汽車智能化車燈控制系統(tǒng)方案和軟件方案設(shè)計(jì)

黃常清　羅詩明　楊才生　蘭金耀

摘 要：隨著LED前照燈的集成度和復(fù)雜程度及智能化程度的提高，汽車LED前照燈驅(qū)動(dòng)面臨著提高效率、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、和降低成本等諸多挑戰(zhàn)。本研究提出了一種性能穩(wěn)定、性價(jià)比高、能耗低、驅(qū)動(dòng)效率高、智能化高、集成度高LED驅(qū)動(dòng)方案，并對(duì)該驅(qū)動(dòng)方案的關(guān)鍵參數(shù)、相關(guān)的技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究。該項(xiàng)研究在汽車LED前大燈驅(qū)動(dòng)電路領(lǐng)域具有降本增效、提升用戶的體驗(yàn)感和整車行駛安全性的重要意義。

關(guān)鍵詞：LED前照燈 驅(qū)動(dòng) 智能化 驅(qū)動(dòng)效率 能耗

1 概述

隨著社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，以及物質(zhì)生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)汽車的要求不再是基本的功能需求，而是要求汽車更加智能化、更加的富有科技感和創(chuàng)造性。以此同時(shí)，隨著車輛智能化發(fā)展，人車互動(dòng)是實(shí)現(xiàn)車輛智能化和人性化的必要手段。用戶可以自主選擇車輛燈光的迎賓效果及點(diǎn)亮形式，那么將極大豐富車輛燈光的律動(dòng)形式，提升了人車互動(dòng)的體驗(yàn)感。智能動(dòng)感燈光（迎賓燈光秀）作為最直觀提升科技感的配置，可實(shí)現(xiàn)燈光隨音樂而跳動(dòng)；多種照明模式作為對(duì)遠(yuǎn)近光的補(bǔ)充。智能化車燈與ADAS自動(dòng)駕駛系統(tǒng)緊密結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能的大燈照明形式。然而隨著LED前照燈的智能化程度、集成化程度的提高，LED前照燈驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)在成本、可靠性、EMI等方面提出更高的要求。如何設(shè)計(jì)一種性能穩(wěn)定、性價(jià)比高、能耗低、驅(qū)動(dòng)效率高、智能化高、集成度高LED驅(qū)動(dòng)方案已經(jīng)成為LED前照燈驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。諸多專家學(xué)者通過模糊控制的方法對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角、車速與車燈轉(zhuǎn)角的關(guān)系進(jìn)行研究，研究表明，通過模糊控制，可以提高AFS工作穩(wěn)定性，減小過度偏角，提高前大燈的使用 壽命和工作精度[1，2]。孟昭軍等[3]、趙寒等[4]介紹了通過CAN總線通訊實(shí)現(xiàn)前照燈的AFS功能。研究表明通過CAN總線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)前燈向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)。倪彰等[5]介紹了通過CAN總線實(shí)現(xiàn)車燈的控制，研究表明通過CAN總線可以實(shí)現(xiàn)車燈的精準(zhǔn)控制。金平等[6]介紹一種尾燈解鎖和閉鎖迎賓音樂律動(dòng)的控制方法，研究表明，通過BCM提供硬線解鎖閉鎖信號(hào)可以按照預(yù)先設(shè)定好的點(diǎn)亮?xí)r序、點(diǎn)亮形式進(jìn)行解鎖閉鎖律動(dòng)，但不能進(jìn)行在線更新、升級(jí)。盡管很多專家學(xué)者從CAN總線技術(shù)和模擬控制方面對(duì)智能化車燈進(jìn)行了研究，但仍無法解決車燈控制智能化程度控制精度不高的問題，不能實(shí)現(xiàn)在線升級(jí)和對(duì)每路LED精準(zhǔn)單獨(dú)點(diǎn)亮控制的問題。

本文基于整車CAN總線技術(shù)，和ADAS自動(dòng)駕駛系統(tǒng)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)汽車車燈的智能控制和在線升級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)車燈多種照明和智能動(dòng)感燈光。

2 汽車智能化車燈控制系統(tǒng)方案

2.1 車燈與整車控制邏輯、通訊架構(gòu)

車燈與整車控制邏輯、通訊架構(gòu)主要包括車機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、ADAS、BCM、整車MCU控制器、智能車燈控制器、光學(xué)器件七部分組成。其中智能車燈控制器采用CAN總線與車身控制器和ADAS通訊，接收ADAS處理后傳輸過來的路況、車輛、行人、車速等信息來實(shí)現(xiàn)各種工況和環(huán)境下光束調(diào)節(jié)。車機(jī)將解析好的音頻信息通過CAN總線發(fā)送燈光點(diǎn)亮代碼控制外部燈具按照音樂節(jié)點(diǎn)亮和關(guān)閉，智能燈光控制器接收和識(shí)別車機(jī)發(fā)送的燈光點(diǎn)亮代碼實(shí)現(xiàn)智能動(dòng)感燈光。BCM控制燈光迎賓功能的開啟和給燈具供電，并實(shí)現(xiàn)燈具按照法規(guī)要求正常點(diǎn)亮。如圖1所示。

2.2 車燈與整車控制邏輯、通訊架構(gòu)

