基于CAN/LIN混合网络的车门控制系统

张昱，鲁睿婷，唐厚君，陈伟

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

0 引言

CAN总线最初是由德国Bosch公司提出的，是一种多主方式的串行通讯协议。随着汽车上的控制装置的增加，功能越来越复杂，传统的点对点通信方式带来汽车车身线束质量剧增、线路繁冗复杂等问题，CAN总线作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，被广泛应用于车身控制系统中。LIN是专门为汽车开发的低成本串行通信网络。通常采用LIN总线作为CAN总线网络的扩充。在低速的车身控制条件下，与CAN总线相比，LIN总线控制方案成本较低，因为LIN硬件的实现是基于普通的串行通信接口，甚至在子节点中可以用普通的I/O口加上定时器进行模拟。另外，在LIN网络中只需要为主节点设置较高精度的时钟，从节点只需通过主节点发送的同步段就能获得位速率信息，这样一方面减少了高精度时钟数量，降低了成本［1］;另一方面不需要仲裁，降低了软硬件设计的复杂度。采用CAN/LIN混合网络，汽车结构设计可以更加灵活。

1 系统概述

系统的拓扑结构如图1所示，系统采用CAN总线和LIN总线相结合的混合网络，形成层次式和并列式混合的网络结构［2］。左前门、右前门、左后门、右后门四个车门节点组成并列式的CAN通讯网络，CAN总线可靠性好，实时性强，应用在控制功能比较复杂的场合，车门控制系统的主要功能是接收来自中控锁、玻璃升降器开关、车门锁等控制开关的信号，控制车窗、车灯、车门锁等执行器并记录其状态。由于左前门上的开关可以控制四个车门的车窗和车锁，功能比较复杂，将其作为控制节点，负责接收其他节点的状态信号并根据相应的状态给出控制信号。其他节点功能较简单，主要用来接收左前门发送的命令，对节点上的执行器进行驱动和状态反馈。LIN总线用于速度和可靠性要求不高的场合，连接后视镜、车内阅读灯、雨刷等从节点。LIN主节点由左前门节点来完成，与从节点进行数据传输，同时充当CAN和LIN网络连接的网关。

图1 车门控制系统的网络拓扑

2 系统硬件设计

2.1 CAN节点和LIN节点设计

CAN节点采用飞思卡尔MC9S08DZ60单片机作为主控芯片，该芯片是基于HCS08内核的高度集成的高性能8位单片机，具有很强大电磁兼容性。其主要功能模块包括24路12bitA/D采样口;1路MSCAN模块兼容CAN协议2.0A/B;2路串行通信接口模块（SCI），支持 LIN2.0协议;1路串行外围接口模块（SPI）;2个定时器模块等，能完全满足系统的功能需求，且片上资源能够得到充分利用。以左前门为例，图2为主控芯片的硬件原理图。

对于LIN节点，由于左前门节点使用的MC9S08DZ60芯片的串行通信SCI模块支持LIN2.0协议，可以直接使用MC9S08DZ60作为LIN主节点控制器。从节点采用微芯的PIC16F886芯片作为控制器，PIC16F886带有增强型UART模块，支持LIN2.0协议，并能实现自动波特率检测和校准、接收到间隔字符时唤醒、13位间隔字符发送等附加功能，简化了LIN总线系统的实现。

汽车的电池一般提供的电压为12 V直流，而控制芯片的供电电压一般为5 V直流，同时输入信号调理电路也需要5 V的电压，因此需要进行电平转换［3］。采用 LP2985－50稳压芯片提供稳定的5 V电压。

图2 主控芯片的硬件原理图

2.2 CAN＆LIN收发电路设计

CAN收发器集成了CAN协议中物理层的部分功能。采用TJA1040收发器，每个节点通过收发器物理连接到CAN总线线路，收发器能够驱动CAN总线所需的大电流，并具有对故障CAN或故障节点的电流保护。MC9S08DZ60单片机有一个MSCAN模块，用于控制CAN报文的收发处理，该模块用单片机外部的两个引脚，包括一个CANRX和一个CANTX引脚。在CAN总线上，CANTX输出的电平0表示显性，电平1表示隐性。

在每个LIN节点都采用TJA1020收发器作为LIN协议控制器与LIN物理总线之间的接口。TJA1020能支持最好至20 Kbps的波特率，具有很好的EMI特性，为LIN总线的从节点集成了终端电阻，具有睡眠模式，能有效减少功耗［4］。TJA1020与TJA1040收发电路如图2所示。主节点中MC9S08DZ60的SCI2模块中的TxD2和RxD2与从节点中PIC16F886的Tx与Rx分别连接到相应的TJA1020的TxD和RxD端，LIN总线的输出引脚通过一个内部的终端电阻被拉高。收发器在LIN总线的输入引脚检测数据流并通过引脚RXD发送到微处理器。

2.3 信号调理电路设计

图3 CAN/LIN总线收发电路

车窗升降开关和后视镜控制开关的输出信号是模拟量，在开关内部不同档位对应不同大小的电阻，通过开关进行切换。在开关内部没有分压电阻，需要在输出信号端加入上拉电阻，将输出信号连接到的MCU管脚上拉。当开关没有动作时，A/D管脚采集到上拉电平;当开关有动作时，电阻分压得到相应的模拟电平。在A/D管脚处连接一个4.7 V的稳压管，减小电压波动，避免对MCU造成破坏。

