还可以检测过压、过流、短路等状态。
以下结合具体实施方式对按键模块、主机模块和从机模块作详细说明。
按键模块：
按键模块设计的思路是：将按键与微控制器的GPIO引脚相连，MCU通过检测与按键相连接的GPIO引脚来确定按键的状态，作为开关信号输入，从而实现对车灯的控制。本实施方式中按键模块采用KEA128作为模块控制器，基于应用分析并实现按键模块的硬件设计。
由于KEA128微控制器内部集成了按键模块，可以采用按键中断的方式识别按键是否被按下。但是KEA系列MCU的按键中断有一个很大限制：在新的边沿触发中断前，所有该模块已使能的按键引脚电平必须全都为触发前的电平状态。例如，在按键下降沿中断触发模式下，只要有一路引脚电平为低，则该模块已使能的其他按键引脚发生下降沿将无法触发中断，因此按键边沿中断不能准确触发。
基于以上分析并结合实际实验中使用的按键型号(非自动还原式按键)，本课题决定采用定时查询GPIO引脚电平的方式，实现非自动还原式按键的识别功能。主机模块需要定时检测5个开关信号，分别对应模拟5种情况，可以采用按键的独立式接口方式实现。独立式按键的原理图如图2所示，每个独立按键按一对一的方式直接接到I/O输入线上。读键值时直接读I/O口，每个键值通过读入对应I/O的状态来反映，这种方式查键实现简单。按键的基本电路为接触开关，通、断两种状态分别表示为0和1，电路实现简单易懂。
同时，由于KEA128微控制器中所有数字输入引脚(除了PTA2和PTA3)可配置为内部上拉到VDD，内部上拉电阻的阻值范围为30KΩ～50KΩ，但无内部下拉。因此本实施方式设计按键模块电路时，使用GPIO内部上拉电阻，并在外部电路设计下拉电阻，按键模块检测按键是否按下，并按键信号组帧通过CAN总线将信号发给主机模块。图3为按键模块硬件设计，结合本实施方式硬件电路板及GPIO引脚的复用情况，考虑到引脚冲突和电路接线的快捷简单，分别采用PTG3、PTG1、PTG0、PTE2及PTI3引脚分别连接5个按键，通过定时检测GPIO引脚电平变化判断按键是否按下，完成按键信号的采集。
主机模块：
主机模块主要用于检测来自CAN总线的开关信号的状态，并通过LIN总线把命令传送给从机模块，因此主机模块需要同时具备CAN、LIN通信的功能。
本实施方式中主机模块硬件设计如图4所示，包括CAN收发器MC33901、KEA128微控制器及LIN收发器MC33662。其中：
CAN收发器MC33901与KEA128微控制器通过CAN_TX和CAN_RX相连，KEA128微控制器的PTC7引脚与CAN_TX连接，PTC6引脚与CAN_RX连接；
LIN收发器MC33662与KEA128微控制器通过LIN_TX和LIN_RX相连，KEA128的PTB1引脚与LIN_TX连接，PTB0引脚与LIN_RX连接。
EN引脚由KEA128的PTB2引脚控制，当PTB2＝1时，MC33662使能，进入工作模式；当PTB2＝0时，MC33662禁能，进入睡眠状态，从而达到减小功耗的目的。
主机模块与按键模块在同一CAN总线上，按键模块遵循CAN协议将按键信号组成数据帧通过CAN总线发给主机模块，主机模块通过解析帧并经过相应的处理将数据通过LIN总线发送给从机模块。
从机模块：
本实施方式中车灯控制系统包括4个从机模块，每个从机模块由LIN从机节点和驱动控制模块两部分组成。
从机模块中的LIN节点负责与主机模块进行通信，其与主机模块在同一条LIN总线上，可实现数据的实时传递。与主机模块略有不同，从机模块中的LIN节点只接收来自LIN总线的数据帧，通过解析后，对驱动控制模块执行相应的策略，从而完成对车灯的控制，并通过LIN总线向主机模块报告负载车灯的故障信息。
从机模块中的车灯驱动控制模块主要负责对车灯进行控制，如开关灯的控制、状态的检测等，本实施方式仅以其中一个灯驱动控制模块为例，着重介绍其设计原理。
在实际应用中，各个用途的车灯功率及电压各不相同，一般情况下，汽车车灯功率最大为60W左右，最小2W左右，电压为12V/24V，而KEA128微控制器的工作电压为5V，因此GPIO口不能直接驱动车灯。为了能够控制不同功率车灯且不改变硬件接线，本实施方式中设计了两种不同的车灯驱动控制电路，实现对车灯的控制，分别如图5和6所示。同时采用脉宽调制方式(Pulse Width Modulation，PWM)来控制车灯的启动及运行过程，考虑到引脚复用的情况，采用PTD1引脚的电平间接控制车灯的亮暗。
图6中，通过一个NPN型的三极管(例如，9013或8050)和一个MOSFET-N管实现电路的开关。当PTD1引脚输出低电平时，MOSFET-N管漏极和源极导通，12V电源给车灯供电，车灯点亮。当PTD1引脚输出高电平时，MOSFET-N管漏极和源极截止，车灯变暗。因此，此电路实现的GPIO口输出低电平点亮车灯，高电平车灯变暗。
图6是第二种车灯模块的控制电路，被虚框分成三部分，中间部分电路是用来控制车灯，上下两部分是用来进行车灯故障检测。控制车灯的电路是通过一个NPN型的三极管(例如，9013或8050)、一个PNP型三极管(例如，8550)和一个MOSFET-N管实现电路的开关。当PTD1引脚输出高电平时，MOSFET-N管漏极和源极导通，12V电源给车灯供电，车灯点亮。当PTD1引脚输出低电平时，MOSFET-N管漏极和源极截止，车灯变暗。因此，此电路实现的GPIO口输出高电平点亮车灯，低电平车灯变暗。
