摘要：針對傳統(tǒng)車燈控制系統(tǒng)布線復(fù)雜、可靠性低等問題，以及機(jī)械觸點開關(guān)速度慢、有磨損等缺點，采用霍爾元件并結(jié)合CAN總線技術(shù)設(shè)計了無觸點開關(guān)的汽車CAN總線車燈控制系統(tǒng)，同時對CAN總線進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計，以減少控制器等干擾源帶來的電磁干擾。文中采用飛思卡爾高性能單片機(jī)MC9S08DZ60和CAN收發(fā)器TJA1050，給出了電路整體設(shè)計方案及軟件設(shè)計流程以及各個模塊的組成結(jié)構(gòu)，驗證了該方案的可行性。
關(guān)鍵詞：車燈控制；CAN總線；MC9S08DZ60；霍爾元件

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車操控性、舒適性以及可靠性要求的越來越高。而傳統(tǒng)的汽車電子技術(shù)多采用“點對點”的控制方式對汽車中某些部件進(jìn)行電子控制，過程簡單、設(shè)備復(fù)雜、技術(shù)落后，已遠(yuǎn)不能滿足汽車電子技術(shù)發(fā)展的要求。這就促進(jìn)了現(xiàn)代的汽車電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。目前，汽車電子技術(shù)已經(jīng)向車身整體集成電子化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和模塊化的方向發(fā)展，汽車網(wǎng)絡(luò)總線以及無觸點開關(guān)控制是汽車電子技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。
    現(xiàn)場總線是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的，是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，它的出現(xiàn)極大地推動了現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的發(fā)展?？刂破骶钟蚓W(wǎng)(Controller Area Network，CAN)總線屬于現(xiàn)場總線中比較典型的一種，已廣泛應(yīng)用于汽車控制與通信系統(tǒng)，同時也在其他工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。文中提出了一種采用CAN總線技術(shù)和霍爾開關(guān)的汽車車燈控制系統(tǒng)，其優(yōu)點是無機(jī)械磨損、可靠性高、實用壽命長，能夠滿足未來汽車車燈控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。通過對車燈控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計和軟件編程，實現(xiàn)了無觸點開關(guān)控制的汽車CAN總線燈光控制系統(tǒng)，有一定的實用價值。

1 核心元件以及CAN總線介紹
1．1 MC9S08DZ60單片機(jī)
    飛恩卡爾S08D系列8位微控制器功能強(qiáng)大，它在一個單芯片上提供了更多的存儲器和組件。S08DZ系列是S08D系統(tǒng)中的旗艦號，提供了飛恩卡爾內(nèi)嵌CAN微控制器，并且將內(nèi)嵌CAN、內(nèi)嵌EPROM和片上仿真／調(diào)試模塊組合在一起，在單片上集成了所有的功能，方便設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)計。
    MC9S08DZ60單片機(jī)提供60KB的片上可讀?。幊蹋脸腇lash存儲器、有2KB的EEPROM在線可編程內(nèi)存、最大4KB的RAM，具有實時時鐘計數(shù)器(RTC)、串行外設(shè)接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、飛恩卡爾控制器局域網(wǎng)(MSCAN)、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(ADC)等外圍設(shè)備，內(nèi)核集成了中央處理器(CPU)、后臺調(diào)試控制器(BDC)、看門狗定時器(COP)等設(shè)備。具有良好的擴(kuò)充性和易用性，其獨特的片上仿真／調(diào)試模塊(BDG)能夠大大簡化設(shè)計，從而確保了MC9S08DZ60在汽軍和工控的應(yīng)用。
1. 2 霍爾開關(guān)
    霍爾效應(yīng)是指通過電流的半導(dǎo)體在垂直電流方向下的磁場作用下，在與電流和磁場垂直的方向上形成電荷累積和出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象。在一定的工作電流IH下，霍爾電壓UH與外磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，這就是霍爾效應(yīng)檢測磁場的原理。
    
