基于LIN总线汽车车门电子控制系统设计

孟妮

(陕西工业职业技术学院, 陕西 咸阳 712000)

0 引言

汽车逐渐成为人们生活中普遍使用的交通工具，汽车也是集机械、电子、计算机、自动化等多种技术于一体的高端工业产品[1-2]。世界上的大多数发达国家均是以汽车产业为国民经济支柱，汽车技术发展水平的高低是衡量一个国家整体综合科技水平的重要标志。随着社会的发展，人们对汽车的舒适性、经济性以及智能化要求越来越高，但增加的电子系统和通信设备，增加了汽车的生产成本，处理不当还会给电子系统带来不稳定性。

在目前的汽车电子控制系统中，车门控制系统是非常重要的一部分。汽车车门系统包括4个自动升降电动车窗、2个传感器门锁、2个外部自动折叠后视镜以及一些按键LED灯。其中主驾驶侧车门需要对左右后视镜以及4个车窗进行控制，因此侧车门控制为车门电子控制非常关键的一部分。车门控制系统中的其他子模块控制方式基本类似，但车门控制系统相对整个汽车控制系统又是相对独立的一部分，因此可用汽车网络结构将车门控制系统与整个汽车控制系统连接。

在传统的车门控制中基本采用CAN总线进行控制，但CAN总线控制方式增加了车门通信设备的复杂性，在车门控制中需要增加多个传感器和驱动器[4-6]。在车门控制中并不需要实时性太高，因此传统的CAN总线控制导致通信成本过高。为了解决这个问题，引入了LIN总线，LIN总线造价低，传输速度和性能均能满足车门控制性能要求。

1 基本概念

LIN总线作为CAN总线的补充，在汽车网络控制中被广泛应用。该控制总线可以有效降低通信设备成本，提高系统的稳定性。LIN总线主要用于汽车外部设备的网络连接，如电动车窗、电动后视镜、电动天窗、车内LED灯的控制。

LIN总线特点：

1) LIN总线硬件成本低；

2) LIN总线通信可以大大减小线束，减小占用空间；

3) 传输速率可以达到20 kbit/s

4) 单主控器/多从设备模式无需仲裁机制；

5) 节点控制不需要通过晶振活陶瓷振荡器便可以实现多个控制设备的同步，从而节省了设备的硬件成本；

6) 保证信号传输的延迟时间；

7) 可以在网络节点上扩展节点，而不需要对LIN从节点的硬件和软件进行变更；

8) 通常一个LIN 网络上节点数目<12 个，共有64 个标志。

LIN硬件的实现可以利用传统的串行通信结构进行模拟，通过普通的I/0接口加上定时器进行模拟器网络结构，因此实现成本较低。LIN网络结构是基于主从结构，采用单线进行通信，因此可以大大减小导线的线束。LIN的应用有助于实现汽车各控制系统的分布式连接。

2 控制系统总体方案

传统的汽车电子控制系统常采用多个继电器以及保护电路组成，电流信号通过中间继电器传送到汽车的ECU中进行控制。由于汽车电子控制路数较多，因此造成每一路都需要一束导线，从而导致线束过多，如果需要增加一个功能就需要改动多个线路，这样便造成以下问题：

1) 多个线路的改动造成维修难度较大；

2) 多个线速的捆绑容易相互之间出现干扰；

3) 硬件设备的增加必然增加了汽车生产成本。

为了解决上述问题，通常采用CAN总线进行控制，CAN总线传送速率高、容错率低，在汽车控制领域中被广泛应用，由于汽车车门控制相对简单，如若采用CAN总线势必增加各设备间的通信复杂度，造价相对较高[7-8]。LIN总线可以有效解决上述问题，不仅可以减小线束，又可提高系统的可修改性，同时又降低了生产成本。本文所设计车门控制总体方案如图1所示。上层为CAN总线网络，应用于控制相对复杂和困难设备中，而子层网络为LIN总线，应用于实时性要求不高以及复杂程度低的场合。

