基于CAN總線的多路LED智能前照燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

徐健，鄧亮，王金磊

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

0 引言

得益于電子科技飛快的發(fā)展速度，出于駕駛主動(dòng)安全的考慮，智能自適應(yīng)前照燈應(yīng)運(yùn)而生。自適應(yīng)遠(yuǎn)光輔助系統(tǒng)(Adaptive Driving Beam，ADB)在最大限度滿足駕駛員要求的同時(shí)，不產(chǎn)生眩目；通過(guò)安裝于前擋后視鏡處的外部圖像處理器，檢測(cè)前方車輛；在會(huì)車和跟車時(shí)，通過(guò)改變遠(yuǎn)光燈光型，構(gòu)成跟隨車輛輪廓改變的暗區(qū)，避免眩目。同時(shí)，最多的燈光維持在路面上，除了有其他車輛存在的特定區(qū)域，這些區(qū)域通過(guò)光型動(dòng)態(tài)遮蔽，保證了夜間燈光的最大利用率，有效提高了夜間行車安全。

現(xiàn)有的ADB技術(shù)中，燈光的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)大多采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行上、下方向以及遮光板的調(diào)節(jié)。由于采用了機(jī)械調(diào)節(jié)的方式，不可避免地存在機(jī)械磨損，所以對(duì)材料的要求高，對(duì)制造工藝的要求也很高；而且其使用壽命一般在幾百萬(wàn)次左右、調(diào)節(jié)精度也不夠高，由此引發(fā)的失效率就很高。

本文作者設(shè)計(jì)的基于CAN總線的多路LED智能前照燈控制系統(tǒng)，將ADB技術(shù)和LED光源矩陣技術(shù)相結(jié)合，用全電控調(diào)節(jié)方式替代了現(xiàn)有的機(jī)械調(diào)節(jié)方式，通過(guò)電子控制方式來(lái)控制LED光源的亮或滅，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)照明，也解決了由于機(jī)械調(diào)節(jié)在精度、磨損等方面所引起的一系列問(wèn)題。同時(shí)，使用CAN總線作為控制系統(tǒng)的通信總線，提高了系統(tǒng)通信的可靠性和容錯(cuò)率。綜上所述，通過(guò)作者的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)一種精度更高、使用壽命更長(zhǎng)、成本更低、可靠性更好的矩陣式LED智能前照燈控制系統(tǒng)，其基本原理圖如圖1所示。

1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體電路原理如圖1所示，主要由控制單元和照明單元兩部分組成。其中，控制單元包括：LED驅(qū)動(dòng)模塊、CAN模塊、微控制器。LED驅(qū)動(dòng)模塊采用了TI的TPS92661-Q1，CAN收發(fā)器為TJA1041，微控制器為Freescale的MC9S12G192。而照明單元(即遠(yuǎn)光模組)由12顆LED燈珠組成。

圖1 多路LED智能前照燈控制系統(tǒng)原理

1.1 集成CAN控制器模塊的MC9S12G系列微控制器

設(shè)計(jì)的智能前照燈控制系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)較少，計(jì)算不是特別復(fù)雜，選擇MC9S12G192微控制器完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。MC9S12G192是由Freescale公司推出的一款專注于低功耗、高性能、低引腳數(shù)量的高效汽車級(jí)16位微控制器產(chǎn)品，其內(nèi)嵌一個(gè)增強(qiáng)型MSCAN(可擴(kuò)展控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò))模塊，同時(shí)支持CAN2.0A/B協(xié)議。MSCAN設(shè)置有3個(gè)具有“本地優(yōu)先”概念的以內(nèi)部?jī)?yōu)先順序發(fā)送的發(fā)送緩沖區(qū)和5個(gè)具有FIFO存儲(chǔ)機(jī)制的接收緩沖區(qū)，保證了MSCAN中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送與接收。內(nèi)置的串行通信接口，滿足了微控制器與LED驅(qū)動(dòng)模塊間的通信要求。

1.2 CAN收發(fā)器TJA1041

TJA1041是CAN控制器模塊與物理總線間的接口，將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，在兩條有差分電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)。

TJA1041的主要特性如下：完全符合 ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)；速度高(高達(dá)1 Mb/s)；電磁輻射EME非常低；差動(dòng)接收器具有較寬的共模范圍，可抗電磁干擾(EMI)；不上電狀態(tài)下的無(wú)源性能；I/O級(jí)自動(dòng)適應(yīng)主機(jī)控制器的電源電壓；如果使用分裂終端，電壓源可以穩(wěn)定隱性總線電平(進(jìn)一步改善EME)；只聽模式；至少可以連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3 多路LED矩陣驅(qū)動(dòng)芯片TPS92661-Q1

