基于CAN总线的车身控制模块的硬件设计

2020年第8期
一、基于CAN 总线的车身控制模块的功用
CAN 总线是一种支持分布式和实时控制的串行通信网络，以其高性能和高可靠性在自动控制领域有着广
泛的应用[1]。

随着技术的进步，
重型卡车上的电子控制器越来越多，基于CAN 总线环境下研制的车身控制模块，
是重型卡车上最基本的功能性控制器。

该控制器的设置可实现重卡的整车信息共享，
最优化安排各类输入输出。

通过总线，遵循一定的协议，不需要额外增加电路就可以读取其他控制器的信号，如发动机ECU 的转速脉冲信
号、加速踏板的开度信号、变速箱档位信号以及其他各类传感器信号，也可采集仪表以及其他所需的信息并发送
到总线。

二、重型卡车车身控制特点分析
基于CAN 总线开发的车身控制模块为功率型器件，可以大功率输出，内部集成了多个继电器，可节省外部继
电器，有效减少电磁干扰，
优化整车线束，减少故障风险点。

除此之外，还具备故障报警、自保护、自恢复能力，车身控制模块发生故障更换固件即可，保证了整车故障的可追溯性及整车系统的可维护性。

商用车重卡运营的环境较恶劣，运行过程中会有机械振动和化学腐蚀等，对车身控制模块的安全可靠性提出了更高的要求。

整车控制网络中的各模块依据就近原则进行分布式布置[2]，各个控制器模块主要由主控制单元、信号输入单元、功率输出单元、通讯单元等组成。

主控制单元对预处理过的信号进行运算处理，并将处理的信号
输出到功率模块或CAN 总线；信号输入单元接收传感器、其他装置及驾驶员输入的信号，对信号进行前置处
理；功率输出单元将数字信号的驱动功率放大，有些被还原为模拟信号，使其驱动被控元件工作；通讯单元可收发
数据，使网络中各个模块互相通讯。

整车CAN 总线车身系统控制网络框架如图1所示。

基于CAN 总线的车身控制模块的硬件设计
文/胡珊(安徽华菱汽车有限公司)
摘要:本文对CAN 总线的特点进行分析,并将其应用在重卡车身控制领域。

在研究总结了重卡车身控制系统的特点和工作原理后,提出了基于CAN 总线的车身控制模块的设计思路。

在总设计方案下,对车身控制的主控制单元、电源控制单元、开关量及模拟量采集单元、功率电源输出部分、CAN 通讯部分进行了硬件设计。

关键词:CAN 总线
车身控制模块
硬件设计
图1整车CAN 总线车身系统框架
图
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三、车身控制模块的作用
在车身控制系统中，车身控制模块主要针对车架部分用电器的特性来设计。

智能化设计能更有效、可靠地驱动负载，还大大减少了对整车电磁辐射[3]。

该控制模块还担负着发动机及底盘上各开关传感器的信息传递工作。

1.功率输出
对照明系统进行功率输出。

车身控制模块通过CAN 总线上收取的驾驶室中信号采集器采集到的操控开关信号，进行判别之后向相应照明灯进行供电，同时对通电电流进行实时检测。

当电流异常还可通过CAN总线发送信号，然后通过仪表的显示屏进行报警。

继电器和电磁阀的功率输出。

车架上的感性负载如继电器和电磁阀在开关的过程都能产生干扰汽车电气系统正常运行的瞬变过电压，这些瞬时电压可达到1kV。

在处理这些感性负载的功率输出时必须设计去扰措施。

2.开关量及模拟量信号采集
车架上众多的开关及传感器产生的开关量及模拟量由车身控制模块进行采集整理，并通过CAN总线传输这些数据。

车身控制模块共需实现19路灯光输出（如前照明大灯、转向灯、前后雾灯、刹车灯、倒车灯、夜间照明灯等），4路继电器控制输出（总电源继电器、启动继电器、进气加热继电器等），3路电磁阀输出（排气制动电磁阀、PTO电磁阀、差速锁电磁阀等），2路其他用电器输出。

四、车身控制模块的硬件设计思路
1.基本组成
车身控制模块是为了满足车身（车架部分）控制架构的扩展需求而设计的，它包括一个连接2个CAN网络的接口、一些高电流硅开关输出和20多个开关输入。

主要包括以下五部分：主控制单元、电源模块、开关量及模拟量的采集单元、功率电源输出部分、通讯模块。

模块整体设计有14路低端开关量输入接口，4路传感器模拟信号接口，16路2A电流功率负载输出接口，16路6A电流功率负载输出接口，2路8A电流功率负载输出接口。

所有输出要求提供一个正电压到负载，并带有过流、过热、短路、防反接等保护功能，并设计有输出负载检测及保护电路、1个CAN2.0B（ISO11898标准）通讯接口[4]。

2.硬件设计原则
经济合理。

本模块的开发必须兼顾重卡使用的经济性。

近年来重卡对成本的要求越来越高，因此在开发设计时应尽量选用性价比高的元器件。

安全可靠。

本模块主要是采集驾驶员对车身电器件的操控信号，并控制相关的电器件，如大灯、雨刮、门锁等，因此在产品的设计和测试过程中，要保证产品设计的高可靠性[5]。

3.主控单元设计
车身控制模块的核心是数字信号控制器MC9S12XHY256RMV1，它是16位微控制器产品系列，具有低成本、高性能的特点，总线频率最高为40MHz，具备脉宽调制（PWM）模块和2个定时器模块（TIM0和TIM1）。