以上两种电路原理上基本相似，均类似于一个开关，根据GPIO口的电平变化实现对车灯的控制。根据实际应用场景，默认情况下车灯的状态为暗，GPIO口状态为低电平，如果使用图5的电路设计，需要在初始时将GPIO引脚设置为高电平。优选地，使用图6的电路设计，对于车灯的硬件选型，用户可以自行选择合适功率的车灯。本实施方式采用12V输入，功率为5W的LED灯模拟车灯。
车灯负载故障最容易发生在开启的一瞬间，为了有效地抑制车灯启动时的瞬间电流过大，本实施方式中采用PWM来控制车灯的启动及运行过程。由图6可以看出，通过PTD1引脚的电平控制车灯的亮暗，并且PTD1引脚可复用为FTM2CH3引脚。开启车灯时使能PWM功能，逐步提高PWM的占空比直到100％，使车灯的电压逐步上升到12V，这样可以延长车灯的使用寿命。
同时，电源电压选择是否得当直接决定车灯的是否正常工作，因此对电源电压检测电路，如图6的上部分虚框所示。由于车灯的供电电压是12V，而KEA128的GPIO引脚最大电压为5V，因此不能直接采用A/D采集引脚电压。为了检测电源电压是否正常，在图6中添加了分压电阻5.1K和20K，测试P0点的电压，这样可以直接对PTA0引脚进行A/D采集。在系统运行时根据命令开启车灯后，将启动A/D实时采集PTA0引脚电压，如果采样值低于设定值则认定为电源欠压；如果采样值大于设定值则认定为电源过压，从机MCU将迅速将连接车灯的GPIO引脚打低电平以保护该器件，并生成相应的故障信息反馈给主机模块，同时主机模块上相应的错误指示灯点亮。
并且，电路中出现过流也会造成车灯负载故障，图6的下部分虚框中设计了限流电路。电路中采用了康铜丝测试车灯负载电流，电路中电流放大倍数即P2与P1点电流的比例：(R7+R8)/R8＝(6K2+1K2)/1K2＝7.4/1.2。通过对PTA0引脚进行A/D采集电压，最后转换成测试点P1电流，P1点电流如果高于设定值(5W/12V)则认定为过流，从机MCU将通过PWM将占空比调低，从而起到限流的作用。
由上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
通过CAN总线，实现按键模块与主机模块的通信；
通过LIN总线，实现主机模块对车灯的准确、及时的控制；
通过总线电位及电路中输入引脚、输出引脚的电位，实现从机模块对车灯故障的诊断功能，能够使LIN总线节点能有效、实时地完成通信任务；
CAN-LIN网络间的通信具有硬件电路简单、控制层次分明且成本较低等优点。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，其特征在于，所述系统包括：
按键模块，所述按键模块与CAN总线相连，用于输入开关信号；
主机模块，所述按键模块与CAN总线和LIN总线相连，主机模块通过CAN总线接收开关信号组成的CAN数据帧，解析CAN数据帧并处理后组成LIN数据帧通过LIN总线进行发送；
若干从机模块，每个从机模块包括与主机模块进行通信的LIN从机节点和用于对车灯进行控制的驱动控制模块，从机模块从LIN总线接收LIN数据帧对车灯进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，其特征在于，所述按键模块包括若干独立式按键。
3.根据权利要求1所述的基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，其特征在于，所述主机模块包括CAN收发器MC33901、KEA128微控制器及LIN收发器MC33662，CAN收发器MC33901与KEA128微控制器通过CAN_TX和CAN_RX相连，KEA128微控制器的PTC7引脚与CAN_TX连接，PTC6引脚与CAN_RX连接，LIN收发器MC33662与KEA128微控制器通过LIN_TX和LIN_RX相连，KEA128的PTB1引脚与LIN_TX连接，PTB0引脚与LIN_RX连接。
4.根据权利要求3所述的基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，其特征在于，所述LIN收发器MC33662的EN引脚由KEA128的PTB2引脚控制，当PTB2＝1时，MC33662使能，进入工作模式；当PTB2＝0时，MC33662禁能，进入睡眠状态。
5.根据权利要求1所述的基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，其特征在于，所述驱动控制模块包括一个NPN型的三极管和一个MOSFET-N管。
6.根据权利要求5所述的基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，其特征在于，所述驱动控制模块还包括检测电路。
7.根据权利要求6所述的基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，其特征在于，所述检测电路包括若干分压电阻，通过分压电阻间的电压检测电源电压。
8.根据权利要求5所述的基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，其特征在于，所述驱动控制模块还包括限流电路。
9.根据权利要求8所述的基于CAN-LIN网络的车灯控制系统，其特征在于，所述限流电路包括用于放大电流的放大器。
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