智能車燈控制器通過CAN總線與車身控制器和ADAS等進(jìn)行通訊，然后將燈光的開關(guān)和控制信號(hào)傳輸給單片機(jī)，再由單片機(jī)來控制多通道矩陣式芯片來控制車燈每個(gè)功能的點(diǎn)亮。該智能車燈系統(tǒng)可根據(jù)LED串的數(shù)量進(jìn)行組合配置，可使成本更低和組合更為靈活。矩陣控制芯片可精準(zhǔn)的控制每個(gè)LED的點(diǎn)亮，從而實(shí)現(xiàn)智能動(dòng)感燈光、多場(chǎng)景照明、智能投影燈光等功能。智能車燈系統(tǒng)架構(gòu)見圖2所示。

2.3 軟件架構(gòu)

智能車燈控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要包括AAP層、RTE層、BSP層。軟件架構(gòu)如圖3。

（1）APP層負(fù)責(zé)接收、發(fā)送整車CAN信號(hào)數(shù)據(jù)，包括解析從整車輸入的數(shù)據(jù)、打包反饋數(shù)據(jù)上送到整車。

（2）RTE層通過CAN總線系統(tǒng)、MCUI/O口、LED驅(qū)動(dòng)和反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理。同時(shí)處理OTA升級(jí)功能、MCU工作模式轉(zhuǎn)換以及異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

（3）BSP層中CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)通過MCU和CAN收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)；LED驅(qū)動(dòng)通過MCU的SPI、GPIO、ADC實(shí)現(xiàn)；OTA功能通過EEPROM以及UART功能實(shí)現(xiàn)。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 TVS管

汽車LED燈具的電源線最少選用 600W（10/1000μs標(biāo)準(zhǔn)波）以上的TVS管，CAN或者LIN通訊線最少選用300W（8/20 μs落雷波）以上的TVS管，壽命＞10年，工作溫度范圍為-45℃到125℃。本研究采用的TVS為SMBJ30CA。TVS管選型參考公式（1）至（4）進(jìn)行。

VRMW=1.2 X VC-max （1）

VBR=VRWM/0.85 （2）

VCmax=1.3 X VBR （3）

Pact=Vc×Iact×Δ （4）

式中：VRMW為最大反向工作電壓，VBR為反向截止電壓，VCmax為最大箝位電壓，Pact為最大瞬態(tài)浪涌電壓。

3.2 單片機(jī)

智能車燈控制器的MCU應(yīng)滿足以下要求：內(nèi)核≥32位，主頻≥64MHz，F(xiàn)LASH容量應(yīng)≥128KB，RAM≥64KB。智能車燈控制器的MCU，至少包含2路CAN通信接口、3路SPI通信、6路USART、3路I2C配置、多路通信接口。因此智能車燈控制器的單片機(jī)采用芯旺微的KF32A156單片機(jī)。

3.3 矩陣芯片

矩陣芯片的選擇需要綜合考慮LED的驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流、LED的顆數(shù)及智能車燈系統(tǒng)的總功率。

3.3.1 用于多場(chǎng)景照明模式的矩陣芯片

多場(chǎng)景照明模式主要通過控制遠(yuǎn)近光光學(xué)模組的LED亮滅進(jìn)行，近光采用12顆3W，遠(yuǎn)光采用12顆3W，遠(yuǎn)近光每顆LED的電流為1A，驅(qū)動(dòng)電壓為3V，總功率為72W，因此矩陣芯片選擇MPS的MPQ7240。

3.3.2 用于智能動(dòng)感燈光的矩陣芯片

智能動(dòng)感燈光通過控制日行燈/轉(zhuǎn)向燈/位置燈的LED亮滅進(jìn)行，日行燈/位置燈采用48顆0.5WLED，轉(zhuǎn)向燈采用48顆0.5WLED，每顆LED電流為100mA，驅(qū)動(dòng)電壓為3V，總功率為24W，因此矩陣芯片選擇MPS的MPQ7225。

3.3.3 用于智能投影燈光的矩陣芯片

智能投影燈光主要通過控制多顆（1000顆以上）0.2W的LED的亮滅進(jìn)行控制，每顆LED的電流為10mA，驅(qū)動(dòng)電壓為3V，總功率為20W，需要通道數(shù)多，因此矩陣芯片選擇ISSI的IS31FL3747。

4 智能車燈控制系統(tǒng)的主要參數(shù)

（1）多場(chǎng)景照明模式的主要參數(shù)如表１。

（2）智能動(dòng)感燈光的主要參數(shù)如表2。

（3）智能投影燈光的主要參數(shù)如表3。

5 結(jié)語

本文介紹了一種智能化程度高，性價(jià)比高的、驅(qū)動(dòng)效率高、集成度高的智能車燈控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能動(dòng)感燈光、多場(chǎng)景照明燈光、智能投影燈光，并對(duì)硬件方案和軟件方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張新，黃生豪，高潔.AFS自適應(yīng)汽車前大燈模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，11（02）：67-73.

[2]郭全民，楊惠，王健.汽車LED前照燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（05）：365-372.

[3]孟昭軍，李月，周振超，朱海.汽車智能LED前照燈照明系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，16（04）：1-3.

[4]趙寒，朱恒偉.汽車智能LED前照燈照明系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)機(jī)，2016（12）：48-49.

[5]倪彰，范鑫，潘茂輝，張成松.基于CAN總線的電動(dòng)汽車車燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（12）：82-84.

[6]金平，馬良，李志剛，滕云鵬，孫睿，盛紅金，賈夢(mèng)池.一種新型乘用車解閉鎖時(shí)后尾燈律動(dòng)燈光控制方法[J].汽車電器，2020（03）：24-26-31.