    在一定的外磁場中，霍爾電壓UH與通過霍爾片的電流強(qiáng)度IH(工作電流)成正比，這就是霍爾效應(yīng)檢測電流的原理。
    
    霍爾開關(guān)屬于有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，可方便的把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)用中的電信號，同時又具備實用、易操作和可靠性的性能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，磁電轉(zhuǎn)換效應(yīng)原理如圖2所示。

    霍爾開關(guān)具有無觸點、功耗低、使用壽命長、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體，能夠在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作?；魻栭_關(guān)作為一種新型的電器配件，可應(yīng)用于接近開關(guān)，壓力開關(guān)，里程表開關(guān)等。
1．3 CAN總線
    CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller AreaNetwork，CAN)的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。通常CAN總線采用屏蔽或非屏蔽的雙絞線，總線接口能適應(yīng)極其惡劣的工作環(huán)境。和其他通信總線相比，CAN總線在其實時性、可靠性及靈活性等方面都有突出的優(yōu)勢，使得其在汽車工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。
    CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，采用了SAE J1939通信協(xié)議，它以CAN2．0B協(xié)議為基礎(chǔ)，波特率可達(dá)250 kb／s，是一種傳輸速率較高的C類通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持分布式控制，在整個汽車電子控制系統(tǒng)中，實施雨環(huán)控制及其通信。在CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的過程中，SAE J1939協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層定義了信息幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼規(guī)則，它負(fù)責(zé)將CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識符重新分組定義，使報文的標(biāo)識符就能夠描述報文的全部特征，包括目標(biāo)地址、源地址等。
    CAN總線框架不僅提供發(fā)送端和接收端之間明確的地址，同時向在總線上的各類型的接收端發(fā)送消息幀。CAN總線的消息幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。在幀起始處都會有11位的標(biāo)識符(或19位擴(kuò)展)，用來標(biāo)記消息幀。

    當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線空閑時，如果存在有2個或更多的總線單元需要進(jìn)行CAN通信時，可利用CSMA／CD以及“非破壞性的逐位仲裁”方法來避免消息沖突。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)總體硬件設(shè)計的目的是實現(xiàn)高效、可靠的車燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由總控制盒、前燈模塊和后燈模塊組成。總控制盒主要采集霍爾開關(guān)輸出的信號，同時對信號進(jìn)行編碼處理，并將得出的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，以供各個分節(jié)點識別接收。前燈模塊和后燈模塊根據(jù)用戶定義的標(biāo)識符選擇接收CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分解處理，然后對相應(yīng)的驅(qū)動設(shè)備發(fā)送控制信號，實現(xiàn)對車燈的控制。
2．1 總控制盒設(shè)計
    本設(shè)計總控制盒包括以下幾個部分：核心控制器、組合開關(guān)輸入、儀表指示燈輸出、電源穩(wěn)壓電路和CAN控制驅(qū)動電路。系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。

    核心控制器采用飛恩卡爾8位單片機(jī)MC9S08DZ60，其提供了內(nèi)嵌的CAN控制器，使得系統(tǒng)的設(shè)計大大簡化，同時也提高了系統(tǒng)可靠性和抗干擾性。MC9S08DZ60主要負(fù)責(zé)采集開關(guān)量信號，同時進(jìn)行處理，對不同的開關(guān)信號可由用戶自定義的地址進(jìn)行賦值，最后將數(shù)據(jù)通過CAN控制器發(fā)送到總線上。
    組合開關(guān)輸入部分主要包含車燈組合霍爾開關(guān)以及各個開關(guān)量的輸入接口電路。其中霍爾開關(guān)用于提供開關(guān)量控制信號，AH11系列是單磁極工作的霍爾開關(guān)，適合于矩形或者柱形磁體下工作。當(dāng)磁鋼靠近霍爾開關(guān)時，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大到其工作點時，輸出低電平；反之，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到釋放點時，輸出高電平。這種開關(guān)形式類似于晶體管集電極的開路。接入電路時應(yīng)將霍爾開關(guān)的輸入端上拉至5 V，再直接接到控制器的端口。
    至于CAN通信電路，由于MC9S08DZ60內(nèi)嵌CAN控制模塊，本系統(tǒng)中只需外接CAN收發(fā)器TJA1050即可，TJA1050是一款高速CAN收發(fā)器，與以往CAN通信系統(tǒng)中采用的PCA82C250／251引腳相兼容，TJA1050還提供不上電環(huán)境下理想的無源特性。核心控制器的TXCAN和RXCAN分別與收發(fā)器的TXD和RXD連接，同時在CANH和CANL之問接入TDKZJS-2，能夠很好的保護(hù)CAN總線通信免受電磁干擾，并且又不影響總線的正常通信?？偪刂坪须娐穲D如圖5所示。

