基于LIN总线的汽车智能中央集控电器盒的设计研究

陈炳林，金少华，李万霞，王 瑞

（上海沪工汽车电器有限公司，上海 201804）

1 引言

随着汽车工业的发展，对汽车的智能化要求越来越高。集控电器盒作为汽车电源分配的核心模块也得到了飞速的发展。传统集控电器盒是汽车上的标准配置，它把车身上需要控制的继电器、熔断器及电路监测元件，通过印刷电路板和壳体组装成一个总成，完成与相关线束的多线匹配组装，从而实现电子电气集控与分配功能。汽车集控电器盒历经以下5个阶段：①使用金属片的中央集控电器盒；②布线型中央集控电器盒 （RW BEC）；③印刷线路板中央集控电器盒（PCB BEC）；④电子集成中央集控电器盒 （I-BEC）；⑤智能型中央集控电器盒 （Smart BEC）。目前市场大多是PCB中央集控电器盒和电子集成中央集控电器盒，进口中档轿车都是采用这种方式，少数的高档进口车才是采用的智能型中央集控电器盒，内部有控制部分，能够更优化电源的分配和管理。

目前市场中央集控电器盒一般没有控制功能，也没有总线，但随着整车成本降低的压力增大，具有总线控制的智能中央集控电器盒越来越受到整车厂的青睐，比如目前合资车厂：东风日产、广州本田等已经在广泛应用总线式智能中央电器盒的方案。本文提出了一种基于LIN总线的中央集控电器盒的设计，并进行了深入分析和研究，提出了可行性设计方案，该方案降低了线束成本，提高了产品的稳定性和可靠性，为未来中央集控电器盒的设计提供了一种新的思路和方案。该方案LIN总线具有通信功能，中央集控电器盒可以直接和总线进行通信，进行自我诊断。

2 系统设计

基于LIN总线的中央集控电器盒是由发动机舱电器盒和LIN总线控制模块组成。发动机舱电器盒包括发动机舱负载的熔断丝和继电器；LIN总线控制模块包括：传感器输入模块、LIN总线模块、功率驱动模块、电源及Limphome功能模块和MCU，如图1所示。前舱熔断丝盒模块，实现执行LIN总线指令、上报诊断故障和Limp Home（跛行回家）的功能。传感器输入模块涵盖室外温度测量、制动液报警、制动真空报警、洗涤液位报警、前照灯清洗液位报警、机舱盖锁报警和充电指示灯。前舱熔断丝盒模块负责控制近光灯、远光灯、前雨刮、前照灯洗涤、前洗涤、后洗涤、前桥驱动和预留继电器的输出，BCM （车身控制器）通过LIN总线与智能集控电器盒进行通信，实现相关的功能，智能集控电器盒完成BCM的指令、负载的短路、断路的诊断。如果系统出现故障，则启动Limp Home的功能:也叫Fail-Safe（失效安全模式），开关信号可以直接控制灯光和雨刮负载的输出。

LIN总线是一种A类总线 （面向传感器或执行器管理的低速网络）的主从结构，最高速度可达到20kbit／s的低成本、高可靠性的串行通信总线，利用LIN总线技术和总线式控制车身电子电器装置是智能集控电器盒发展的必然趋势，而且LIN总线的智能程度愈来愈高。带 LIN总线的智能集控电器盒将是未来发展趋势。

图1 基于LIN总线的中央集控电器盒系统框图

3 模块设计及电路实现

3.1 发动机舱熔断丝盒设计

发动机舱的熔断丝盒包括继电器和熔断丝，继电器负载驱动发动机舱的负载，熔断丝是负载熔断器。发动机舱熔断丝盒设计如图2所示，左侧是信号输入，右侧是继电器和熔断丝，继电器主要是驱动发动机舱的负载，比如近光灯、远光灯、前雨刮、冷却风扇、前喷洗等，该设计主要是避免汽车蓄电池的功率线从发动机舱到乘客舱然后返回发动机舱，节省了大量的功率线束；同时由于控制器驱动部分直接在智能中央集控电器盒内部，节省了控制器到中央集控电器盒的信号线束和连接器，该设计大大降低了整车线束和连接器的成本。乘客舱的BCM（车身控制模块）通过LIN总线完成与发动机舱的智能中央电器盒通信，提高了整个系统的稳定性和可靠性。

图2 发动机舱熔断丝盒模块设计图

图3 是基于LIN总线中央集控电器盒内部排线设计，该排线为基于LIN总线的中央集控电器盒的内部信号，该部分完成控制部分与驱动负载部分之间的通信。在传统汽车电子电器系统设计中，控制器与中央集控电器盒是分离的，从控制器到中央集控电器盒是硬线通过连接器进行连接。

