浅析灯光刮水组合开关信号输出形式

汪思泉

（东风汽车公司技术中心电子电器部，湖北 武汉 430058）

汽车上的灯光刮水组合开关 （以下简称组合开关）用来操作外部灯光的开闭和前后刮水的工作，最为典型的组合开关有位置灯、近光灯、远光灯、远光变光、前雾灯、后雾灯、左转向灯、右转向灯等灯光操作开关，以及前刮水喷水、前刮水高速、前刮水低速、前刮水间歇、前刮水间歇时间调整、后刮水喷水、后刮水等操作开关。在组合开关内部，有多个这样不同功能的开关触点，在驾驶员的操作下，这些开关触点接通或者断开，产生控制信号。那么这些控制信号通过什么输出形式控制对应的灯光、刮水等电器设备呢？这些输出形式各有什么特点呢？本文逐一进行探讨。

1 点对点信号输出形式

在车身控制器 （Body Controller Model，以下简称BCM）还没有装备到汽车上时，基本上每个功能触点对应一个信号输出，组合开关有多少种功能或多少个控制对象，就有对应的开关信号输出，这种信号形式在本文称之为点对点信号输出，如图1所示。

为满足GB4785法规的要求 （如只有在位置灯打开时，近光灯、远光灯、前雾灯才能打开；只有在近光灯、远光灯、前雾灯打开时，后雾灯才能打开等），点对点信号式的组合开关结构相对复杂，部分开关需要实现联动，如在近光灯、远光灯档位时，位置灯开关要求保持导通；再如多数洗涤器通过洗涤电动机正转、反转实现前后风窗洗涤，所以前洗涤开关、后洗涤开关要设计成互锁的结构，同时还要控制洗涤电动机能够正反转工作。点对点信号式组合开关多为功率型开关，要求能够直接驱动电器设备，因此开关触点的容量必须与电器设备的容量匹配，如远光灯开关的容量为10 A左右。另外，这种类型的开关基本上是一对一地控制电器设备，因此需要多根导线，图1中就有19根导线，一对一导线形式增加了线束成本和质量。采用点对点信号式组合开关的车型有神龙汽车公司早期的富康、爱丽舍，东风风神S30、东风悦达起亚K2、K3、K5等车型。

2 电阻信号输出形式

在BCM装备到汽车上后，在不更改组合开关的结构、操作形式的条件下，只需要在开关内部对各个开关触点信号做电路原理更改，就可以减少组合开关的信号输出回路。为了实现这个目的，可以将开关信号分组，如位置灯、近光灯信号分为一组，远光灯、远光变光信号分为一组，前雾灯、后雾灯信号分为一组，左转向灯、右转向灯信号分为一组，前刮水高速、前刮水低速、前刮水间歇信号分为一组，前刮水间歇时间调整、后刮水信号分为一组，前刮水喷水、后刮水喷水开关的电路保持不变。除前后刮水喷水开关信号外，其余各组开关状态可以用电阻值表示，分别用一条输出回路。以位置灯、近光灯这一组的开关信号为例，正常情况下，开关只可能处在OFF、位置灯、近光灯某个档位，因此可以用不同的电阻值表示开关的当前状态，开关的电路原理如图2所示。

在图2中，当开关处在OFF档位时，电路对外输出为断路，电阻值为无穷大；当开关处在位置灯档位时，电路对外输出电阻值为R1，当开关处在近光灯档位时，电路对外输出电阻值为R1、R2的并联阻值。通过设置不同阻值的R1、R2，位置灯、近光灯这一组的开关状态就可以通过电阻值的形式输出。BCM接收到这一回路的信号后，读取回路的分压值，进而计算出回路的输出电阻，便可以识别灯光开关的当前档位，从而控制位置灯、近光灯的点亮和熄灭。其他各组开关的状态可以依此通过回路的电阻信号输出，在本文称之为电阻信号输出形式。按照这种形式，组合开关、BCM、灯光、刮水组成的系统电路原理图如图3所示。