车门锁接触开关信号是开关量信号，高电平为12 V，低电平为0 V，需要采用一个电平转换电路对开关量信号进行调理，否则电压值会超过I/O口能承受的最高电压。当开关没有按下时，输入为高电平，二极管和三极管都截止，I/O口的电平被拉低为低电平。当开关被按下时，输入为低电平，二极管和三极管导通，输出电平为高电平（5 V）。这样的转换电路减少了外部开关信号对内部微处理器系统的干扰。输入信号调理电路如图4所示。

2.4 系统执行器的驱动

图4 输入信号调理电路

图5 VNH3ASP30－E的驱动电路

系统所用的玻璃升降器电机的正常工作电流在10 A一下，约为3～5 A，考虑到其带动的玻璃重量、运动过程中遇到的阻力，峰值电流在15 A左右。由于单片机的输出功率不能直接驱动电机，因此需要采用专用的电动玻璃升降器驱动芯片VNH3ASP30－E［5］。 使 用VNH3ASP30－E的驱动电路如图5所示。图5中来自MCU的控制信号有INA/INB、ENA/ENB以及PWM。两路输出分别用于控制车窗的上升和下降。VNH3ASP30－E内部集成了电流反馈电路，能够在CS管脚输出一个与输出电流成正比的反馈电流，反馈给MCU的信号为CS经低通滤波后的信号。MCU根据采样到的MCU值判断玻璃升降器的工作状态:正常运行、遇到阻力或堵转，可以进行防夹设计。

与车窗类似，车锁和后视镜的驱动采用L9949驱动芯片，该芯片通过SPI与MCU连接，获得控制字。LIN节点控制的车内阅读灯的功率为5 W，其驱动也选择高侧开关集成芯片VND5E050AK－E来完成。VNH3ASP30－E能提供的驱动电流可达30 A，驱动电压可达41 V;L9949的直流供电电源电压可达28 V，片内有一个最大输出电流为6 A的全桥驱动电路;VND5E050AK－E最大瞬态供电电压为41 V，正常操作电压在4.5 V－28 V，最大输出电流为27 A，驱动电压、电流、功率完全能够满足系统需求。

3 系统软件设计

在CAN节点的程序中，首先对系统的时钟模块、A/D模块、TPM模块、MSCAN模块、SPI模块等进行初始化。程序进入循环主体检测各自节点的状态量、等待其他节点发送的CAN报文。对于检测到的开关输入信号，按照主节点的功能要求进行相关报文的逻辑组合，进行CAN报文的发送，如果有对LIN节点的控制，则进行LIN报文的发送［6］。对于其他节点发送的CAN报文采用中断接收方式，在中断程序中先根据相关报文的意义对标志位进行设置，退出中断后再根据标志位对节点的执行器进行驱动。

在LIN主节点和从节点的程序中，首先进行SCI端口一些标志位等参数的初始化。主节点在检测到开关状态变化时，向从节点发送报文头，依次发送间隔场、同步场和ID场，之后等待从节点响应数据的状态，接收到数据后相应地修改状态标志位。

从节点负责发布或者接听帧的应答，包括两个部分:检测同步间隔和同步场、帧处理。帧处理包括接收并分析帧 ID，按照事先的设计，选择是发送应答、接收应答（为数据提供缓冲区）或者既不接收也不发送应答。这里采用主节点发送报文头并接收从节点的应答，从节点发送相应的状态信息的方式。从节点采用中断的方式来接收LIN报文并响应，PIC16F886有间隔场自动唤醒功能，只要检测到间隔场就会进入中断服务程序，因此将控制程序放入中断服务程序。根据接收到的帧ID判断是否接收报文，对室内灯、雨刷或后视镜进行控制，并将执行器的状态反馈到数据场中，发送给主节点［7］。程序流程图如图6所示。

图6 CAN节点与LIN节点程序流程图

4 结束语

本系统采用CAN/LIN混合网络，实现了以左前门为主的汽车车门控制系统，表明利用多种现场总线可以代替传统的控制方法，并且可以改善控制效果，提高控制系统的性能，同时也能有效地减少成本。本系统已经在实验台架上调试完成，可以可靠地完成控制功能。

［1］汪淼，吴云，常安云.基于LIN总线的车身控制系统的应用研究［J］.计算机工程与设计.2009，30（13）:3094 －3096.

［2］龚进峰，吴正，曹健，等.CAN/LIN混合网络在轿车车门控制系统中的应用［J］.汽车工程，?2006，28（06）:578－581

［3］张虹.基于LIN总线的车身电控系统设计［J］.仪表技术与传感器，2009，46（7）:57 －59.

［4］车勇，李百川，彭贤武.LIN总线技术在汽车中央集控门锁上的应用［J］.山西电子技术，2006，34（3）:43 －44，53.

［5］沈会，徐青菁，叶子晟，等.基于CAN总线的电动车窗控制系统设计［J］.电力电子技术.2011，45（12）:84－86.

［6］华韬，阳宪惠，宋明浩.基于CAN/LIN网络的汽车门锁控制系统［J］.电子技术应用，2005，31（11）:29－32.

［7］李史欢.基于LIN的车门控制系统的设计［J］.电气自动化，2009，31（6）:49－50.