基于CAN总线的汽车尾灯控制器的设计

张文斌，张玲华，秦延隆，刘召洋，张兰兰，韩庆福

（中国重汽技术发展中心，山东 济南 250101）

目前国内重型载货汽车的后尾灯控制主要通过继电器或车身中央控制单元。继电器控制存在使用线束数量较多、驱动方式不可靠、可维护性较差等缺陷；车身中央控制单元控制存在功率驱动端易发生过载过流导致的热损伤，以致烧毁整个控制单元，导致故障率提高，降低了整个电气系统的可靠性。使用后尾灯控制器进行尾灯的驱动及诊断，需要解决由于前照灯功率较大，工作时间长可能会导致的电路板过热，电流过大导致热损等问题。在驱动与逻辑控制分离的情况下，完全可以通过良好的硬件电路设计，避免这种缺陷的发生。

汽车尾灯控制器的开发基于车身分布式控制策略，将尾灯的驱动和控制分离开来，尾灯控制器负责尾灯的驱动及诊断，各模块间通过CAN通信的方式，替代继电器和集中式的车身控制方式，减少了线束使用数量，降低了整车质量，具有更高的可扩展性及稳定性，也便于车身控制系统的维护。目前VOLVO、奔驰等公司已采用这种分布式控制策略，在某些车型或高配车型上使用尾灯控制器进行尾灯的驱动及诊断。随着整车电气系统的复杂化，使用CAN通信的分布式电气网络架构，以共享的方式传送数据和信息，实现网络化的数字通信和控制功能，已经成为车辆电子电气的发展趋势，尾灯控制器的开发正是符合这种控制架构，已经成为下一代重型载货汽车尾灯控制的设计趋势。

1 基于CAN总线的汽车尾灯控制器设计

1.1 总体思路

针对汽车尾灯控制器的设计定位要求，该控制器的主要功能包括主车的左／右后转向灯、左／右后位置灯、制动灯、倒车灯及后雾灯的驱动及诊断反馈等。

当常电30电源及搭铁线连接正常的情况下，基于CAN总线技术的汽车尾灯控制器可被I-CAN的相关CAN信息唤醒。汽车尾灯控制器被唤醒后，可从I-CAN获取相关开关的状态信息并按要求驱动相关灯具等。当其驱动的相关负载存在开路或对搭铁短路故障时，汽车尾灯控制器可按要求向I-CAN发送相关故障信息，以通过仪表进行相关故障显示或警示。基于CAN总线的分布式控制系统，汽车尾灯控制器连接到I_CAN线上，电气网络架构如图1所示。

1.2 硬件设计方案

汽车尾灯控制器硬件系统主要由4部分组成，分别是电源模块、MCU系统模块、功率驱动模块以及通信和外围模块等。电源模块包含防反接功能、TVS瞬态抑制保护、阻性负载故障诊断、过载短路等智能关断等功能；MCU系统模块包含A／D采集、通用输入输出控制、CAN、SCI、BDM等通信接口；功率驱动模块包含功率驱动控制、驱动电流反馈、故障诊断、智能关断等功能；通信和外围模块包括开关量输入采集、CAN驱动器保护、BDM和SCI接口等。硬件系统结构如图2所示。

1.2.1 MCU的选择

MCU是汽车尾灯控制器的核心，它负责数据的采集和处理、逻辑运算以及控制等，MCU的选取是整个硬件设计过程中最重要的任务。选取NXP公司的MC9S08DZ60单片机，具备如下特点。

1）采用8位HCS08 CPU，核心运算能力可达到40 MHz，总线速度可达到20 MHz，采用HC08指令集，带附加的BGND指令，支持最多32个中断／复位源。

2）片内集成了60KB FLASH，4KB RAM和2KB E2PROM，完全满足程序对存储空间的要求。

3）外设接口，包括一路CAN2.0A／B协议的CAN接口、两路异步串行通信接口、三路同步串行通信接口、24通道12位A／D接口、一路I2C总线接口、53个通用I／O口 （其中24个外部中断功能）、8通道输入捕捉／输出比较／PWM输出等。本控制器的单片机最小系统如图3所示。

1.2.2 电源模块

尾灯控制器的供电来自重型载货汽车的蓄电池组，其标定电压＋24 V。汽车在运行过程中，蓄电池工作电压为9～32 V，电压的不稳定将导致尾灯控制器工作不正常。因此，在电源模块的设计过程中，采用了宽电压输入范围，高输出精度的线性电源芯片TPS7B6950，6.5～40 V电源芯片正常工作，输出电压5 V，±2%精度，最大150 mA的工作电流，并具有短路、过流及温度过载保护等功能。通过使用这款芯片及其外围辅助电路 （主要是滤波电路），使得电源模块供电稳定可靠。电源模块如图4所示。

图1 分布式控制系统电气网络架构图

图2 硬件系统结构图

图3 单片机最小系统

图4 电源模块

1.2.3 CAN通信模块

MC9S08DZ60片内集成了一路兼容CAN2.0A／B协议的MSCAN模块，所以尾灯控制器的CAN通信模块只需外加CAN收发器。CAN通信模块采用了PHILIP公司的TJA1050收发器芯片。该芯片的波特率范围是60 kb／s～1 Mb／s，它具有一个温度保护电路，当与发送器连接点的温度超过大约165℃时，会断开与发送器的连接 （当总线短路时，更需此温度保护电路）。 CAN通信模块如图5所示。