2．2 燈光控制盒方案
    燈光控制盒方案包括：燈光總成、驅(qū)動電路陣列、控制核心單元、電源穩(wěn)壓電路和CAN總線驅(qū)動電路等。系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。

    控制核心采用飛思卡爾單片機(jī)MC9S08DZ60，其外圍電路以及電源穩(wěn)壓和CAN總線驅(qū)動與總控制盒相同。車燈驅(qū)動電路陣列采用飛思卡爾的功率驅(qū)動芯片MC33286，其輸入與TTL電平相兼容，可以由微控制器直接進(jìn)行控制，共有四路輸出，OUT1由IN1控制，OUT2由IN2控制。CAN收發(fā)器接收CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，送給微控制器進(jìn)行識別，若與之匹配則選擇接收信息，并進(jìn)行處理，往驅(qū)動陣列發(fā)送控制信號，進(jìn)而控制車燈。

    前燈組合和后燈組合的設(shè)計類似，其中前燈包括近光燈、遠(yuǎn)光燈、前霧燈、示寬燈、轉(zhuǎn)向燈，所有燈光均連接處一個公共端，燈光組合與驅(qū)動板之間只需一個8芯接插件連接。后燈包括轉(zhuǎn)向燈、尾燈、剎車燈、霧燈和倒車燈。前燈組合電路如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    文中采用模塊化程序設(shè)計思想設(shè)計軟件，按照功能分成不同的程序模塊，各模塊間相對獨立以完成特定的功能。主要包括CAN初始化模塊、報文發(fā)送與接收、開關(guān)量信號采集、數(shù)據(jù)處理模塊等。其設(shè)計思想為：系統(tǒng)啟動后，首先對微控制器MC9S08DZ60以及內(nèi)嵌的CAN控制器進(jìn)行初始化，再對主控節(jié)點和各個從節(jié)點進(jìn)行設(shè)計：1)主控節(jié)點首先要采集霍爾開關(guān)上的開關(guān)量信號，并對這些信號進(jìn)行處理，形成符合CAN通信協(xié)議SAKJ1939的數(shù)據(jù)格式，再向CAN控制器發(fā)送信號，進(jìn)入CAN收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)程序(數(shù)據(jù)的發(fā)送采用查詢方式)，將處理完畢的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，供從節(jié)點進(jìn)行接收，其流程圖如圖8所示。2)采用查詢方式接收數(shù)據(jù)，首先從節(jié)點上的CAN控制器通過比較29位標(biāo)識符是否匹配，來決定能否接收報文，在處理接收到的數(shù)據(jù)時，判斷是開關(guān)量信號是對應(yīng)哪些燈的，發(fā)出相應(yīng)的控制信號來驅(qū)動車燈的亮滅，其流程圖如圖9所示。

4 結(jié)束語
    文中以飛恩卡爾公司的S08D系列單片機(jī)中的MC9S08DZ60為核心，利用霍爾元件結(jié)合CAN總線技術(shù)，設(shè)計了無觸點汽車CAN總線燈光控制系統(tǒng)，給出了整體設(shè)計方案和軟件流程圖。系統(tǒng)實現(xiàn)了開關(guān)量信號的采集，通過CAN總線的通信以及對各個從節(jié)點車燈的控制，驗證了方案的可行性和可靠性。試驗證明，文中介紹的CAN總線的通信在汽車電子控制方面有較強(qiáng)的優(yōu)勢，在現(xiàn)代汽車電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。