图1 车门控制系统总体方案

3 控制系统设计

3.1 硬件设计

驾驶室车门控制单元主要包括外部后视镜调节按钮、驾驶侧和副驾驶侧电动车窗按钮、后排左右电动车窗按钮、一件童锁按钮、背景LED灯调节。硬件设计包括LIN收发器、电源管理芯片、微控制器MCU、信号采集芯片以及负载驱动芯片等。车门硬件控制系统结构如图2所示。

图2 车门控制系统硬件结构

1) LIN收发器

LIN总线与CAN总线相比不需要专用的控制器来实现协议，LIN通过LIN收发器即LIN物理接口，通过SCI/UART与MCU完成通信。本文采用MC33689LIN收发器，该收发器主要是针对汽车电子系统而设计的，其通信速率能够达到20 kb/s。其内部原理如图3所示。

图3 LIN收发器内部原理

2) 电源管理芯片

电源管理芯片配合外部电路将汽车蓄电池所提供的12 V电压转换为5 V电压，系统选用的电源管理芯片为TLE4268，芯片静态电流低于1 mA，并带有看门狗功能，在软件程序中如果陷入死循环，则可以将MCU进行复位，从而有效保证了PWM的有效运行。

3) 微控制器MCU

微控制器MCU作为汽车控制系统的大脑，该硬件的选型设计是控制系统设计成败的关键。在综合考虑运行速度、性能、价格等因素后，选择MC68HC908GP32作为LIN主机节点的MCU，该模块拥有价格便宜、集成度高，占用空间小等优点。

4) 信号采集芯片

在车门控制系统设计中，左前主机节点众多，因此需要一个专用的信号采集小系统去完成信号采集任务，信号采集芯片采用MC33884信号采集芯片，该芯片工作电压在5 V～26 V，与MCU通过5 V的SPI协议完成通信，MC33884将多路信号开闭状态转送到MCU中进行判断。

5) 负载驱动芯片

车门负载的驱动电机为直流电机，直接采用MCU无法进行驱动。现选用VNH3SP30芯片进行控制，通过该芯片输出较大的直流电流对电机进行驱动控制，该款驱动芯片能够输出30 A电流，通过多路MCU 5V I/O输出进行控制。

3.2 软件设计

在主程序运行之前先对I/O输入输出口、时钟发生单元、看门狗等寄存器进行初始化处理，即完成程序的预编译。完成上述操作后则进入主程序，对车门电子控制系统中的LIN收发器、MCU A/D采集单元、SCI单元、TPM单元进行初始化，然后开启中断主程序开始按照图4所示的程序进行无限循环。

图4 驾驶室车门控制流程

4 功能测试

为了验证本文所设计控制系统的有效性，首先进行软件编程并利用软件自有的编译和调试功能完成控制系统的初步测试，如图5所示。通过编译操作可以查看软件程序的编写是否存在错误，当程序存在错误时，页面便会提示错误信息，修改完错误程序后，可以利用PE专用下载器将程序下载到所设计的控制器中。

图5 程序编译查看

以左前门上升和下降为例进行验证，通过软件观察参数变化。当按下左前车窗按钮时，可以看到左前下降输入端输入低电平，然后下降输出引脚输出高电平给继电器，控制电机运动，车窗下降。当抬起左前车窗按键时，左前上升输入端口输入低电平，上升输出引脚输出高电平控制电动机运动，车窗上升。经过测试，车门控制均能按照预定动作完成相应动作，说明该控制系统能够实现车门系统功能。然后利用示波器检测LIN总线上的信号是否显示正常，如图6为示波器所测到的一组信号。将图6中测到的信号经过整理后与报文协议中的内容进行比对，可知传输的信号复合LIN报文帧格式和内容，从而证明所设计的控制系统可以实现正常的LIN通讯。

图6 LIN总线信号

5 结语

汽车电子控制技术很大程度上决定了汽车发展的前景。本文针对传统单纯CAN总线控制存在的缺点，提出了一种基于LIN总线的车门控制系统，并对车门总线系统进行了开发。详细了设计LIN总线控制方案，并给出了控制系统硬件设计和软件设计方法。该控制系统结构简单、控制成本低、稳定性强，可以有效提高车门控制的实时性。

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