图5 CAN通信模块

1.2.4 功率驱动模块

功率驱动模块采用VND5T035AK驱动芯片，包含功率驱动控制、驱动电流反馈、故障诊断、智能关断等功能。此控制器共采用4个驱动芯片，8路输出，驱动能力划分为连续驱动1 A （21 W／24 V）2路、连续驱动2 A （42 W／24 V）4路、连续驱动3 A（70 W／24 V）2路。具备开路、过载、短路故障检测功能；具备过热、过流、短路元器件保护功能；有驱动电流反馈；可选灯泡或发光二极管负载驱动类型。驱动模块如图6所示。

图6 驱动模块

1.3 软件设计方案

尾灯控制器的软件设计首先搭建底层的软件层，它是外设底层驱动层，主要包含了常用的外设驱动，比如GPIO用于灯的控制，ADC用于开关量的检测，存储器用于存储一些重要的掉电不能丢失的数据，CAN用于通信，PWM用于复杂外设的驱动，RTC构造时基定时器，看门狗用于系统可靠运行的保全。

再次设计应用层程序，应用程序层功能上主要以外设诊断、功率驱动、开关量检测、CAN报文的收发、CAN报文故障、数据处理和时间管理为主。多任务时间管理层根据各个任务的要求，进行消息管理、任务调度、时间管理优化等工作，根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。基于MC9S08系列8位芯片的尾灯控制器软件架构如图7所示。

当驱动开启后，应用程序以10 ms为周期，连续诊断（短路故障需检测3个周期即30 ms，其他故障需要检测4个周期即40 ms）。针对灯泡负载，通过诊断可以判别开路、过载、短路等故障，但是当电源电压小于18 V时不做开路故障检测；对于LED负载，通过诊断可以判别开路、短路等故障。诊断条件：控制命令为1即用户开启相关灯光，并且不存在短路故障，即灯光开启后才能诊断。开路故障不关灯，过载故障不关灯，对搭铁短路关灯。

图7 基于MC9S08系列8位芯片的尾灯控制器软件架构

2 带CAN功能的尾灯控制器的优势

1）带CAN功能的尾灯控制器，CAN总线相对传统线束的优势

传统尾灯控制方式为后尾灯分线盒和控制线束，尾灯控制器的应用，采用CAN线代替控制线束，可减少线束使用数量和体积，减少整车质量并降低了生产成本，具有较高的数据传输可靠性和安装便捷性，且扩展了汽车功能。

带CAN功能的尾灯控制器，具备后尾灯的诊断保护功能，同时尾灯控制器检测车辆尾部灯光故障状态，并采集开关信号状态将其反馈给车身控制器，将信息反馈给仪表，显示相关故障信息及工作信息，驾驶员从仪表盘一目了然。

尾灯控制器可作为挂车模块使用，为以后系统扩展配置挂车时，可增加挂车模块来控制挂车后尾灯。

尾灯控制器易于测试，为形成自己的CAN总线测试规范，提供基础依据。

2）尾灯控制器的匹配的电气系统架构的先进性

尾灯控制器的自主开发，提高了整车电控设计的自主性、通用性和方便功能延展，可更好地满足相关法律法规的使用及扩展需求，为整车网络管理和网络安全积累经验。

尾灯控制器的设计将车身中央控制器中的部分功能分离开来，尾灯控制器匹配的电气系统架构较车身中央控制单元电气系统架构成本较低，且降低了CAN线的负载率，信息传输更加可靠、稳定。

尾灯控制器的开发设计能够满足布局的整车分布式控制的电气系统架构，通过软硬件的匹配，可适配LED光源。

3）提供车身控制系统整套产品

布局整车车身分布式控制系统的电器系统架构，规划包括前模块、驾驶室内模块、尾灯控制器等，为确保新开发模块可靠、可用，采用逐步开发，分布实施的原则，首先开发车辆尾灯控制器，驱动后尾灯，驱动形式能兼容灯泡和LED负载，可更好地满足市场的不同需求。通过本项目的实施，可逐步为企业研发安全、可靠、低成本的车身控制系统整套产品，提高企业产品的市场竞争力。

3 总结

重型载货汽车挂车尾灯后装市场情况比较复杂，挂车尾灯分普通白炽灯泡和LED灯。为应对复杂的市场情况，尾灯控制器应运而生。车辆尾灯控制器的主要功能是驱动后尾灯，可针对白炽灯泡和LED两种发光类型的后尾灯，尾灯控制器通过EOL标定实现硬件电路电流诊断电路的切换，能够实现两种类型尾灯的开路、短路等故障诊断，实现两种尾灯驱动兼容，且能够更好地保护后尾灯，满足市场的不同需求。LED是一种高效环保的新型半导体光源，有其它光源无法比拟的优势，在未来重型汽车照明应用中前景广阔，同时LED后尾灯也逐渐成为各主机厂出厂的首要选择，尾灯控制器的应用，完全满足LED灯的使用要求。随着LED后尾灯的普遍应用，尾灯控制器的应用也具有巨大的市场潜力。