基于LIN总线的汽车HID前照灯自动调光系统

摘 要：针对汽车HID前照灯对自动调光的需求，本文设计了一套基于LIN总线的前照灯自动调光系统。介绍了系统的总体设计方案、硬件组成和软件设计基本思想，并给出了软件编程的基本框架。 　　关键词：前照灯；自动调光；LIN总线；步进电机控制
　　引言
　　HID是高压气体放电灯（High Intensity Discharge）的缩写，也可称为重金属灯或者氙气大灯。与传统卤素灯泡相比，HID有亮度高、寿命长、省电等优点。
　　正是由于HID具有高亮度的特点，如果使用时照射高度调节不当，在会车时将会对迎面来车的司机造成强烈的眩目，产生安全隐患。为了规范HID前照灯的市场，联合国欧洲经济委员会（United Nations Economic Commission for Europe）在ECE-R48条款中明确规定：装备HID前照灯的车辆必须配备能够全自动调节其照射高度的系统，也可称之为前照灯水平自动调光系统。该系统工作时，会根据车辆负载的变化自动调整HID前灯的投射俯仰角度，确保其投射高度在合适的范围内，既达到良好的照明效果，又不会对迎面车辆的司机造成眩目。
      系统总体方案设计
　　如图1所示，系统可分为三个部分，即车身高度传感器、中央控制单元和驱动执行单元。系统运作情况如下：该系统的主MCU（MC68HC908GZ60）采集车身前后轴高度传感器的信号，经运算后发出控制信号分别给左右前照灯的水平调光步进电机，指示电机转动到指定位置，完成自动调光。
系统硬件设计
　　车身高度传感器
　　该系统的主要原理是利用测定车内两个基准点（约前、后轴位置）到地面的距离差得出车辆的倾斜角度信号，从而进行水平调节。可选择光电编码式的车高传感器，把车身高度的变化（悬架变形量的变化）变换成传感器轴的旋转，将检测出的旋转角度信号转变为电压信号输入MCU。实验中，车身高度传感器在车左前轮和左后轮内侧各装一个。
　　中央控制单元
　　系统中央控制单元采用飞思卡尔（Freescale）公司生产的MC68HC908GZ60芯片为主MCU，配合其他必要元件组成控制单元电路。该芯片主要特性有：8位HC08型CPU，开发资源丰富，兼容性好；片载60KB Flash EEPROM，2KB RAM；24通道A/D转换模块，10位精度。
　　此外，选择飞思卡尔MC33399芯片与核心MCU通过SCI口相连，作为LIN总线收发器。该芯片最多可以驱动16个节点。
　　之所以选择LIN总线，是因为它已经是车用总线中较为普及的一种，它的优点是芯片价格低廉，性价比高。LIN总线信号传输速率可达19.2kbps，一般用在对汽车安全性要求不高的控制场合，例如电控门窗、车灯开关控制等。
　　LIN总线主节点电路原理图如图2所示。

图2 LIN总线主节点电路原理图
    驱动执行单元
　　驱动执行单元，主要是通过获取LIN总线上的信号，来控制步进电机转动，从而带动前照灯反光板沿垂直方向转动，完成水平调光。
　　此处选择了美国AMI半导体公司的AMIS-30623步进电机控制芯片。该芯片属高集成度芯片，内建了电源模块、控制器、LIN总线收发器和步进电机驱动。其主要特性有：最高峰值电流输出达800mA；提供最高达16细分数的步进电机驱动；内建加减速算法；完全兼容LIN1.3规范。
　　由于AMIS-30623芯片本身不可重新编程，一切操作均通过LIN总线调用其内部函数来完成，所以使用起来十分简便。内建的加减速算法对于控制步进电机变速运动非常有效。
　　LIN总线从节点电路原理图如图3所示。 

 图3  LIN总线从节点电路原理图

　　系统软件设计
　　软件方面，采用1ms定时中断采集，每次中断到来时采取一组传感器输出的电压值。经过预判断后，将有效数据保留，带入公式计算，得出需要步进电机转动到的目标位置。通过LIN总线向相应的AMIS-30623芯片发送信号，控制步进电机按加速—匀速—减速的方式平稳运动到相应位置。该程序在Freescale CodeWarrior 5.7.0环境下编译通过。主程序流程如图４所示。

图4 系统主程序流程图

　　实验结果
　　为了验证该系统的动态调光性能，在实验室环境下搭建了一个能够模拟车身俯仰运动的实验平台。实验过程中，控制平台本身按一定幅度作俯仰运动，测得调光系统阶跃响应时间约420ms，调整时间小于1s，稳态误差约0.035°，满足了动态自动调光的基本要求。
　　结语
　　该系统实现了对汽车前照灯自动调光的基本功能，为进一步开发更为复杂的自适应前照灯系统（Adaptive Frontlighting System）奠定了基础。
    此外，该系统实际上是一套基于LIN总线和单片机的小功率步进电机控制系统。LIN总线作为一种成本低廉、有较强容错性的局域总线，在汽车和工业控制等环境中正得到越来越广泛地应用。该系统易开发、易维护、成本低廉，可最多添加至16个子节点，增减节点前后软件方面完全兼容，无需重新编程。因此，该设计方案在小功率步进电机控制领域具有一定的推广价值。