基于CAN/LIN总线的汽车BCM系统

1、引言

车身控制器（即BCM）是汽车电子的一个重要应用，随着汽车电子的发展以及人们对舒适性，安全性的要求更高，集CAN/LIN总线通信，智能灯光控制，雨刷控制，电动后视镜控制，电动防夹车窗控制，RKE无钥匙进入系统等于一体的车身控制模块（BCM）正在成为一种趋势。

本设计是基于CAN/LIN总线式的汽车BCM系统，该系统主要由开关信号输入和输出控制组成，输入包括一系列开关信号和脉冲信号，输出控制包括门锁、灯光、车窗、报警器等控制，通过LIN总线与车窗节点进行通信。
2、

图1  系统框图

本设计采用PIC18F45K80单片机作为主控芯片，用PIC18F25K80作为副窗控制芯片，各节点之间通过LIN总线实现通信。

3、硬件设计

3.1、MCU外围电路设计

      PIC18F45K80芯片是Microchip（美国微芯）公司推出的一款采用nanoWatt XLP 技术、带ECAN™ 增强型闪存单片机，其芯片资源及特性如下：

■ 宽工作电压范围：1.8V 至5.5V；

■ 工作速度最高可达64 MHz，满足BCM的时时性需求；

■ 32 KB 的片上闪存程序存储器，满足BCM多功能的程序设计需求；

■ 8 x 8 单周期硬件乘法器；

■ 休眠模式电流最低为13 nA （典型值），满足系统对功耗设计需求；

■ 丰富的外设模块（符合CAN 2.0B Active 规范的CAN控制器；5 个CCP/ECCP 模块；5 个8/16 位定时器/ 计数器模块； 2 个模拟比较器；可配置的参考时钟输出;高灌/ 拉电流：25 mA/25 mA（PORTB 和PORTC）；最多4 个外部中断； 1 个主同步串行口（Master Synchronous Serial Port，MSSP）模块； 2 个增强型可寻址USART 模块， 支持LIN/J2602， 自动波特率检测;最多具有11 路通道的12 位A/D 转换器；数据信号调制器模块）。

■ PIC18F45K80单片机片需要在每对电源引脚（例如，VDD/VSS 和AVDD/AVSS）上使用去耦电容。使用去耦电容时，建议使用参数为0.1 μF（100 nF）、10-20V的电容。该电容应具有低ESR，谐振频率为200 MHz 或更高。建议使用陶瓷电容。PIC18FXXKXX 器件会永久性地使能稳压器，需要在VCAP/VDDCORE 引脚上使用低ESR （< 5Ω）电容，以稳定稳压器的输出电压。VCAP/VDDCORE 引脚一定不能与VDD 连接，并且必须使用10 μF 的电容接地。可以使用陶瓷电容或钽电容。表1 列出了一些适用电容的示例。同等规格的电容都可以使用。

表1  适用的等效电容

图 2   PIC18F45K80外围电路

3.2、主电源电路设计

     MCP16301是一款DC/DC电源芯片,输入电压范围最高可达30V，输出电流最高可达500MA，最高效率可达96%，电路如下：

图3  5V电源电路

3.3、CAN/LIN总线接口硬件电路设计

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，支持率高达20的最大波特率波特率，MCP2021A片内集成电压调节器，可选择输出电压3.0V 或5.0V，输出电流可达70MA。（本设计中副车窗模块采用MCP2021A片内集成的电压调器给系统提供5V电源），强大的防静电性能：±15 k 在LUBS和VBB引脚。同时具有总线唤醒功能以使系统的功耗更省。电路如下：

图4  LIN接口电路

3.3.2、CAN 接口芯片采用Microchip 公司生产的MCP2551，MCP2551是一个可容错的高速CAN器件，它完全符合ISO-11898标准，包括能满足24V 电压要求。它的工作速率高达1 Mb/s。SI8421是美芯科公司生产的数字隔离器件，采用射频耦合的数字隔离技术，具有非常高的速度在低功耗运行的特点，有三种速度级别供选择（1，10，和150Mbps）, 典型的传输延迟时间小于10纳秒。电路如下：

图5  CAN接口电路

3.4、电机驱动电路设计

AUIPS6011具有过流关断、过温关断和有源箝位电路功能都能确保在重复短路的情况下实现安全运行和保护。电路如下：

图6  电机驱动电路

■  防夹算法的实现

防夹功能是基于霍尔传感器检测电机转速和检测电机电流变化情况来实现的。本文参考美国的MVSS118 标准，定义防夹区如下图所示：

图7  防夹区示意图

霍尔传感器与单片机中断口相连，中断程序负责采集霍尔传感器信号并计算电机转动方向、位置。当时时检测到的位置值大于等于设定的防夹阀值时起动防夹功能，通过电机电流的变化可间接的知道是否有遇到阻力或已到最顶端，然后控制电机停止或反向运动。

3.5、日间灯驱动电路设计

         日间行车灯是指使车辆在白天行驶时更容易被识别的灯具，装在车身前部。是属于信号灯的范畴。作用提醒司机注意对面有车驶过来。LED日间行车灯因其具有高的发光效率，长的使用寿命而被大量使用。本设计使用Microchip 公司的恒流驱动芯片MCP1630，单片机为MCP1630提供了振荡源和参考电压从而使电源系统变得更灵活和可调节。电源系统的开关频率和最大占空比由单片机的I/O 口设置。最高输出电压55V@350MA,最多可以接16个1W 的LED，电路如下：

     图8  LED恒流源电路

图9  典型效率

3.6、加热座椅电源电路设计

AUIPS7125R是一款高边智能功率开关(IPS)，可提供全面的保护功能，除了主动箝位电路外，还包括过流和过温关闭，以确保开关安全可靠，并可在重复短路的情况下提供保护。电路如下：

图10  加热座椅电源电路

4、软件设计流程

BCM软件设计采用模块化程序设计，包括MCU初始化，自检程序，输入信号检测,LIN信号接收处理，CAN信号接收处理，车窗控制，车灯控制，车门控制、报警器处理。流程如下：

 

5、 结 语

本文采用带ECAN™ PIC18F45K80增强型闪存单片机作为主控芯片，采用智能功率开关（IPS）AUIPS6011组成H桥电路实现电机正反转，取代传统继电器电机驱动电路，使电机驱动电路的设计具有多种保护功能，提高了系统的可靠性。