基于LIN總線的汽車HID前照燈自動調光系統

摘 要：針對汽車HID前照燈對自動調光的需求，本文設計了一套基于LIN總線的前照燈自動調光系統。介紹了系統的總體設計方案、硬件組成和軟件設計基本思想，并給出了軟件編程的基本框架。
關鍵詞：前照燈；自動調光；LIN總線；步進電機控制

引言
HID是高壓氣體放電燈(High Intensity Discharge)的縮寫，也可稱為重金屬燈或者氙氣大燈。與傳統鹵素燈泡相比，HID有亮度高、壽命長、省電等優點。
正是由于HID具有高亮度的特點，如果使用時照射高度調節不當，在會車時將會對迎面來車的司機造成強烈的眩目，產生安全隱患。為了規范HID前照燈的市場，聯合國歐洲經濟委員會(United Nations Economic Commission for Europe)在ECE-R48條款中明確規定：裝備HID前照燈的車輛必須配備能夠全自動調節其照射高度的系統，也可稱之為前照燈水平自動調光系統。該系統工作時，會根據車輛負載的變化自動調整HID前燈的投射俯仰角度，確保其投射高度在合適的范圍內，既達到良好的照明效果，又不會對迎面車輛的司機造成眩目。

系統總體方案設計
如圖1所示，系統可分為三個部分，即車身高度傳感器、中央控制單元和驅動執行單元。系統運作情況如下：該系統的主MCU(MC68HC908GZ60)采集車身前后軸高度傳感器的信號，經運算后發出控制信號分別給左右前照燈的水平調光步進電機，指示電機轉動到指定位置，完成自動調光。

圖1 前照燈自動調光系統方案設計


系統硬件設計
車身高度傳感器
該系統的主要原理是利用測定車內兩個基準點(約前、后軸位置)到地面的距離差得出車輛的傾斜角度信號，從而進行水平調節。可選擇光電編碼式的車高傳感器，把車身高度的變化(懸架變形量的變化)變換成傳感器軸的旋轉，將檢測出的旋轉角度信號轉變為電壓信號輸入MCU。實驗中，車身高度傳感器在車左前輪和左后輪內側各裝一個。

中央控制單元
系統中央控制單元采用飛思卡爾(Freescale)公司生產的MC68HC908GZ60芯片為主MCU，配合其他必要元件組成控制單元電路。該芯片主要特性有：8位HC08型CPU，開發資源豐富，兼容性好；片載60KB Flash EEPROM，2KB RAM；24通道A/D轉換模塊，10位精度。

此外，選擇飛思卡爾MC33399芯片與核心MCU通過SCI口相連，作為LIN總線收發器。該芯片最多可以驅動16個節點。

之所以選擇LIN總線，是因為它已經是車用總線中較為普及的一種，它的優點是芯片價格低廉，性價比高。LIN總線信號傳輸速率可達19.2kbps，一般用在對汽車安全性要求不高的控制場合，例如電控門窗、車燈開關控制等。
LIN總線主節點電路原理圖如圖2所示。

圖2 LIN總線主節點電路原理圖


驅動執行單元
驅動執行單元，主要是通過獲取LIN總線上的信號，來控制步進電機轉動，從而帶動前照燈反光板沿垂直方向轉動，完成水平調光。

此處選擇了美國AMI半導體公司的AMIS-30623步進電機控制芯片。該芯片屬高集成度芯片，內建了電源模塊、控制器、LIN總線收發器和步進電機驅動。其主要特性有：最高峰值電流輸出達800mA；提供最高達16細分數的步進電機驅動；內建加減速算法；完全兼容LIN1.3規范。

由于AMIS-30623芯片本身不可重新編程，一切操作均通過LIN總線調用其內部函數來完成，所以使用起來十分簡便。內建的加減速算法對于控制步進電機變速運動非常有效。

LIN總線從節點電路原理圖如圖3所示。

圖3 LIN總線從節點電路原理圖

系統軟件設計
軟件方面，采用1ms定時中斷采集，每次中斷到來時采取一組傳感器輸出的電壓值。經過預判斷后，將有效數據保留，帶入公式計算，得出需要步進電機轉動到的目標位置。通過LIN總線向相應的AMIS-30623芯片發送信號，控制步進電機按加速―勻速―減速的方式平穩運動到相應位置。該程序在Freescale CodeWarrior 5.7.0環境下編譯通過。主程序流程如圖４所示。

圖4 系統主程序流程圖

實驗結果
為了驗證該系統的動態調光性能，在實驗室環境下搭建了一個能夠模擬車身俯仰運動的實驗平臺。實驗過程中，控制平臺本身按一定幅度作俯仰運動，測得調光系統階躍響應時間約420ms，調整時間小于1s，穩態誤差約0.035，滿足了動態自動調光的基本要求。

結語
該系統實現了對汽車前照燈自動調光的基本功能，為進一步開發更為復雜的自適應前照燈系統(Adaptive Frontlighting System)奠定了基礎。

此外，該系統實際上是一套基于LIN總線和單片機的小功率步進電機控制系統。LIN總線作為一種成本低廉、有較強容錯性的局域總線，在汽車和工業控制等環境中正得到越來越廣泛地應用。該系統易開發、易維護、成本低廉，可最多添加至16個子節點，增減節點前后軟件方面完全兼容，無需重新編程。因此，該設計方案在小功率步進電機控制領域具有一定的推廣價值。

參考文獻
１齊志鵬，汽車傳感器和執行器的原理與檢修，北京：人民郵電出版社 2002.9：224~226
2 MC68HC908GZ60 Data Sheet Rev. 3.0, Freescale, 2006
3 MC33399 Data Sheet Rev. 6.0, Freescale, 2005