汽车电气智能控制系统设计

　　快速发展的汽车行业促使电气控制系统不断的更新和完善，为了有效提高电气系统的利用率，设计了一种汽车电气智能控制系统总体架构。系统采用分布式控制模式，以汽车车身电气控制系统作为主要研究对象构建了一种基于ＣＡＮ总线的设计方案，通过使用ＣＡＮ总线实现了控制信号到信息流的有效转换过程，并详细介绍了电气智能控制系统的软硬件设计及实现路径，通过设置ＣＡＮ总线的智能节点实现对车身的有效控制，从而使电气控制质量和效率得到显著提升。

　　关键词：汽车电气控制系统；智能化；ＣＡＮ总线；智能节点；实现路径

　　在现代社会生活中汽车已成为有效满足日常出行需求的重要交通工具，为满足多样化的市场消费需求，汽车上安装的电子控制单元（ＥＣＵ）种类及数量不断增加，在使汽车的操作便利性、动力性、舒适性得到显著提高的同时，车辆使用到的电路复杂程度不断提高，不断增多的车内线束提高了布线复杂程度并造成车辆紧张，进而导致车身重量、整体控制与维护难度日益增加，车辆的可靠性和安全性降低带来了一系列的安全隐患。如何设计并实现有效的汽车电气控制系统成为现阶段领域内的一项研究热点［１］。

　　１现状分析

　　汽车电气控制系统主要由多种不可或缺的用电器件及用电设备构成（可实现大功率驱动，包括大型客车使用的各类用电设备），连接众多传感器的汽车底盘（主要负责控制速度、挡位、机油、刹车等）设置了大量的开关（负责对车门、发动机舱、仪表盘等进行控制），开关和传感器通过导线连接中央控制器以确保相关信息的实时接收与反馈，会有大量信息在各电控单元间传递，多个电控单元需共享部分信息，形成了大量导线捆成的线扎，使电子线路复杂程度不断提高，线重和占用空间会降低车辆的控制性能及舒适度，传统的接、布线方式及电气控制方式（以点对点为主）增加了汽车设计、装配、维护等难度，已经难以满足汽车电气控制系统的信息共享及电气控制需求。同时数量不断增加的线路接头限制了汽车稳定性及安全性的进一步提升，车门窗线束等相对运动部分的过线难度随着线路体积的增大而明显增加。为有效解决不断增加的电子装置引发的问题，通过使用有效的基于串行信息传输方式的汽车电气控制系统成为一项有效手段，汽车总线技术随着汽车电子化程度的不断提高而不断完善，能够更好的满足电气控制系统的数据通信需求，如何选用总线技术完成高质量汽车电气控制系统的构建是本文的研究重点［２］。

　　２汽车电气智能控制系统整体设计

　　２．１现场总线的选择

　　目前在各类自动化控制系统中广泛应用的适用于高速网络及多路接线的ＣＡＮ总线技术凭借独特的优势成为汽车制造商开发和使用的一项重要技术，ＣＡＮ总线技术具备传输速率高、抗干扰性能强等优势，能够有效实现大量控制信号的实时交换功能，基于ＣＡＮ总线的控制系统可有效解决汽车电气控制过程中存在的问题，本文通过结合运用信息技术和现场总线控制技术完成了汽车电气智能控制系统的设计，结合性价比及应用前景，本文选用了具有极高可靠性和独特设计的ＣＡＮ总线，集成了ＣＡＮ协议的功能，采用分布式控制模式，该系统线路简化、具有较佳的可扩展性（根据实际需求），能够对以驱动汽车系统为主的全部所需信息流进行实时高效的控制，在降低使用成本的同时，提高电气控制质量及效率。信号在基于ＣＡＮ总线通信过程中以差分电压形式出现，可供ＣＡＮ总线使用的通信介质较多（包括双绞线、光导纤维、同轴电缆等），通过通信控制器完成通信数据的成帧处理过程，为使网络内节点个数不受限制，将传统的编码站地址基于ＣＡＮ协议（经过ＣＲＣ检验）由编码通信数据块替代，数据块（２１１或２２９）可根据不同ＣＡＮ技术规范进行定义，数据段长度不超过８个字节，在此基础上实现不同节点同时接收相同数据的功能，有效节约了占用总线的时间，并具备处理相应错误的功能，提高了数据通信的实时性和可靠性，为实现分布式控制系统提供了有力支撑［３］。

