基于XC164CM的LED車燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 車燈控制系統(tǒng) 　　1.1 系統(tǒng)工作原理 　　該系統(tǒng)通過外置的傳感器感測環(huán)境亮度強(qiáng)弱和控制板溫度，將其轉(zhuǎn)化為光敏和熱敏電阻的分壓信號(hào)及LED驅(qū)動(dòng)分壓信號(hào)，并由單片機(jī)AD模塊進(jìn)行采集。 　　單片機(jī)根據(jù)事先劃分好的等級(jí)對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息進(jìn)行分析歸類，判斷出汽車當(dāng)前所處的行車環(huán)境(白天、雨霧天氣、戶外傍晚或深夜、會(huì)車、隧道等)，再與內(nèi)置的特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比和開關(guān)掃描后自動(dòng)選擇燈光亮度和行車模式。根據(jù)選定的參數(shù)，由XC164CM輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)來調(diào)節(jié)車燈的亮度。 　　車燈當(dāng)前所處的狀態(tài)可以通過CAN總線接口發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)也可以發(fā)送調(diào)整信息改變車燈的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 　　1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 　　文中設(shè)計(jì)的LED車燈控制系統(tǒng)主要完成了以下幾個(gè)功能。 　　1.2.1 亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié) 　　將外界的環(huán)境亮度分為3個(gè)等級(jí)：明亮(晴天戶外等)，昏暗(戶外陰雨，戶外傍晚，隧道，停車場等室內(nèi)場所)，漆黑(戶外深夜或其他類似場合)。系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前環(huán)境的亮度等級(jí)自動(dòng)調(diào)整車燈的亮度，以滿足不同情況下的照明需求。車燈亮度分為4級(jí)、6級(jí)、8級(jí)亮度，其中4級(jí)最暗，8級(jí)最亮，6級(jí)居中。車燈亮度的調(diào)節(jié)策略如下： 　　1)當(dāng)環(huán)境亮度增強(qiáng)時(shí)，信號(hào)燈的亮度增強(qiáng);環(huán)境亮度減弱時(shí)，照明燈的亮度增強(qiáng)。 　　2)由于將車燈亮度瞬間降低具有一定的危險(xiǎn)性，所以在降低車燈亮度時(shí)，需做兩次判斷：在環(huán)境亮度增強(qiáng)時(shí)，照明燈的亮度并不立即減弱，而是繼續(xù)等待一個(gè)周期，若環(huán)境亮度保持在較低的值沒有變化，再將照明燈調(diào)暗;在環(huán)境亮度減弱時(shí)，對(duì)信號(hào)燈采取同樣的操作。 　　1.2.2 狀態(tài)監(jiān)控及過溫保護(hù) 　　實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器輸出到LED燈的電壓并將結(jié)果通過上位機(jī)顯示。LED燈定義為3種狀態(tài)：故障態(tài)、關(guān)閉態(tài)、工作態(tài)，這3種工作狀態(tài)由LED燈當(dāng)前工作電壓和開關(guān)狀態(tài)區(qū)分。過溫保護(hù)是通過實(shí)時(shí)監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器工作溫度實(shí)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器環(huán)境溫度值超過80度時(shí)，產(chǎn)生過溫提示信號(hào)，以提示選取溫控模式(驅(qū)動(dòng)輸出降額允許)。 　　1.2.3 人機(jī)交互 　　控制系統(tǒng)通過XC164CM單片機(jī)自帶的CAN總線接口與上位機(jī)CAN接收器連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)信息的交互。上位機(jī)不僅可以查詢和獲取車燈的工作狀態(tài)數(shù)字量(故障態(tài)、關(guān)閉態(tài)或亮度級(jí))，還可以發(fā)送控制命令調(diào)整車燈的亮度以及是否進(jìn)入智能照明模式，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。 　　2 硬件設(shè)計(jì) 　　硬件主要由單片機(jī)控制模塊，傳感器模塊，CAN總線模塊和LED驅(qū)動(dòng)模塊四部分組成。 　　2.1 XC164CM單片機(jī)簡介 　　XC164CM單片機(jī)是Infineon公司推出的采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的增強(qiáng)型16位單片機(jī)，其主要特點(diǎn)有：1)采用C166SV2內(nèi)核;2)內(nèi)部集成大容量的存儲(chǔ)器;3)帶自校檢的14路A/D轉(zhuǎn)換器;4)兩個(gè)比較，捕獲單元，可方便地產(chǎn)生PWM波;5)Twin CAN模塊，可通過網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)。 　　