可以看出，在相同功能、相同配置的情况下，电阻信号式组合开关的回路数比点对点信号式有明显的减少，从19根导线减少到13根导线，这有利于减少线束成本和质量。电阻信号式的组合开关配合BCM的控制功能，可以将组合开关从功率型开关转变为信号型开关，从而减小组合开关的负载功率，提高开关的使用寿命。奇瑞A13车型就采用了电阻信号式的组合开关。

然而，电阻信号式组合开关存在应用上的局限性。由于电阻值存在一定误差，约±5%，组合开关输出回路的阻值就有误差。为了避免这些误差引起BCM错误判断，需要将各个开关组输出回路在不同状态时的输出阻值拉开间隔。BCM的信号输入回路电源电压值为5 V，因此可以按外部电路分压值为0V、0.5V、1.0V、1.5V……4.0V、4.5V来合理选取电阻，这就限制了每个开关组输出回路最多只能有10种状态，按照数学的组合原理，每个开关组最多只能有3个开关，这就是电阻信号式组合开关要将开关分成多个开关组的原因。

3 矩阵信号输出形式

受电阻信号输出形式的启发，设计人员提出了一种矩阵信号输出形式的组合开关，组合开关内部电路原理图如图4所示。BCM通过5个输出接口、5个输入接口，读取组合开关的状态，然后根据这些状态对电器设备进行控制，最多可以读取25个开关信号。

BCM周期性的接通晶体管T1～T5，如周期T设定为10 ms，在每个周期里，按1—2—3—4—5的顺序依次接通晶体管，每个晶体管接通时间设定为t1，相邻晶体管接通的时间间隔设定为t2。如图5所示，在某个周期内，晶体管T1接通，输入电路1、2、3、4、5可以读取开关1、2、3、4、5的状态，然后，晶体管T1关断，间隔t2时间后，晶体管T2接通，输入电路1、 2、 3、 4、 5可以读取开关6、 7、 8、 9、10的状态……最后，晶体管T4关断，间隔t2时间后，晶体管T5接通，输入电路1、2、3、4、5可以读取开关21、22、23、24、25的状态。如此，BCM在1个周期内可以完成对各个开关状态的读取。由于1个周期的时间极短，BCM可以实时读取开关的状态，既不会出现信号的延时，又不会造成开关信号的丢失。

点对点信号式的组合开关，经过简单的电路再设计，就可以实现矩阵信号输出形式。在组合开关新开发过程中，如果采用矩阵信号输出，可以简化组合开关的内部结构和电路设计。以位置灯开关为例，GB4785法规要求，只有在位置灯打开时，近光灯、远光灯、前雾灯才能打开，因此点对点信号式的组合开关在结构和电路设计上必须保证在打开近光灯、远光灯、前雾灯时，位置灯开关信号必须保持接通，即位置灯开关信号必须与上述3种开关信号联动，而采用矩阵信号式的组合开关，就不需要开关信号联动了，因为在机械结构设计上已经保证了要打开近光灯，必须先将开关拧到位置灯开关档位，然后才能拧到近光灯档位。这样，在近光灯开关接通时，位置灯开关信号可以不接通，BCM读取到近光灯开关已经接通，认为位置灯开关已经接通了，从而可以简化组合开关内部开关触点和电路的设计。其他开关的简化处理，此处不一一分析。

通过以上的分析，可以看出矩阵信号式的组合开关有2个明显的特点：一个是通过BCM的N条输出电路和N条输入回路，可以实时读取N×N个开关信号，可以显著地减少组合开关的信号输出回路，N越大，效果越明显，5输出5输入的矩阵可以读取25个开关，6输出6输入的矩阵可以读取36个开关……目前，5输出5输入的矩阵已经可以满足大多数组合开关的使用，因此最常见。另一个特点是可以简化开关内部的机械结构和电路设计。东风日产轩逸、东风风神A60等车型采用了矩阵信号式的组合开关。

4 LIN总线输出形式

LIN是一种低成本的串行通信网络，用于汽车中分布式电子系统控制。LIN通信是基于SCI（UART）数据格式，传输速率最高可达20kbit／s。LIN总线采用单主控制器／多从设备的模式，仅使用一根12 V信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线，不需要改变LIN，从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点。

