基于CAN/LIN總線的汽車BCM系統

1、引言

車身控制器（即BCM）是汽車電子的一個重要應用，隨著汽車電子的發展以及人們對舒適性，安全性的要求更高，集CAN/LIN總線通信，智能燈光控制，雨刷控制，電動后視鏡控制，電動防夾車窗控制，RKE無鑰匙進入系統等于一體的車身控制模塊（BCM）正在成為一種趨勢。

本設計是基于CAN/LIN總線式的汽車BCM系統，該系統主要由開關信號輸入和輸出控制組成，輸入包括一系列開關信號和脈沖信號，輸出控制包括門鎖、燈光、車窗、報警器等控制，通過LIN總線與車窗節點進行通信。
2、

圖1  系統框圖

本設計采用PIC18F45K80單片機作為主控芯片，用PIC18F25K80作為副窗控制芯片，各節點之間通過LIN總線實現通信。

3、硬件設計

3.1、MCU外圍電路設計

      PIC18F45K80芯片是Microchip（美國微芯）公司推出的一款采用nanoWatt XLP 技術、帶ECAN™ 增強型閃存單片機，其芯片資源及特性如下：

■ 寬工作電壓范圍：1.8V 至5.5V；

■ 工作速度最高可達64 MHz，滿足BCM的時時性需求；

■ 32 KB 的片上閃存程序存儲器，滿足BCM多功能的程序設計需求；

■ 8 x 8 單周期硬件乘法器；

■ 休眠模式電流最低為13 nA （典型值），滿足系統對功耗設計需求；

■ 豐富的外設模塊（符合CAN 2.0B Active 規范的CAN控制器；5 個CCP/ECCP 模塊；5 個8/16 位定時器/ 計數器模塊； 2 個模擬比較器；可配置的參考時鐘輸出;高灌/ 拉電流：25 mA/25 mA（PORTB 和PORTC）；最多4 個外部中斷； 1 個主同步串行口（Master Synchronous Serial Port，MSSP）模塊； 2 個增強型可尋址USART 模塊， 支持LIN/J2602， 自動波特率檢測;最多具有11 路通道的12 位A/D 轉換器；數據信號調制器模塊）。

■ PIC18F45K80單片機片需要在每對電源引腳（例如，VDD/VSS 和AVDD/AVSS）上使用去耦電容。使用去耦電容時，建議使用參數為0.1 μF（100 nF）、10-20V的電容。該電容應具有低ESR，諧振頻率為200 MHz 或更高。建議使用陶瓷電容。PIC18FXXKXX 器件會永久性地使能穩壓器，需要在VCAP/VDDCORE 引腳上使用低ESR （< 5Ω）電容，以穩定穩壓器的輸出電壓。VCAP/VDDCORE 引腳一定不能與VDD 連接，并且必須使用10 μF 的電容接地。可以使用陶瓷電容或鉭電容。表1 列出了一些適用電容的示例。同等規格的電容都可以使用。

表1  適用的等效電容

圖 2   PIC18F45K80外圍電路

3.2、主電源電路設計

     MCP16301是一款DC/DC電源芯片,輸入電壓范圍最高可達30V，輸出電流最高可達500MA，最高效率可達96%，電路如下：

圖3  5V電源電路

3.3、CAN/LIN總線接口硬件電路設計

3.3.1、 LIN 接口芯片采用Microchip最新推出的MCP2021A，MCP2021A符合 LIN Bus Specifications Version 1.3, and 2.x. SAE J2602-2，支持率高達20的最大波特率波特率，MCP2021A片內集成電壓調節器，可選擇輸出電壓3.0V 或5.0V，輸出電流可達70MA。（本設計中副車窗模塊采用MCP2021A片內集成的電壓調器給系統提供5V電源），強大的防靜電性能：±15 k 在LUBS和VBB引腳。同時具有總線喚醒功能以使系統的功耗更省。電路如下：

圖4  LIN接口電路

3.3.2、CAN 接口芯片采用Microchip 公司生產的MCP2551，MCP2551是一個可容錯的高速CAN器件，它完全符合ISO-11898標準，包括能滿足24V 電壓要求。它的工作速率高達1 Mb/s。SI8421是美芯科公司生產的數字隔離器件，采用射頻耦合的數字隔離技術，具有非常高的速度在低功耗運行的特點，有三種速度級別供選擇（1，10，和150Mbps）, 典型的傳輸延遲時間小于10納秒。電路如下：

圖5  CAN接口電路

3.4、電機驅動電路設計

AUIPS6011具有過流關斷、過溫關斷和有源箝位電路功能都能確保在重復短路的情況下實現安全運行和保護。電路如下：

圖6  電機驅動電路

■  防夾算法的實現

防夾功能是基于霍爾傳感器檢測電機轉速和檢測電機電流變化情況來實現的。本文參考美國的MVSS118 標準，定義防夾區如下圖所示：

圖7  防夾區示意圖

霍爾傳感器與單片機中斷口相連，中斷程序負責采集霍爾傳感器信號并計算電機轉動方向、位置。當時時檢測到的位置值大于等于設定的防夾閥值時起動防夾功能，通過電機電流的變化可間接的知道是否有遇到阻力或已到最頂端，然后控制電機停止或反向運動。

3.5、日間燈驅動電路設計

         日間行車燈是指使車輛在白天行駛時更容易被識別的燈具，裝在車身前部。是屬于信號燈的范疇。作用提醒司機注意對面有車駛過來。LED日間行車燈因其具有高的發光效率，長的使用壽命而被大量使用。本設計使用Microchip 公司的恒流驅動芯片MCP1630，單片機為MCP1630提供了振蕩源和參考電壓從而使電源系統變得更靈活和可調節。電源系統的開關頻率和最大占空比由單片機的I/O 口設置。最高輸出電壓55V@350MA,最多可以接16個1W 的LED，電路如下：

     圖8  LED恒流源電路

圖9  典型效率

3.6、加熱座椅電源電路設計

AUIPS7125R是一款高邊智能功率開關(IPS)，可提供全面的保護功能，除了主動箝位電路外，還包括過流和過溫關閉，以確保開關安全可靠，并可在重復短路的情況下提供保護。電路如下：

圖10  加熱座椅電源電路

4、軟件設計流程

BCM軟件設計采用模塊化程序設計，包括MCU初始化，自檢程序，輸入信號檢測,LIN信號接收處理，CAN信號接收處理，車窗控制，車燈控制，車門控制、報警器處理。流程如下：

 

5、 結 語

本文采用帶ECAN™ PIC18F45K80增強型閃存單片機作為主控芯片，采用智能功率開關（IPS）AUIPS6011組成H橋電路實現電機正反轉，取代傳統繼電器電機驅動電路，使電機驅動電路的設計具有多種保護功能，提高了系統的可靠性。