无触点控制的汽车CAN总线灯光系统研究设计

摘要：针对传统车灯控制系统布线复杂、可靠性低等问题，以及机械触点开关速度慢、有磨损等缺点，采用霍尔元件并结合CAN总线技术设计了无触点开关的汽车CAN总线车灯控制系统，同时对CAN总线进行了电磁兼容性设计，以减少控制器等干扰源带来的电磁干扰。文中采用飞思卡尔高性能单片机MC9S08DZ60和CAN收发器TJA1050，给出了电路整体设计方案及软件设计流程以及各个模块的组成结构，验证了该方案的可行性。
关键词：车灯控制；CAN总线；MC9S08DZ60；霍尔元件

    随着科学技术的发展，人们对汽车操控性、舒适性以及可靠性要求的越来越高。而传统的汽车电子技术多采用“点对点”的控制方式对汽车中某些部件进行电子控制，过程简单、设备复杂、技术落后，已远不能满足汽车电子技术发展的要求。这就促进了现代的汽车电子技术的进一步发展。目前，汽车电子技术已经向车身整体集成电子化、网络化、智能化和模块化的方向发展，汽车网络总线以及无触点开关控制是汽车电子技术的一个重要发展方向。
    现场总线是20世纪80年代中期发展起来的，是当今自动化领域技术发展的主要方向之一，它的出现极大地推动了现代汽车电子技术的发展。控制器局域网(Controller Area Network，CAN)总线属于现场总线中比较典型的一种，已广泛应用于汽车控制与通信系统，同时也在其他工业领域得到广泛的应用。文中提出了一种采用CAN总线技术和霍尔开关的汽车车灯控制系统，其优点是无机械磨损、可靠性高、实用寿命长，能够满足未来汽车车灯控制系统发展的需要。通过对车灯控制系统进行了硬件设计和软件编程，实现了无触点开关控制的汽车CAN总线灯光控制系统，有一定的实用价值。

1 核心元件以及CAN总线介绍
1．1 MC9S08DZ60单片机
    飞恩卡尔S08D系列8位微控制器功能强大，它在一个单芯片上提供了更多的存储器和组件。S08DZ系列是S08D系统中的旗舰号，提供了飞恩卡尔内嵌CAN微控制器，并且将内嵌CAN、内嵌EPROM和片上仿真／调试模块组合在一起，在单片上集成了所有的功能，方便设计人员进行设计。
    MC9S08DZ60单片机提供60KB的片上可读取／编程／擦除的Flash存储器、有2KB的EEPROM在线可编程内存、最大4KB的RAM，具有实时时钟计数器(RTC)、串行外设接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、飞恩卡尔控制器局域网(MSCAN)、数／模转换器(ADC)等外围设备，内核集成了中央处理器(CPU)、后台调试控制器(BDC)、看门狗定时器(COP)等设备。具有良好的扩充性和易用性，其独特的片上仿真／调试模块(BDG)能够大大简化设计，从而确保了MC9S08DZ60在汽军和工控的应用。
1. 2 霍尔开关
    霍尔效应是指通过电流的半导体在垂直电流方向下的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷累积和出现电势差的现象。在一定的工作电流IH下，霍尔电压UH与外磁场磁感应强度成正比，这就是霍尔效应检测磁场的原理。
    
    在一定的外磁场中，霍尔电压UH与通过霍尔片的电流强度IH(工作电流)成正比，这就是霍尔效应检测电流的原理。
    
    霍尔开关属于有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备实用、易操作和可靠性的性能。其内部结构图如图1所示，磁电转换效应原理如图2所示。

    霍尔开关具有无触点、功耗低、使用寿命长、响应频率高等优点，内部采用环氧树脂封灌成一体，能够在各类恶劣环境下可靠的工作。霍尔开关作为一种新型的电器配件，可应用于接近开关，压力开关，里程表开关等。
1．3 CAN总线
    CAN是控制器局域网络(Controller AreaNetwork，CAN)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准(ISO11898)，是国际上应用最广泛的现场总线之一。通常CAN总线采用屏蔽或非屏蔽的双绞线，总线接口能适应极其恶劣的工作环境。和其他通信总线相比，CAN总线在其实时性、可靠性及灵活性等方面都有突出的优势，使得其在汽车工业得到了广泛的应用。
    CAN总线的应用层协议，采用了SAE J1939通信协议，它以CAN2．0B协议为基础，波特率可达250 kb／s，是一种传输速率较高的C类通信网络协议，支持分布式控制，在整个汽车电子控制系统中，实施雨环控制及其通信。在CAN总线进行数据通信的过程中，SAE J1939协议的数据链路层定义了信息帧的数据结构、编码规则，它负责将CAN扩展帧的29位标识符重新分组定义，使报文的标识符就能够描述报文的全部特征，包括目标地址、源地址等。
    CAN总线框架不仅提供发送端和接收端之间明确的地址，同时向在总线上的各类型的接收端发送消息帧。CAN总线的消息帧结构如图3所示。在帧起始处都会有11位的标识符(或19位扩展)，用来标记消息帧。

