基于LIN总线的车载电子钟控制系统设计与研发

杨琴　黄正午　覃川　杨汉飞　罗逍

摘 要：针对现有车载电子钟的人机交互体验问题，提出一种基于LIN总线的电子钟控制系统，设计了一种嵌入屏式电子钟封装，实现了电子钟的自动校时与背光显示的功能。新型控制系统的设计，省去了调节键的设计，从而解决了人机交互体验问题。

关键词：电子钟 LIN总线 多媒体主机

随着4G/5G网络的飞速发展，车联网技术日趋成熟，基于车联网的应用场景也越来越丰富，网络架构也越来越复杂。车联网应用场景的急据增加，导致汽车电子控制单元安装空间紧缺与线束布置复杂化。合理地分配网络架构与布局电子控制单元，可以简化线束布置，降低整车重量，提升零件的平台化利用率，为整车研发节约成本。

LIN总线（Local Interconnect Network局部互联网）是基于UART/SCI（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter/Serial Communication Interface 通用异步收发器/串行通信接口）定义的一种低成本串行通信网络[1]。网络主要由一个主机节点和多个从机节点构成，总线为一根单线电缆，从机无需高精度的时钟源可以完成自同步。LIN总线在汽车网络架构中负责局部通讯，是对CAN网络通讯的一种补充，适用于对网络的带宽、性能或容错功能没有过高要求的舒适性系统[2]，如雨刮系统、灯光系统[3]、四门升降系统、天窗系统与电动后视镜系统[4]等等。LIN总线由于单线性、低成本、定向传输与低延迟等卓越性能，已经成为汽车分布式电子控制系统上应用最为广泛的一种通讯网络。

电子钟作为汽车内饰中重要的装饰部件，广泛应用于中高端汽车。传统车型电子钟一般采用按键控制策略來实现校准，采用开关来控制夜间的背光显示。按键控制策略对电子钟晶源精度要求较高，如使用低精度的晶源，使用时间长了，会出现走时不准，断电后要重新手动调整时间，人机交互体验难以满足用户需求，且按键需匹配造型设计，难以实现平台化，本文提出一种基于LIN总线的车载电子钟控制系统，将位于车身控制器上的GPS时间信号、电源信号与小灯信号通过LIN总线传输给电子钟微处理器，实现电子钟的自动校准与背光显示功能，省去了调节按键，且不需要高精度的时钟源，具有硬件结构简单、成本低、操作方便和时间显示精度高的特点。

1 电子钟总体架构

电子钟利用指针显示为用户提供小时与分钟显示功能。在常温下，电子钟精度的设计目标是需求每天的误差小于1秒。电子钟主要是通过获取网络上的全球定位卫星发射的时间信号（时、分、秒），与电子钟的机芯时间对比，如果时间误差超过1秒，先通过电源信号对电子钟进行自动归零，再重新对电子钟机芯时间进行自动调整，从而达到调节时间的目的。汽车电子控制系统网络架构比较复杂，可能会出现网络信号不好、断网与断电等不可预测的情况，导致电子钟时间显示不准，可以通过重新给汽车上电启动来重置电子钟与调整时间，无需手动操作电子钟，就能达到调节时间的目的，给用户带来舒适的体验。

车载电子钟总体设计主要由多媒体主机、车身控制器、微处理器、背光驱动模块、背光显示模块，与微处理器相连的步进电机、接口转换模块与电源模块八部分组成。总体设计系统框图如图1所示，多媒体主机通过4G/5G网络获取GPS时间信号，经CAN指令交互，将GPS时间信号送到车身控制器，经LIN指令交互，将GPS时间信号送到电子钟微处理器，微处理器控制步进电机，实现电子钟校时。车身控制器将小灯信号传输至电子钟微处理器，经背光驱动模块显示背光。

2 电子钟结构设计

本文设计了一种嵌入屏式的电子钟，外观封装图见图2，电子钟嵌入式布置在中控大连屏上，以大连屏为电子钟镜面，电子钟固定在大连屏本体上，通过3颗螺钉紧固。电子钟底座采用定位结构、防错结构与调节结构，使电子钟底座与大连屏本体紧密贴合，大连屏内部嵌入软胶圈，电子钟前盖与胶圈过盈配合，软接触确保零件的安装精度，不仅可以防止水汽进入电子钟，而且可以防止镜面漏背光。

3 电子钟硬件设计

3.1 硬件设计

车载电子钟控制系统主要由主芯片模块、电源模块与LIN控制模块三部分组成。具体电气原理图见图3。车身控制器通过LIN总线输出电源信号、小灯信号与GPS时间信号，经LIN IC模块将串口信号传输给电子钟MCU存储。MCU读取相应的指令，控制时钟的机芯，驱动转轴，从而带动时钟指针。

电子钟的机芯采用步进电机来确保走时精准。步进电机内部具有一个电磁回路、一个带60倍降速功能的齿轮与一个带12倍降速功能的串级齿轮。电磁回路由两个线圈、一个定子和一个具有双极永久磁铁的转子组成。当给线圈输入一定的波形信号，就可以驱动电机旋转。60倍降速功能的齿轮负责驱动分针，带12倍降速功能的串级齿轮负责驱动时针。MCU每60秒发送一串脉冲序列，驱动机芯分针轴转动6°，分针轴每转动360°，时针轴转动6°。