用于汽車前照燈系統(tǒng)的TPS92661器件是一款緊湊型高集成解決方案，適用于對(duì)應(yīng)用中的大陣列高亮度LED(如汽車前燈)進(jìn)行分流FET亮度調(diào)節(jié)。它包括一個(gè)12開關(guān)串聯(lián)陣列(用于繞過(guò)串聯(lián)電路中的單個(gè)LED)以及一個(gè)串行通信接口(通過(guò)主微控制器進(jìn)行控制和管理)。此外，串聯(lián)電路中各LED的打開和關(guān)閉時(shí)間可單獨(dú)編程，PWM頻率可通過(guò)內(nèi)部寄存器調(diào)整，多個(gè)器件可同步為相同的頻率和相位。

TPS92661的主要特性如下：12個(gè)串聯(lián)LED旁路開關(guān)；多點(diǎn)UART通信接口；可編程10位脈寬調(diào)制(PWM)亮度調(diào)節(jié)；支持器件間的同步；內(nèi)置相移功能；LED 開路/短路檢測(cè)和故障保護(hù)及實(shí)時(shí)的故障報(bào)告。

基于上述特性，所設(shè)計(jì)的多路LED智能前照燈控制系統(tǒng)，單邊控制12顆LED燈珠的單獨(dú)亮滅。同時(shí)，也是一個(gè)可擴(kuò)展的方案，通過(guò)將TPS92661級(jí)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)最多8顆TPS92661驅(qū)動(dòng)芯片的網(wǎng)絡(luò)控制。也就是說(shuō)，單燈最多可支持LED顆數(shù)為96顆。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

就實(shí)現(xiàn)的功能而言，圖像處理器通過(guò)與前照燈中的控制單元相連的CAN總線將控制報(bào)文發(fā)送給微控制器，微控制器接收到控制報(bào)文后，對(duì)其進(jìn)行解析和算法計(jì)算，得出需要控制亮或滅的LED光源位置后，再通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，最終將最后結(jié)果通過(guò)UART總線發(fā)送給LED驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED光源亮或滅的控制，從而起到防炫目的效果。

控制器上電后，按照如圖2所示流程工作：

第1步，系統(tǒng)上電，初始化各模塊；

第2步，初始化完成后，對(duì)控制器的輸入電壓進(jìn)行檢測(cè)；

第3步，前照燈上電自檢通過(guò)以后，啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器，主要用于ADC采用與故障檢測(cè)；

第4步，前照燈進(jìn)入正常工作模式后，會(huì)接收和解析外部圖像處理器發(fā)送來(lái)的CAN報(bào)文；

第5步，根據(jù)解析的報(bào)文內(nèi)容，判斷近光燈是否打開；

第6步，若在近光燈打開的情況下，則根據(jù)解析的報(bào)文內(nèi)容判斷啟動(dòng)何種模式的遠(yuǎn)光。

圖2 軟件運(yùn)行流程

3 測(cè)試驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)車測(cè)試，當(dāng)前方?jīng)]有車輛的時(shí)候，控制系統(tǒng)會(huì)將遠(yuǎn)光全部打開，如圖3所示。反之，當(dāng)外部圖像處理器檢測(cè)到前方存在車輛時(shí)，會(huì)通過(guò)CAN總線通知前照燈控制器，關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的LED燈珠，構(gòu)成一個(gè)隨車輛輪廓的暗區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)防炫目的效果，如圖4所示。

圖3 前方無(wú)車輛，遠(yuǎn)光全亮

圖4 前方有車輛，ADB遠(yuǎn)光

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于CAN總線的多路LED智能前照燈控制系統(tǒng)，解決了目前市面上機(jī)械式智能前照燈由于機(jī)械調(diào)節(jié)在精度、磨損方面所引起的一系列問(wèn)題。通過(guò)CAN總線接收外部圖像處理器信號(hào)檢測(cè)前方車輛，在會(huì)車和跟車時(shí)，通過(guò)改變遠(yuǎn)光燈光型，構(gòu)成跟隨車輛輪廓改變的暗區(qū)，避免眩目。此系統(tǒng)在實(shí)際使用中有很好的精確性和穩(wěn)定性。