一个LIN网络由一个主节点、一个或多个从节点组成，主节点采用轮询各个从节点的形式控制总线，并与总线上其余节点共享总线数据。从节点仅在接到主节点的命令时才进行数据传输，这样就可以进行双向传输并且无需进一步的仲裁。1个LIN数据帧可以1次传输2、4或者8个字节的数据信息，数据长度可以灵活配置。

LIN总线的以上特点和特性，使组合开关采用LIN总线输出信号成为可能。首先，BCM可以定义为一个主节点，负责LIN网段报文的管理和调度，组合开关及其他设备可以分别定义为从节点，由此组成的LIN网络架构如图6所示。

实现LIN总线式的组合开关，需要设计一个控制器，如图7所示，将所有开关信号直接引入控制器输入回路，控制器读取这些开关信号后，经过数据处理，便可以通过LIN线发送给BCM，BCM从而控制相应的电器设备。由于组合开关的信号数量不多，可以用2个数据字节来表示开关的状态，举例如下。

Byte1用来定义灯光开关信号：Bit7，Bit6，Bit5，Bit4， Bit4， Bit3， Bit2， Bit1， Bit0。 Byte1各个Bit定义见表1。

Byte2用来定义刮水开关信号：Bit7，Bit6，Bit5， Bit4，Bit3， Bit2，Bit1， Bit0。Byte2各个Bit定义见表2。

表1 Byte1各个Bit定义

表2 Byte2各个Bit定义

LIN总线式的组合开关需要在组合开关内部增加控制器，相应地增加了组合开关的成本，大约增加25～30元，但组合开关仅需要2根电源线和1根LIN线，大幅地减小开关的输出回路和线束成本，大约能减少25～28元 （包括导线数量和插接件成本的减少等）。两者比较，总体增加2元左右，在可以接受的范围内，因而成为乘用车较多采用的形式。使用LIN总线，可以实现对组合开关的诊断功能。华晨宝马3系、长安福特翼虎、新福克斯等车型的组合开关就采用了LIN总线的输出形式。

5 CAN总线输出形式

CAN总线即控制器局域网，是应用最广泛的开放式现场总线之一。相比LIN总线，CAN总线数据通信没有主从之分，根据总线访问优先权，任意一个节点可以向任何其他节点发起数据通信。通信距离最远可达10 km （速率低于5 kb／s），速率可达到1Mb／s（通信距离小于40m）。CAN总线传输介质可以是双绞线或同轴电缆。CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量、实时性要求比较高、多主多从或者各个节点平等的现场中使用。

作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、扩展性强的通信控制形式，CAN总线已被广泛应用到汽车控制系统通信中。随着CAN总线的广泛应用，CAN总线模块的成本也大幅下降，几乎接近LIN总线成本。现在中高级车型上的组合开关，如神龙汽车公司凯旋、一汽大众奥迪A6L、A4L等车型，已经采用CAN总线的信号输出形式。CAN网络架构如图8所示。

同LIN总线式的组合开关一样，实现CAN总线式的组合开关，需要设计一个控制器，将所有开关信号直接引入控制器输入回路，控制器读取这些开关信号后，经过数据的处理，便可以通过CAN线发送给BCM，BCM从而控制相应的电器设备。1个CAN数据帧包含8个字节的数据，组合开关的信号数量不多，可以用2个数据字节来表示开关的状态，同上文LIN字节定义一样，其余的Byte3～Byte8为预留字节。

CAN总线式的组合开关成本略高于LIN，组合开关需要2根电源线和2根CAN总线，相比点对点信号式的组合开关，会引起车辆成本增加2～3元左右。CAN总线最大的优点是扩展性好，在不更改组合开关结构、电路和硬件的情况下，可以方便地实现组合开关功能的扩展和升级，还可以实现组合开关的诊断功能。

6 结束语

组合开关以上5种信号输出形式，是伴随着汽车电子技术的发展而先后出现的，它们体现了组合开关信号输出的发展趋势，也体现了人们对降低汽车成本、质量的要求。在实际工程设计中，可以根据实际情况，结合现有产品、技术能力等因素综合考虑，选择最适宜的形式和方案。