    当发现总线空闲时，如果存在有2个或更多的总线单元需要进行CAN通信时，可利用CSMA／CD以及“非破坏性的逐位仲裁”方法来避免消息冲突。

2 系统硬件设计
    系统总体硬件设计的目的是实现高效、可靠的车灯控制系统。该系统主要由总控制盒、前灯模块和后灯模块组成。总控制盒主要采集霍尔开关输出的信号，同时对信号进行编码处理，并将得出的数据发送到CAN总线上，以供各个分节点识别接收。前灯模块和后灯模块根据用户定义的标识符选择接收CAN总线上传输的数据，对接收到的数据进行分解处理，然后对相应的驱动设备发送控制信号，实现对车灯的控制。
2．1 总控制盒设计
    本设计总控制盒包括以下几个部分：核心控制器、组合开关输入、仪表指示灯输出、电源稳压电路和CAN控制驱动电路。系统总体框图如图4所示。

    核心控制器采用飞恩卡尔8位单片机MC9S08DZ60，其提供了内嵌的CAN控制器，使得系统的设计大大简化，同时也提高了系统可靠性和抗干扰性。MC9S08DZ60主要负责采集开关量信号，同时进行处理，对不同的开关信号可由用户自定义的地址进行赋值，最后将数据通过CAN控制器发送到总线上。
    组合开关输入部分主要包含车灯组合霍尔开关以及各个开关量的输入接口电路。其中霍尔开关用于提供开关量控制信号，AH11系列是单磁极工作的霍尔开关，适合于矩形或者柱形磁体下工作。当磁钢靠近霍尔开关时，磁感应强度增大到其工作点时，输出低电平；反之，当磁感应强度减小到释放点时，输出高电平。这种开关形式类似于晶体管集电极的开路。接入电路时应将霍尔开关的输入端上拉至5 V，再直接接到控制器的端口。
    至于CAN通信电路，由于MC9S08DZ60内嵌CAN控制模块，本系统中只需外接CAN收发器TJA1050即可，TJA1050是一款高速CAN收发器，与以往CAN通信系统中采用的PCA82C250／251引脚相兼容，TJA1050还提供不上电环境下理想的无源特性。核心控制器的TXCAN和RXCAN分别与收发器的TXD和RXD连接，同时在CANH和CANL之问接入TDKZJS-2，能够很好的保护CAN总线通信免受电磁干扰，并且又不影响总线的正常通信。总控制盒电路图如图5所示。

2．2 灯光控制盒方案
    灯光控制盒方案包括：灯光总成、驱动电路阵列、控制核心单元、电源稳压电路和CAN总线驱动电路等。系统总体框图如图6所示。

    控制核心采用飞思卡尔单片机MC9S08DZ60，其外围电路以及电源稳压和CAN总线驱动与总控制盒相同。车灯驱动电路阵列采用飞思卡尔的功率驱动芯片MC33286，其输入与TTL电平相兼容，可以由微控制器直接进行控制，共有四路输出，OUT1由IN1控制，OUT2由IN2控制。CAN收发器接收CAN总线上传输的数据，送给微控制器进行识别，若与之匹配则选择接收信息，并进行处理，往驱动阵列发送控制信号，进而控制车灯。

    前灯组合和后灯组合的设计类似，其中前灯包括近光灯、远光灯、前雾灯、示宽灯、转向灯，所有灯光均连接处一个公共端，灯光组合与驱动板之间只需一个8芯接插件连接。后灯包括转向灯、尾灯、刹车灯、雾灯和倒车灯。前灯组合电路如图7所示。

3 系统软件设计
    文中采用模块化程序设计思想设计软件，按照功能分成不同的程序模块，各模块间相对独立以完成特定的功能。主要包括CAN初始化模块、报文发送与接收、开关量信号采集、数据处理模块等。其设计思想为：系统启动后，首先对微控制器MC9S08DZ60以及内嵌的CAN控制器进行初始化，再对主控节点和各个从节点进行设计：1)主控节点首先要采集霍尔开关上的开关量信号，并对这些信号进行处理，形成符合CAN通信协议SAKJ1939的数据格式，再向CAN控制器发送信号，进入CAN收发器发送数据程序(数据的发送采用查询方式)，将处理完毕的数据发送到CAN总线上，供从节点进行接收，其流程图如图8所示。2)采用查询方式接收数据，首先从节点上的CAN控制器通过比较29位标识符是否匹配，来决定能否接收报文，在处理接收到的数据时，判断是开关量信号是对应哪些灯的，发出相应的控制信号来驱动车灯的亮灭，其流程图如图9所示。

4 结束语
    文中以飞恩卡尔公司的S08D系列单片机中的MC9S08DZ60为核心，利用霍尔元件结合CAN总线技术，设计了无触点汽车CAN总线灯光控制系统，给出了整体设计方案和软件流程图。系统实现了开关量信号的采集，通过CAN总线的通信以及对各个从节点车灯的控制，验证了方案的可行性和可靠性。试验证明，文中介绍的CAN总线的通信在汽车电子控制方面有较强的优势，在现代汽车电子领域有着广泛的应用前景。