4.晶振电路设计
MC9S12XHY256RMV1的XTAL引脚为片内振荡电路的输入端，EXTAL引脚为片内振荡电路的输出端。

设计采用10MHz晶振，内部PLL4备频。

电容C75、C76为补偿电容，容值大小为22pF，如图2所示。

图2晶振电路
5.复位电路设计
通过铝电解电路的充放电来使MCU正常工作和复位，当上电或+5V电源上升时，电源通过电阻给电容充电，正极端的电压慢慢上升并稳定在+5V，此时MCU会处于正常工作状态；当MCU电源电压掉电或者5V电源跌落时，电容通过快速放电，这样MCU便能立即复位。

6.电源控制单元设计
重卡运营的环境较差，灰尘污染、化学腐蚀和电磁干扰较为严重，自身也会产生大量的电磁干扰；重卡电气设备带有大量耦合电感、电容等，会影响车辆车载电源的稳定性，继而影响到电子设备的工作，给电子设备造成不可恢复的故障。

在进行电源控制单元的设计时，要充分考虑到上述问题。

7.电源控制单元芯片选择
考虑整车安全，对整车电源要进行净化处理。

基于整车电路的设计，不可能完全消除干扰源，因此可以提升车载电源的抗干扰能力。

正脉冲干扰目前采用吸收法进行滤波处理。

针对负脉冲干扰，考虑到电容器件特性，可以并联电容吸收负脉冲的能量，消除干扰。

由于电器件特性及电压平台指标的不同，在选用电源芯片的时候，尽量使用宽电压范围的电源芯片。

为此选择了车载级的DC/DC 芯片MPQ4420。

该芯片具有4～30V的输入电压范围；36V的汽车抛负载输入瞬态
容限；输出可调，范围为
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图324V电源系统处理和转换方案
0.8～0.9V；驱动能力可达到2A持续输出，能满足较多后端负载的需求。

8.电源控制单元电路设计
为使电源控制单元有良好的抗干扰能力，特拟定了一个24V电源系统方案。

系统包括防反接保护、浪涌保护、滤波电路和DC24V/DC5V处理等部分，如图3所示。

五、车身控制模块的具体线路设计
1.开关量信号输入单元设计
主模块需要检测相关控制开关，并根据开关动作输出控制命令到对应的模块。

车身检测的开关包括：档位开关、灯光开关、雨刮开关、发动机水温过热开关、牵引车制动开关、翻转上下限位开关、玻璃升降开关等。

各类开关信号连接到主控芯片的I/O引脚上。

2.模拟量信号输入单元设计
水位报警电路。

主要由电源驱动电路、传感器输入信号处理电路、报警信号输出驱动电路三部分组成。

电源驱动电路为水位传感器提供合适的驱动电源，驱动电源要求在一定温度条件下精度较高，且具有反向保护、过流保护、过压保护等功能。

水位传感器不直接由主控芯片处理，传感器阻抗信号转换成电压信号，并经滤波、整形、放大等电路的处理，当电压超过电路设定的取值后驱动MOS管，MOS管输出形成低驱信号接控制报警信号。

燃油液位传感器采集电路。

当燃油液位传感器的阻抗未达到动作阈值时，此电路可以产生一个PWM信号，供主控芯片采集。

当燃油液位传感器的阻抗达到动作阈值时，信号被拉低，低电平信号被芯片采集。

机油压力传感器采集电路。

机油压力模拟信号通过取样电阻接到主控芯片的模拟输入口，通过内部8bit精度的A/D转换器进行采样。

3.功率输出单元设计
功率输出单元芯片选型。

本模块负载中最重的是照明系统，选择控制器件时对灯光系统的特性和实际保护也作了考虑。

选用了英飞凌智能功率器件，并根据实际灯光系统的特点设计了汽车灯光控制单元。

所采用的智能功率型器件具有自保护和自恢复的功能，如过流保护和过载保护等，因此整车线束减少了保险丝和继电器。

本单元还具有故障诊断的功能，可根据故障码找出故障原因，有利于售后维修。

采用微控制器输出PWM信号来控制车灯的亮暗，不仅可以降低能耗，且可以延长灯泡的使用寿命，同时可设计延时熄灭等功能，更加人性化。

功率输出电路设计。

车身控制模块也提供了多路继电器驱动电路。

使用了具有诊断功能的车身控制IC，利用专为负载设计的驱动器可以把这些负载集成到系统中去。

本设计中选用了BTS6143D芯片，可以直接驱动灯类负载或多路继电器控制的负载。

通讯单元设计。

通讯单元采用了CAN收发器MCP2551，符合ISO11898标准，数据率可达1Mbps，可承受±250V的瞬态电压和±40V的短路电压。

车身控制模块集成有120Ω终端电阻，连接在CAN-H和CAN-L之间。

六、结语
本文介绍了车身控制模块的硬件设计与开发过程，根据整车控制需求给出了模块需实现的车身控制功能，叙述了模块内各功能系统的控制芯片的功能及主控制电路、电源电路、信号采集电路、功率输出电路、CAN通讯电路的设计，从而确定了车身控制硬件设计方案。

参考文献
[1]杜尚丰,曹晓钟,徐津.CAN总线测控技术及其应用[M].北京:电子工业出版社,2007.
[2]张培仁.CAN总线设计及分布式控制[M].北京:清华大学出版社,2012.
[3]童诗白,华成英.模拟电子技术基础（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2015.
[4][日]远坂俊昭攻,彭军.测量电子电路设计——
—模拟篇[M].北京:科学出版社,2018.
[5]葛雄飞,钱立军,吴阳年.基于J1939协议的重型卡车CAN总线应用研究[J].工业控制计算机,2008(2):70-71.
责任编辑:
徐东辉
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