2.2 傳感器裝置 　　環(huán)境亮度的采集由3組位于不同位置(前部、側(cè)身、頂部)的亮度傳感器完成。其中亮度傳感器為安裝在感光位置的光敏電阻GM5528(亮電阻10～20kΩ，暗電阻1MΩ，響應(yīng)時(shí)間20～30 ms)，GM5528通過分壓電路輸出的電壓值隨著環(huán)境亮度變化而改變；溫度監(jiān)控電路使用熱敏電阻MF58構(gòu)成分壓電路，將溫度值的變化轉(zhuǎn)換為電壓值的變化;狀態(tài)監(jiān)控電路通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分別采樣10路LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，并以此判斷LED燈的工作狀態(tài)。 　　2.3 CAN控制模塊 　　XC164CM單片機(jī)集成了TwinCAN模塊，實(shí)現(xiàn)CAN總線通信功能。其主要特性為：1)包括兩個(gè)全CAN功能節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)通過一對(duì)接收和發(fā)送引腳連接到總線收發(fā)器，可獨(dú)立工作或者通過網(wǎng)關(guān)功能交換數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。2)CAN幀的發(fā)送和接收遵循CAN V2.0B(active)規(guī)范，且每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)都能接收和發(fā)送帶11個(gè)標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀和帶29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。3)具有靈活和功能強(qiáng)大的報(bào)文傳送控制和錯(cuò)誤處理能力，CAN總線通信處理更加精確和方便。4)2個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的位定時(shí)源于外設(shè)時(shí)鐘，可以通過編程使數(shù)據(jù)速率達(dá)到1Mbps。5)具有8個(gè)單獨(dú)的可編程中斷節(jié)點(diǎn)和適用于發(fā)送和接收的FIFO。 　　系統(tǒng)通過XC164CM單片機(jī)CAN總線接口與采用SJA1000控制器和82C250收發(fā)器的單片機(jī)開發(fā)板連接測試CAN通信模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。電路圖如圖2所示。 　　2.4 LED驅(qū)動(dòng)器 　　驅(qū)動(dòng)模塊參照西工大LED驅(qū)動(dòng)電源標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)燈選用了3～15 W功率范圍的LM3406型驅(qū)動(dòng)器，照明燈選用了20～45 W功率范圍的LM3409型驅(qū)動(dòng)器。 　　LM3406型驅(qū)動(dòng)器是具備寬輸入電壓范圍，低參考電壓和雙導(dǎo)線調(diào)光功能的降壓穩(wěn)壓器，可提供高達(dá)1.5 A的正向電流，是LED的理想恒流供應(yīng)源。這款芯片內(nèi)置有可確保電流平均輸出的積分電路。在轉(zhuǎn)換器采用連續(xù)導(dǎo)電模式((CCM)操作時(shí)，受控導(dǎo)通時(shí)間結(jié)構(gòu)可以確保無論輸入及輸出電壓的變動(dòng)如何，開關(guān)頻率都會(huì)恒定不變。因此LM3406的輸出電流極為準(zhǔn)確，瞬態(tài)響應(yīng)也極快，可以在不同的情況下確保開關(guān)頻率恒定不變。 　　LM3409是一款降壓穩(wěn)流的P溝道MOSFET控制器，提供寬輸人電壓范圍，具有高邊電流檢測功能，采用增強(qiáng)散熱的eMSOP-10封裝。因此，LM3409是驅(qū)動(dòng)LED的理想恒流源，輸出的正向電流可高達(dá)5 A。另外，LM3409采用恒定關(guān)斷時(shí)間(COT)控制功能調(diào)整電流，確保輸出電流大小恒定，而且無需通過外置元件提供環(huán)路補(bǔ)償，可以輕易實(shí)現(xiàn)模擬及 PWM調(diào)光功能，可充分發(fā)揮亮度變化高度線性以及高對(duì)比度的優(yōu)點(diǎn)，并提供可編程欠壓鎖定、低功耗關(guān)斷及熱關(guān)斷等功能。 　　信號(hào)燈和照明燈驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)分別采用NI公司的LM3406和LM3409作為主控芯片的BUCK電路，芯片工作的溫度范圍為-40+125℃。其電路原理如圖3所示。 　　3 軟件設(shè)計(jì) 　　程序主要采用中斷控制方式，系統(tǒng)流程主要包括主函數(shù)，定時(shí)器中斷子程序，CAN接收中斷子程序3部分。