　　２．２汽车电气智能控制系统优化设计

　　为实时高效的共享大量相关汽车数据信息，本文根据电气设备配置要求针对大型客车完成了基于ＣＡＮ总线（星形拓扑结构）电气智能控制系统的设计，该系统主要包含主节点、后、前、左前、右前５个ＥＣＵ节点，前ＥＣＵ节点主要负责检测和控制左前侧和左侧车灯、喇叭、雨刮器、一二三挡钥匙开关（ＡＣＣ、ＯＮ、ＳＴＡ）等；右前ＥＣＵ节点主要负责检测和控制右前侧的各类车灯、指示灯开关、防夹开关等；前ＥＣＵ节点主要负责检测和控制ＡＢＳ、仪表照明灯、雾灯开关等；后ＥＣＵ节点主要负责检测和控制熄火电磁阀电源、后侧各类车灯、空挡开关、倒车开关等。提高电控单元信息利用率，就近位置信息（涵盖２９路开关量）由电气控制系统通过除主节点外的ＥＣＵ节点完成采集后（遵循ＣＡＮ总线通信协议）将其组成一帧报文信息，然后传输到主ＥＣＵ节点进行逻辑分析和判断得出最终分析结果，据此向各目标ＥＣＵ节点反馈（以四帧报文信息的形式）并由其完成滤波处理后，通过ＵＡＲＴ总线向功率负载输出控制模块传送，进而实现对各路功率输出的驱动［３］。功率负载和采集开关信息使用ＡＴ８９Ｃ５１单片机完成逻辑控制功能，每个ＥＣＵ节点均包含２９路，共有３２个Ｉ／Ｏ口（通信口为Ｐ３．０、Ｐ３．１，看门狗信号输出口为Ｐ３．７）。通过ＣＡＮ总线为系统实现控制信号的实时交换，从而保证以实时有效的信息流驱动汽车运动［４］。以电气控制系统的车灯总线控制模块为例，整个系统网络主要由９个节点构成，分别对应刹车灯、远／近光灯、转向灯、雾灯４组照明与信号灯组、安装了中央控制单元的车内仪表板、４个车门，照明与信号灯组中不同灯的安装位置如图１所示。驾驶员的操作指令由中央控制单元负责接收，在车头和车尾的左右侧安装连接不同车灯的其余４个节点，实现对车灯状态的有效控制。门控单元控制结构图，如图２所示。门控单元根据接收到的车门开关信号和指令（由中央控制单元通过ＣＡＮ总线发送）执行相应的动作并向发中央控制单元发送执行结果。通过ＣＡＮ总线连接全部节点（均包含１个单片机控制器和１个ＣＡＮ收发器）即构成了汽车内部控制网络，各ＣＡＮ节点仅通过ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ两根线同控制网络相连，使线束的使用量得到显著降低，中央控制节点借助使用ＣＡＮ的收发器和控制器连接其它节点，由各节点向中央控制节点发送采集到的现场数据参数，由其经过综合计算和判断处理后做出相应控制命令，再向各节点传送控制命令（通过ＣＡＮ总线）、由各节点向各执行机构（包括车门电机、车灯、车窗继电器等）执行传送接收到的各项命令［５］。

　　２．３ＥＣＵ节点设计

　　ＥＣＵ节点结构，如图３所示。写入应用程序时需以ＥＣＵ节点所在位置为依据，为解决由继电器带来的安全问题，车上的各功率负载通过功率负载输出驱动口完成直接的驱动过程，进而确保车辆的安全；各类开关量信息通过开关信息采集模块进行采集并对各开关状况进行循环检测，采用ＣＡＮ通信接口有效弥补了系统对外围接口的使用需求，为保证通信效果各ＥＣＵ节点间采用带屏蔽的双绞线；为有效控制各负载功率输出，ＣＡＮ通信模块通过主处理器完成对接收到的报文信息的处理（包括读取、验收和滤波等），缓冲区读取完释放的报文信息由主处理器完成格式的转换，串口信息经ＵＡＲＴ总线按照一定顺序从功率输出控制模块向单片机的Ｉ／Ｏ口传送；经循环检测后的各开关状况通过ＵＡＲＴ总线按照控制命令向主控模块的主处理器传送采集到的信息，再将异于上次的信息组成报文信息传输至ＣＡＮ总线作进一步处理，完成循环检测和控制过程［６］。

　　３系统智能节点的实现

　　３．１系统软件架构设计

　　本文系统的软件架构主要分为驱动层、转换层和通信层，系统各层模块间的实时高效的通信过程通过定义状态、接口和器件３类消息实现，将引脚电平变化情况输入到系统中并将其转换为输入状态信息后向转换层传送，在此处将信息转换为实际引脚电平变化情况再向驱动层传送，在此处完成到输入器件消息的转换再发送给规则处理层进行逻辑分析处理，然后后映射为输出器件消息，并将信息转换为输出状态信息再向驱动层反馈［７］。

