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基于LIN总线的汽车方向盘按键控制器设计解析
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2017-11-22
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人们在选购家用轿车时，对舒适性的要求在不断提高，舒适性能已成为购车因素的一项重要指标。传统的汽车方向盘只具备控制转向和喇叭的功能，而随着汽车车身电子的发展，方向盘上正逐渐集成许多用于控制其他功能的按键，如控制收音机的按钮、控制DVD或者CD播放的按钮、手机蓝牙免提、自动巡航控制等，甚至还预留了用户可配置功能的按键，即学习型按键。
方向盘按键的设计风格体现了每种车型不同的个性，因此方向盘的按键控制设计正受到越来越多车厂的关注。考虑到汽车方向盘按键控制器受到安装空间、多重命令和设计成本等诸多因素的限制，同时LIN（Local Interconnect Network）总线在车身电子低速应用领域具有可靠性高、节省线束的优势，我们选用飞思卡尔半导体公司的MC9S08SC4作为主控制器，设计了一种基于LIN总线的汽车方向盘按键控制器。
按键控制器设计难点
汽车方向盘按键控制器的设计主要有以下三个难点。
1 安装空间限制
由于按键控制器被安装在方向盘面板附近的位置，因此需要在设计时尽可能减小印制板的面积，以方便嵌入到方向盘下方狭小的空间，并且要避免与其他模块（如ABS）安装的位置发生冲突。
2 线束数量限制
方向盘按键控制器在为驾驶员带来操控舒适性和驾驶乐趣的同时，需要及时处理各按键发出的多重控制命令，并将这些命令发送给相应的控制模块，以完成如CD/DVD播放、定速巡航控制或手机电话的免提功能等。如果使用线束方式将按键控制器分别与被控模块相连，势必增加线束的成本、布线复杂度和整车重量，因此采用汽车总线的方式实现与各被控模块之间的通信是高性价比的理想选择。
3成本限制
从原理上讲，按键控制器只是将按键操作转化为对应的命令并以最低廉可靠的方式传给各功能模块。尽可能减少外围元器件的个数，以及尽可能利用微控制器提供的片上资源来实现系统功能是设计关键所在。
按键控制器硬件系统设计
按键控制器系统主要由输入信号调理电路、主控单片机、LIN总线收发器和按键背光输出驱动电路组成，系统框图如图1所示。输入信号调理电路主要对按键信号进行锁存、去抖等处理，处理后的模拟信号送入单片机的AD单元进行数字化转换，数字信号则送入单片机中断接口。主控单片机主要完成按键信号的检查、LED背光的控制以及LIN通信。LIN总线收发器配合LIN控制器完成与各控制模块的总线通信。下面着重对主控单片机和LIN总线收发器的选型予以阐述。
图1 按键控制器系统框图
的控制以及LIN通信。LIN总线收发器配合L I N控制器完成与各控制模块的总线通信。下面着重对主控单片机和LIN总线收发器的选型予以阐述。
1 主控单片机
按键控制器的设计存在安装空间、线束数量、成本等诸多限制，关键元器件的选型必须综合考虑这些因素，力求性价比最优。飞思卡尔半导体公司基于增强型H C S08核的8位高性能单片机M C9S08S C4 采用16-T S S O P封装，外形尺寸仅仅6.40m m×5.00m m，用于方向盘键盘控制器设计将大幅减少P C B面积。另一方面，M C9S08S C4内部自带一个时钟发生器，校准后能实现全温度和全电压范围内最大误差不超过±2%的精度，足以满足时钟精度要求最高的L I N通信应用。因此，可以直接使用内部数字时钟提供L I N通信和整个系统所需的时钟信号，省去了芯片外部的时钟振荡器，从而达到节省印制板面积和系统成本的目的。
M C9S08S C4内部集成有L I N控制器，对于汽车方向盘按键所要负责的多种控制功能，通过L I N总线可以节省线束成本、减轻重量，也便于功能的升级和裁剪。L I N总线作为一种低成本、高可靠性的汽车总线系统，已在车身电子系统中得到广泛的应用。虽然L I N控制器可以使用普通的串行口控制器U A R T实现，但是M C9S08S C4内部的串行口控制器S C I模块不仅能实现U A R T的功能，而且还集成了与L I N通信相关的某些硬件特性（例如，对于L I N通信中非常特殊的Break域的产生和检测过程）。这种硬件集成的L I N通信的功能，相比使用普通U A R T控制器可帮助用户降低L I N通信软件设计复杂度，加快产品研发周期和上市时间。
