基于MC9S12G128的CAN总线汽车组合开关的电子设计

郑小帆，梁志刚，程来炯

(1.黄山学院 机电工程学院,安徽 黄山245041；2.昌辉汽车电器股份公司,安徽 黄山245436)

0 引言

汽车组合开关作为汽车电器配件的关键部件之一，其性能的优劣影响着整车的性能。随着汽车工业和电子技术的发展，组合开关也朝着电子化[1，2]，智能化方向发展[3]。从汽车线束角度分析，传统的组合开关大多以硬线方式输出，组合开关与其他模块之间的连线复杂。在汽车使用的过程中线束连接问题也成为组合开关质量问题中主要的一种失效模式[4]。同时模块在信号采集的过程中存在的不匹配问题也是造成开关功能失效的重要原因之一，例如需要进行AD采样的信号在接触电阻和采样消抖时间上存在不匹配问题导致开关失效[5]。本文介绍了基于CAN总线通信的汽车组合开关[6，7]电子设计，该组合开关具有UDS诊断[8，9]、网络管理[10]、Boot⁃loader[11-13]等功能，可以减少整车线束的使用，降低成本、提高数据传输可靠性、减少与其他模块存在的不匹配问题，降低了因不匹配导致的质量问题发生的概率。另外组合开关可进行故障模式的诊断，便于检修和故障定位。

1 总体设计方案

本设计以NXP的MC9S12G128和UJA1076芯片为核心，包括硬件电路设计和软件程序设计。硬件部分包括了开关的按键信号输入电路、CAN信号收发电路、电源电路等。硬件电路框图如图1所示。软件设计包括了功能信号输出、UDS诊断、网络管理、Bootloader等程序。开关信号通过MC9S12G128的IO口和AD口输入，然后通过CAN信号发送给其他模块。开关信号输出只需要电源、地、CANH、CANL 4根线即可实现。

图1 硬件电路框图

2 组合开关的硬件设计

2.1 核心器件选择

核心控制芯片采用NXP公司16位高性能微控制器MC9S12G128，工作温度范围-40℃-125℃，可靠性高。该控制器具有8KB内部RAM，128KB片内Flash存储器，4KB内部E2PROM，1路MSCAN外设用于CAN总线，12个10位A/D，3路SCI，总线时钟可达25MHz。

2.2 电源和CAN通信模块设计

整车为组合开关提供的电源电压范围为9-16V，要求在睡眠模式下的静态电流小于1mA。综合选取集成高速CAN收发器、电压调节器和看门狗功能的UJA1076芯片。芯片可为微控制器提供最大电流250mA的5V电压。具有极好的电磁兼容性(EMC)性能和极低的静态电流，带有唤醒源检测，可通过CAN总线或本地唤醒引脚进行唤醒。高速CAN收发器符合ISO11898-2和ISO11898-5标准。

2.3 按键信号电路

组合开关的左右转向灯信号、超车灯信号等电路有闭合和开路状态，通过电阻上拉到电源，并增加100K限流电阻和IO的保护电容。图2所示是芯片IO口的信号处理电路。

图2 芯片IO口的信号处理电路

前雨刮开关包括快、慢、单次、关信号，采用电阻编码形式，其信号输入到单片机A/D口。图3所示是AD口信号处理电路。

图3 AD口信号处理电路

2.4 PCB设计

在电路原理图设计的基础上，设计组合开关的线路板。根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位，合理放置接插件、按键/开关、螺丝孔、装配孔、镀金盘等。为了尽可能满足EMC要求，在PCB布线过程中要注意：1.CANH、CANL信号线尽量短，并要求平行等长；2.布线避免直角和锐角；3.线中心间距不小于线宽的3倍；4.信号线与其回路构成的环路面积尽量小；5.布线长度尽可能短；6.时钟信号线要用地线包围。

3 软件设计

组合开关的软件功能设计包括休眠和唤醒、应用功能、诊断、Bootloader等。

3.1 休眠和唤醒

开关在IGN断电时，若远光灯信号为OFF、闪光灯信号为OFF、前雨刮MIST为OFF情况下，在一定时序内未接收到CAN网络管理的保持命令，组合开关模块要进入睡眠模式。开关在IGN断电时，出现下列任一情况后组合开关被唤醒：接收到CAN网络管理的唤醒命令、检测到近光灯信号为ON、检测到闪光灯信号为ON。

3.2 开关功能

开关的输入处理逻辑提供以下功能：监测开关的工作电压，滤波，防止误操作；物理信号到CAN信号的转化；对逻辑信号的诊断监控。开关信号关系图如图4所示。

图4 开关信号关系图

3.3 UDS故障诊断

开关具备故障诊断功能，根据自检测结果判断是否产生故障，并将故障的状态信息通过CAN总线发送给相应模块。故障自诊断的范围包含CAN网络通信BUSOFF故障，开关信号对地或对电源短路故障、开关卡滞故障、蓄电池电压超过正常运行范围的异常情况等。自诊断的故障列表见表1。

表1 自诊断的故障列表

3.4 网络管理

网络管理的主要任务是保证网络通信安全可靠。网络管理包括直接网络管理和间接网络管理。直接网络管理的基本功能包括协调网络节点同步进入睡眠模式、检测和监控网络的配置、提供系统状态。根据《Open Systems and the Corre⁃sponding Interface for Automotive Electronics-OS⁃EK/VDX Network Management》中的算法建立逻辑环的通信机制。间接网络管理主要包括网络通信的启动、网络通信的关闭、节点监控、错误处理。系统的网络状态转换图如图5所示。

图5 网络状态转换图

3.5 Bootloader

Bootloader代码是系统加电后运行的第一段软件代码，它能实现用户程序的引导启动和应用程序更新两个功能。上电/复位后，Bootloader部分的代码首先被执行。Bootloader执行系统的初始化后，查询是否有外部重编程的请求。若有外部重编程的请求，执行Flash-Bootloader程序，若无外部重编程请求，检查应用程序的状态。如果应用程序有效，ECU正常执行用户应用程序，如果应用程序无效，ECU继续执行Flash-Bootloader程序，且Bootloader的默认会话被激活。Bootloader功能的启动流程如图6所示。

图6 Bootloader启动流程图

4 结论

本文设计的组合开关改变了传统的硬线输出方式，采用CAN总线通讯进行信号传输，减少线束使用，方便车内布线。在设计的过程中充分考虑了实际应用的低功耗、低成本的要求，在软件和硬件上进行了有效的低功耗设计和处理。经测试，其性能良好，在休眠模式下的静态电流为0.3mA，满足整车对组合开关的静态电流要求。经过软、硬件结合调试，开关满足主机CAN总线网络管理技术要求、UDS诊断规范、OSEK网络管理测试规范、电磁兼容性要求等技术规范。随着汽车工业的发展和科技水平的提高，产品不断进步，基于CAN信号通信的汽车组合开关会不断被接受，具有较大的应用价值。