　　３．２ＣＡＮ总线智能节点硬件电路设计

　　智能节点硬件电路主要由微控制器、通信控制器、驱动器和光电耦合器构成，分别采用８９Ｓ５１、ＳＪＡ１０００、８２Ｃ２５０作为微处理器（负责包括数据收发等的系统通信任务，通过中断方式访问总线控制器，其Ｐ０口连接ＳＪＡ１０００的ＡＤ０～ＡＤ７）、总线控制器、总线收发器（总线的接口部分），高速光电耦合器则选用了６Ｎ１３７（主要用于实现总线上各节点的电气隔离功能），由微处理器负责完成ＳＪＡ１０００的初始化，物理总线同ＣＡＮ控制器相连（需借助ＣＡＮ总线收发器完成），向ＣＡＮ控制器提供差动接收服务并向总线提供差动发送服务；为确保系统稳定可靠的运行，电气隔离时采用２个完全隔离的电源显著提高了抗干扰能力。各节点上均包含一个可向上位机发送数据的串口通信设备和一个可实现手动复位的复位开关，以便于同计算机进行连接调试［８］。

　　３．３智能节点主要功能的实现

　　ＣＡＮ总线智能节点作为系统信息接收和发送站，可通过单片机和ＳＪＡ１０００编程设置其相关参数，在同一ＣＡＮ总线上连接能够相互发送报文的两个节点。ＳＪＡ１０００初始化流程如图４所示。以工作及滤波接收方式、波特率参数、ＡＭＲ／ＡＣＲ／ＩＥＲ等作为主要设置对象，然后系统才可完成正常的通信任务。主要面向节点报文的发送子程序流程如图５所示。将数据组成一帧报文由ＣＡＮ控制器根据协议规范自动发送到ＳＪＡ１０００的发送缓冲器后启动发送即可，发送新报文前需先判断部分寄存器状态。查询方式接收流程如图６所示。采用查询接收方式，主要负责接收节点报文等，处理接收报文时需处理接收溢出、总线脱离、错误报警等情况［９］。

　　４总结

　　为提高电气系统的利用率，本文基于ＣＡＮ总线智能节点完成了一种采用分布式控制模式的电气控制系统的设计，将控制信号通过使用ＣＡＮ总线完成到信息流的转换，自带微处理器实现更加智能化的控制过程，进一步提高了控制的效率，详细介绍了系统几种主要操作子程序，采用独立的ＣＡＮ控制器提升了系统的错误分析功能能力，采用高速光电耦合器提高了系统抗干扰能力，具有一定的实际应用价值。

　　参考文献

　　［１］王晓翠，李影江．电气自动化系统在汽车制造领域的应用研究．内燃机与配件，２０１９（２１）：２０２－２０３．

　　［２］杨帅，李小坚．汽车电气与电子控制系统的研究探讨［Ｊ］．时代农机，２０１８（５）：２４３－２４５．

　　［３］张甜，宋庭新，朱清波，等．电动汽车电气系统安全性分析及标准制定研究［Ｊ］．标准科学，２０１８（３）：４７－５１．

　　［４］李金龙．汽车电气电子系统ＥＭＣ设计存在的问题及其改进技术［Ｊ］．山东工业技术，２０１８（１）：１２２－１２３．

　　［５］ＥｄＨａｂｔｏｕｒ，ＣｈｏｌｍｉｎＣｈｏｉ，ＭｉｃｈａｅｌＯｓｔｅｒｍａｎ，ｅｔａｌ．ＮｏｖｅｌＡｐｐｒｏａｃｈｔｏＩｍｐｒｏｖｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｅＮｅｘｔＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆＵＳＡｒｍｙＳｍａｌｌＵｎｍａｎｎｅｄＧｒｏｕｎｄＶｅｈｉｃｌｅｓＵｎｄｅｒＣｏｍｐｌｅｘＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，２０１６（１）：８６－９５．

　　［６］华一丁，龚进峰，戎辉，等．基于模型的智能汽车电子电气架构发展综述［Ｊ］．汽车零部件，２０１９（２）：６３－６６．

　　［７］陶华胜，陈欢，雷君．关于汽车电子电气架构设计与优化的研究［Ｊ］．时代汽车，２０１９（７）：９６－９７．

　　［８］张文斌，曹鲁明，秦延隆，等．一种重型汽车电子电气平台架构的自主开发及应用［Ｊ］．汽车电器，２０１７（１０）：１４－１８．

　　［９］任强，黄少堂，梁伟强，等．跨平台的整车电子电器架构的分析与设计［Ｊ］．自动化仪表，２０１７（３）：８５－８９．

　　作者：王文菁

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