图3 基于LIN总线中央集控电器盒内部排线设计

3.2 控制模块设计

控制模块主要包括传感器模块、单片机、功率驱动模块、LIN模块、电源及Limphome功能模块。传感器输入模块包括了室外温度测量、制动液报警、制动真空报警、洗涤液位报警、前照灯清洗液位报警、机舱盖锁报警和充电指示灯等电路信号的输入处理，从模拟信号转化成数字信号给单片机。单片机完成对传感器信号的处理，单片机采用Freescale的S12G系列单片机的S12G48-32LQFP芯片，该芯片具有LIN控制器，48KB flash，4KB RAM，图4是单片机设计实现电路；LIN模块的芯片采用NXP的TJA01021，该芯片符合SAE J2602协议和LIN2.1规范，高速率可达20Kb／s，低EME，强EMI，针对汽车环境的瞬时保护功能，远程唤醒和休眠接收来自BCM的控制信号。LIN模块通过LIN总线发送前舱电器盒负载的短路和开路的诊断信息，诊断功能的实现主要是LIN模块上智能功率管监控前舱电器盒上负载信息；图5是LIN模块的设计电路。

图4 单片机设计实现电路

图5 LIN模块设计实现电路

图6 是功率模块设计实现电路，该电路采用英飞凌的TLE7240低边驱动芯片，该芯片用于驱动汽车继电器，芯片具有8路低边输出，每一路驱动能力210mA，芯片通过SPI接口与MCU进行通信，芯片4路具有Limphome功能，如果单片机软件出现故障，Limphome模块通过控制TLE7240芯片的LHI可以实现4路低边输出的Limphome功能。

电源及Limphome功能模块，当智能中央集控电器盒系统的软件出现故障，Limp Home的功能开关可以直接通过汽车线束直接控制LIN模块的智能功率管和低边驱动芯片来控制前舱电器盒负载，该模块是采用NXP的SBC芯片UJA1076A，该芯片集成了LDO电源芯片，电流输出能力250mA，具有CAN总线收发器 （预留扩展），具有独立的Watchdog，具有Limphome输出功能，具有2路本地唤醒输入引脚，图7是电源及Limphome功能模块的设计实现电路。

图6 功率模块驱动设计实现电路

图7 电源及Limphome功能模块的设计实现电路

4 软件设计实现

汽车产品的稳定性直接影响到驾乘人员的安全，所以汽车产品的安全与稳定非常重要，该系统的设计除了硬件具有很强的鲁棒性外，软件也需要非常强的可靠性，所以系统软件设计需要独立的watchdog和稳定的主程序架构。图8是系统的主程序结构图。

1）软件开始首先进入系统配置，系统配置单片机的初始化、定时器的初始化、AD／IO／SPI等接口的初始化、外围电路TLE7240的初始化、LIN协议栈的初始化以及应用程序状态的初始化。

2）软件程序进入主循环，扫描读取输入输出接口的任务状态以及AD状态、负载的状态信息，LIN总线协议栈，以及应用程序的负载控制信号。扫描负载状态信息，如果发现负载有异常状态，如短路、断路或过流，程序将故障信息形成故障码上报总线，并做好记录便于读取。每一个应用程序的执行和调用如果出现更高级别的中断，程序跳出，完成中断操作。

图8 系统的主程序结构图

基于LIN总线的智能集控电器盒是采用的LIN总线通信的方式，LIN总线是针对汽车分布式电子系统而定义的一种低成本的串行通信网络。LIN总线是基于SCI（UART）数据格式，采用单主控制器／多从设备的模式，是UART中的一种特殊情况。LIN的软件是采用调度表的方式进行，分为主从方式，本文的LIN是处于LIN的从节点，BCM（车身控制器）是LIN的主节点，调度表详细规定了每个帧头的标识符以及一个帧与下一个帧之间的间隔，当智能中央电器盒接收到主节点发送的LIN信号，首先判断ID，然后判断命令的类型，然后执行响应的动作，每一帧主节点都会发送数字字段和校验字段。在LIN总线的软件设计中，初始化非常重要。图9是基于LIN总线从节点的初始化流程图。

图9 基于LIN总线从节点的初始化流程

5 总结

基于LIN总线的中央集控电器盒的设计研究，完成了系统设计，模块及硬件设计实现电路以及软件实现，目前该设计方案已经完成了产品设计、工程开发、试验验证以及客户PPAP的认可，并且在某主机厂实现了配套。经过使用客户的实际成本计算，为整车线束节省了三分之一的成本。本文的方案思路清晰简洁，产品稳定可靠，为中央集控电器盒领域提出一种新的设计思路和方案。随着汽车产业对汽车的舒适度、稳定性、节能减排以及成本控制等要求越来越高，基于LIN总线的中央集控电器盒方案将会在更多的车型中得到应用。