基于CAN总线的智能汽车座椅设计

2018-05-03龚志鹏高秋荣潘汨余伟豪张鑫明

电子制作 2018年7期

龚志鹏，高秋荣，潘汨，余伟豪，张鑫明

（湖南工程学院电气信息学院，湖南湘潭，411104）

0 引言

随着社会生产力的发展和人们生活水平的提高，汽车进入了千家万户，成为人们日常生活中的一部分，但同时也产生了大量的交通事故，中国成为世界上交通事故死亡人数最多的国家之一，严重影响人们生命财产的安全。数据显示，酒后驾驶和疲劳驾驶是引发交通事故的重要原因[1]。虽然目前有较严厉的交通法规明文禁止并进行处罚，但现实中不可能时刻全面检查，而且有些问题，比如疲劳驾驶是难以检测的。同时驾驶员不够重视，抱有各种侥幸心理，也使得酒后驾驶和疲劳驾驶屡禁不止。这时我们需从另一个方面对驾驶员进行善意提醒与帮助，如积极改善驾驶环境，及时告知其目前状况是否适合于继续驾驶。为达到此目的，驾驶员在行车时接触较多的座椅成为许多学者重点研究对象，目前研究工作主要集中于座椅的形状、构造性能参数的研究等方面，试图在坐姿上改善舒适性[2]，部分学者尝试使用单片机检测酒驾[3]，但没有考虑与车辆总线连接与数据传输。一些汽车零部件供应商提出了在车后加装传感器感应心率，以判断疲劳驾驶，目前尚在概念阶段[4]。本文尝试设计一款功能全面，性能更好且与整车控制融于一体的智能汽车座椅，旨在一定程度上避免了因汽车座椅舒适度、酒后驾驶、疲劳驾驶而导致的不必要的交通事故。

1 系统方案设计与实现

■1.1 系统的组成

基于CAN总线的智能汽车座椅设计方案如图1所示，汽车座椅的电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）用于检测座位是否有人，测量座椅温度，根据设置的温度要求控制制热元件；检测空气中酒精浓度，判断是否有酒后驾驶；经蓝牙从从智能手环读取心率数据，依据心率变化判断是否有疲劳驾驶行为。座椅ECU将判断结果及所测得的参数通过CAN总线发送个主控ECU，提醒驾驶员安全驾驶。

智能座椅各控制单元，传感器及执行器的布置的布置如图2所示，加热垫采用标准电压为12V碳纤维材料；压力检测开关用于检测作为上是否有人，置于座位下方；座椅ECU主板置于座椅背后，这样受震动与挤压影响相对较小，有利于电路稳定工作；温度传感器置于加热垫背后，且靠近ECU位置；考虑到目前非接触式心率测量技术尚不成熟，系统中采用了智能手环测量驾驶员心率，经蓝牙传至座椅ECU进行处理。

图1 汽车座椅设计方案

图2 智能座椅布置方案

■1.2 系统硬件实现

系统实现如图3所示，系统采用STM32F103ZET6为核心，其内核为cortex-M3，且具有512K FLASH，64KRAM，性能较强；温度传感器采用DS18B20，自行完成温度检测并转换成数字信号，通过数据总线传给CPU；酒精浓度传感器采用MQ-03；为保存本机参数，如设定酒精报警浓度，特定辨识心率及设定温度值等，系统扩展一个EEPROM芯片AT24C02，容量256字节；CAN接口采用MCP2551驱动芯片；人员检测采用压力开关；电热垫采用12V功率为45W碳纤维材料，具有抗折叠，发热快，效率高及安全好等优点，并采用双通道功率MOSFET IRL6297驱动，最大电路可达15A；ECU与手环通信采用CC2541低功耗串口透传蓝牙模块。智能手环采用集低功耗蓝牙的DA14580芯片，并采用SON7015作为心率传感器。

图3 系统实现框图

■1.3 系统软件实现

1.3.1 J1939协议及数据结构实现

J1939是美国汽车工程协会（Society of Automotive Engineers，SAE）制定的基于CAN总线的汽车控制与通信网络标准，包括对CAN总线物理层、数据链路层、网络层及应用层定义，还有故障诊断和网络管理，是在商用车辆最广泛的协议标准。SAE J1939协议详细指定了数据传输类型、报文结构及其各字段组成，规定了车辆各类数据的编码，范围，周期。J1939采用CAN2.0B标准，使用29位帧标识符，其数据链路层协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）格式如图4所示。PDU由七部分组成，分别是优先级P，保留位R，数据页DP，PDU格式PF，特定PDU位PS（可作为目标地址、组扩展或专用源地址），和数据域DATA。

图4 J1939 PDU格式

车辆控制网络上的多个相关参数可以打包在一起，组成参数群，有一个参数群编号（Parameter Group Numbers，PGN），并将其分配给PDU。PGN是一个24位的数据结构，一般包括数据页，PDU格式，特定PDU位等。其中的每一个参数也有一个编号，称为可疑参数号（Suspect Parameter Number，SPN）。网络上每新增一个参数，J1939都有一种称为SLOT的推荐定义方式，定义内容包括放大比例，限制范围，偏移，以及参数长度。本系统中，新增的参数包括心率，温度，酒精浓度，座椅上是否有人4个参数，设置如表1所示。

表1 新增参数定义

软件开发使用KEIL MDK-ARM开发工具，界面友好，调试方便，程序设计采用C语言的编写，设计流程图如图5所示。在座椅ECU系统初始化完毕，检测蓝牙手环并进行配对，配对成功后会将蓝牙地址存入EEPROM，然后初始化CAN总线，向主控ECU申请设备地址，开始CAN通信。CAN接收到主控ECU数据后，在中断程序中进行处理，如设置座椅温度，发布命令等。系统每500ms循环一次，检测座椅温度，酒精浓度以及心率等参数，并依次进行数据处理，判断驾驶员状态，然后发送给主控ECU。

图5 设计流程图

2 系统测试

为测试智能座椅能否正常运行以及性能是否满足要求，特设计制作了一个主控ECU，模拟汽车驾驶环境，和座椅ECU间采用CAN通信，其运行界面如图6所示。主控ECU可以对温度进行设置，并显示温度，酒精浓度，心率等参数，根据这些参数，如果判断出驾驶员有酒后驾驶或疲劳驾驶行为，为立即发出警报声提醒驾驶员注意安全驾驶。