方向盘按键的设计风格体现了每种车型不同的个性，因此方向盘的按键控制设计正受到越来越多车厂的关注。考虑到汽车方向盘按键控制器受到安装空间、多重命令和设计成本等诸多因素的限制，同时LIN（Local Interconnect Network）总线在车身电子低速应用领域具有可靠性高、节省线束的优势，我们选用飞思卡尔半导体公司的MC9S08SC4作为主控制器，设计了一种基于LIN总线的汽车方向盘按键控制器。
按键控制器设计难点
汽车方向盘按键控制器的设计主要有以下三个难点。
1 安装空间限制
由于按键控制器被安装在方向盘面板附近的位置，因此需要在设计时尽可能减小印制板的面积，以方便嵌入到方向盘下方狭小的空间，并且要避免与其他模块（如ABS）安装的位置发生冲突。
2 线束数量限制
方向盘按键控制器在为驾驶员带来操控舒适性和驾驶乐趣的同时，需要及时处理各按键发出的多重控制命令，并将这些命令发送给相应的控制模块，以完成如CD/DVD播放、定速巡航控制或手机电话的免提功能等。如果使用线束方式将按键控制器分别与被控模块相连，势必增加线束的成本、布线复杂度和整车重量，因此采用汽车总线的方式实现与各被控模块之间的通信是高性价比的理想选择。
3成本限制
从原理上讲，按键控制器只是将按键操作转化为对应的命令并以最低廉可靠的方式传给各功能模块。尽可能减少外围元器件的个数，以及尽可能利用微控制器提供的片上资源来实现系统功能是设计关键所在。
按键控制器硬件系统设计
按键控制器系统主要由输入信号调理电路、主控单片机、LIN总线收发器和按键背光输出驱动电路组成，系统框图如图1所示。输入信号调理电路主要对按键信号进行锁存、去抖等处理，处理后的模拟信号送入单片机的AD单元进行数字化转换，数字信号则送入单片机中断接口。主控单片机主要完成按键信号的检查、LED背光的控制以及LIN通信。LIN总线收发器配合LIN控制器完成与各控制模块的总线通信。下面着重对主控单片机和LIN总线收发器的选型予以阐述。
图1 按键控制器系统框图
的控制以及LIN通信。LIN总线收发器配合L I N控制器完成与各控制模块的总线通信。下面着重对主控单片机和LIN总线收发器的选型予以阐述。
1 主控单片机
按键控制器的设计存在安装空间、线束数量、成本等诸多限制，关键元器件的选型必须综合考虑这些因素，力求性价比最优。飞思卡尔半导体公司基于增强型H C S08核的8位高性能单片机M C9S08S C4 采用16-T S S O P封装，外形尺寸仅仅6.40m m×5.00m m，用于方向盘键盘控制器设计将大幅减少P C B面积。另一方面，M C9S08S C4内部自带一个时钟发生器，校准后能实现全温度和全电压范围内最大误差不超过±2%的精度，足以满足时钟精度要求最高的L I N通信应用。因此，可以直接使用内部数字时钟提供L I N通信和整个系统所需的时钟信号，省去了芯片外部的时钟振荡器，从而达到节省印制板面积和系统成本的目的。
M C9S08S C4内部集成有L I N控制器，对于汽车方向盘按键所要负责的多种控制功能，通过L I N总线可以节省线束成本、减轻重量，也便于功能的升级和裁剪。L I N总线作为一种低成本、高可靠性的汽车总线系统，已在车身电子系统中得到广泛的应用。虽然L I N控制器可以使用普通的串行口控制器U A R T实现，但是M C9S08S C4内部的串行口控制器S C I模块不仅能实现U A R T的功能，而且还集成了与L I N通信相关的某些硬件特性（例如，对于L I N通信中非常特殊的Break域的产生和检测过程）。这种硬件集成的L I N通信的功能，相比使用普通U A R T控制器可帮助用户降低L I N通信软件设计复杂度，加快产品研发周期和上市时间。
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