MCU根据电源信号状态控制电子钟的自动归零;根据小灯信号状态控制背光显示;MCU定时读取GPS时间信号，控制步进电机驱动转抽，进一步驱动指针，达到显示时间的目的。电子钟工作模式由休眠模式与微步驱动模式两部分组成。在无网络信号或车身控制器无信号的条件下，启动休眠工作机制，不接收GPS时间信号，时钟自己走时，分针一分钟跳动6°，每转动一圈，时针走1小时，确保电子钟的正常运行;在有网络的条件下，启动微步驱动工作机制，实时同步LIN总线上的时间信号，保持与总线上的时间信号一致。两种工作机制互补，确保电子钟工作机制稳定可靠。

3.1.1 主芯片模块

从电子钟内部空间结构、综合性能与批量生产成本考虑，主芯片模块采用PIC16（L）F15345-E/SS作为车载电子钟的核心微处理器，该芯片是NXP公司研发的一款8位的20引脚的微处理器，具有模拟、核心独立外设和通信外设接口，结合超低功耗技术，广泛适用于汽车通用设备和低功耗应用场景。

3.1.2 电源模块

电源模块为电子钟提供直流电源，一般为直流稳压芯片。本设计的输入为蓄电池输出的+12V电压，基于蓄电池供电的电子控制系统种类很多，如：灯光系统、雨刮系统、音响系统等等，一般很难保证稳定的输出，所以系统有必要设计稳压电源芯片，输出稳定的电压给主控单元。

电源模块采用MICROCHIP的MCP1804-5002I/MB稳压电源芯片，输出5V直流为电子钟主芯片模块与LIN控制模块供电，供电电路如图4所示。电源模块设有输入反接保护与抗干扰。二级管具有单向导电性，即在通过正向电压时可以导电，通过反向电压时不导电。在稳压电源芯片PIN脚上布置二级管，做输入反接保护，可以防止电源稳压芯片被反向电流击穿。去耦电容是布置在元器件电源端的电容，在电路中的主要作用是提供稳定的电源，同时降低元器件耦合到电源端的噪声。在稳压电压芯片电源端布置去耦电容，可以有效切断外部电路的高低频干扰。

3.1.3 LIN控制模块

LIN控制模块是连接车身控制器与电子钟MCU之间的接口，是电子钟硬件电路设计中的关键模块。车身控制器将电源状态信号、时间信号与小灯信号通过相应的时序经LIN总线传输给LIN控制模块，经LIN控制模塊再传输给主芯片模块存储器， 主芯片模块读取相应的指令，驱动步进电机，实现电子钟的自动归零、自动校时、实时同步和背光显示功能。

本设计中采用TJA1027T作为LIN控制模块的通讯芯片，TJA1027T是NXP公司研发的一低功耗的收发器，主要用于波特率高达20kbd的车载子网，兼容LIN 2.0、LIN 2.1、LIN 2.2、LIN 2.2 a、SAE J2602，具有极低的电磁辐射。在远程LIN唤醒的休眠模式下，电流消耗非常低，可以很好的配合主芯片模块对电子钟控制系统进行硬件设计。在睡眠模式与远程LIN唤醒支持3.3 V和5V，本设计采用5V，具体的LIN IC电路设计如图5所示。

3.2 电子钟接口设计

3.2.1 接口设计

传统的电子钟通过按键控制的策略，其采样频率占用MCU资源，对时钟MCU的工作效率有较大的影响，存在时钟精度问题。接口有5路信号，由电源、地、小灯信号、频率信号1与频率信号2组成。本文设计的电子钟采用LIN规范，通过3根线（电源、地、LIN）实现标准化的数字接口，小灯信号与时间信号通过LIN单线通信，接口设计简单灵活。LIN通信的电子钟不仅省去了调节键的设计，还大大简化了线束的复杂性。电子钟接口设计具体见图6，针脚定义与线径需求见表1。

4 电子钟通讯协议

LIN总线作为CAN总线的辅助网络，具有单线性、低成本与低延时等特点。电子钟采用标准的LIN发送，BCM作为主节点，电子钟为从节点，通信波特率为19200Bit/s，通讯矩阵状态信息见图7。

5 实车验证

将封装好的电子钟接入整车进行实车测试，实车功能测试见图8，车启动时，电子钟根据接收的电源信号，先自动归零，然后再根据LIN上的时钟数据进行校准。由实车测试可知，电子钟指针显示与多媒体主机显示时间一致，且背光驱动显示正常，设计的电子钟功能满足设计需求。

6 结论

车联网已成为目前汽车上发展的主流趋势，LIN总线技术作为CAN总线的补充，是汽车分布式控制系统设计中不可或缺的通信网络技术。基于LIN总线技术的应用场景日益丰富，大大推进了汽车的智能化与网联化。本文设计了一种基于LIN总线的车载电子钟控制系统，无需高精度的时钟源，EMI低且工作稳定可控。采用LIN单线通讯，无需操作按键，车启动自动校准，匠心设计成就了产品的灵活性，体现出汽车电子产品的智能化，给用户带来舒适的体验。

参考文献：

[1]曾光.基于LIN总线的汽车雨刮检测平台的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学;2011.

[2]张娜.LIN总线传感器调试装置的研制[J].电子世界，2021（148-149）.

[3]李建文.LIN总线在汽车车灯系统上的应用[J].农业装备与车辆工程，2013，（6）：21-24.

[4]周延藤.基于LIN总线技术的后视镜控制策略及估值处理方法研究[J].汽车电器，2021，（2）：41-43.