具體系統(tǒng)流程圖如圖4所示。 　　3.1 主函數(shù)部分 　　1)初始化部分：設(shè)置各端口的輸入輸出狀態(tài)，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化并開啟定時(shí)器。 　　2)開關(guān)掃描：選用6路開關(guān)控制10路燈的開啟和關(guān)閉。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)輸出低電平，此時(shí)對(duì)應(yīng)LED燈的開啟狀態(tài);開關(guān)斷開時(shí)輸出高電平，對(duì)應(yīng)LED燈的關(guān)閉狀態(tài)。 　　3)狀態(tài)數(shù)字量生成：狀態(tài)數(shù)字量為16位數(shù)據(jù)，狀態(tài)位(高八位)表示驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)，標(biāo)志位(低八位)表示驅(qū)動(dòng)器編號(hào)。車燈的初始亮度設(shè)為6級(jí)。 　　4)使能全局中斷，等待定時(shí)器中斷信號(hào)和CAN總線通信中斷信號(hào)，并在接收到中斷信號(hào)后進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。 　　3.2 定時(shí)器中斷子程序 　　定時(shí)器每20ms產(chǎn)生一次定時(shí)中斷信號(hào)，進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)程序。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的操作有： 　　1)開啟AD轉(zhuǎn)換，等待AD轉(zhuǎn)換完成，并將對(duì)AD采樣結(jié)果做歸一化處理。 　　2)環(huán)境亮度檢測：為避免亮度信息的誤判斷，只有當(dāng)位于車身前向、側(cè)面和頂部3個(gè)方向的光敏電阻器同時(shí)檢測到亮度值變化時(shí)(且同時(shí)超過判斷門限)，才認(rèn)為檢測結(jié)果有效，判斷所處環(huán)境亮度等級(jí)，并將結(jié)果送至車燈亮度調(diào)整程序。若3個(gè)光敏電阻未同時(shí)檢測到亮度值變化，則認(rèn)為只是外界干擾造成的亮度差異，而行車環(huán)境的亮度未發(fā)生變化。 　　3)在檢測環(huán)境亮度的同時(shí)，對(duì)10路LED燈的開關(guān)量也進(jìn)行檢測和更新。 　　4)車燈亮度調(diào)整：將檢測到的外界環(huán)境亮度和前一次檢測到的環(huán)境亮度進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果對(duì)亮度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。具體調(diào)整策略在2.2節(jié)中。 　　5)過溫保護(hù)：對(duì)采樣的溫度結(jié)果進(jìn)行比較判斷，若溫度超過80度，首先產(chǎn)生一個(gè)過溫提示信息，提示控制系統(tǒng)進(jìn)入降額應(yīng)用，將降額標(biāo)志位置1，驅(qū)動(dòng)器功率減半，隨后將降額標(biāo)志位歸零。 　　6)狀態(tài)數(shù)字量更新：首先，對(duì)AD采樣結(jié)果做歸一化處理，將驅(qū)動(dòng)器電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化結(jié)果與測定的工作電壓范同比較，超出范圍的認(rèn)定為故障態(tài)，生成狀態(tài)位 101，否則使用亮度級(jí)寄存器的值作為狀態(tài)位。其次，將得到的狀態(tài)位與開關(guān)寄存器值相與(開關(guān)寄存器取值表：開啟為1，關(guān)閉為0)得到最終狀態(tài)位。最后，狀態(tài)位與驅(qū)動(dòng)器標(biāo)志位形成狀態(tài)數(shù)字量，并將其放入CAN發(fā)送緩沖區(qū)。 　　3.3 CAN接收中斷子程序 　　1)CAN總線接口正確接收信息后，置位中斷標(biāo)志位，進(jìn)入接收中斷服務(wù)程序。 　　2)判斷中斷是否為遠(yuǎn)程幀中斷，是則將狀態(tài)量信息寫CAN模塊發(fā)送緩存區(qū)，并啟動(dòng)自動(dòng)發(fā)送;否則進(jìn)一步判斷是否為數(shù)據(jù)幀接收中斷。如果是數(shù)據(jù)幀接收中斷，則讀CAN接收緩存區(qū)的值并將其寫入CAN調(diào)整量。最后清除相應(yīng)的標(biāo)志位，返回到主函數(shù)。流程圖如圖5所示。 　　4 結(jié)論 　　文中設(shè)計(jì)了基于XC164CM單片機(jī)的高端車用燈光控制模塊，該模塊不僅完成了對(duì)每個(gè)車燈的亮度控制，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)車燈的狀態(tài)檢測。汽車燈光控制模塊的工作過程是一個(gè)不斷循環(huán)的檢測過程，通過對(duì)比前后兩次的檢測結(jié)果對(duì)亮度信息不斷更新，再根據(jù)更新的亮度信息來調(diào)節(jié)車燈亮度，從而實(shí)現(xiàn)了燈光的亮度自適應(yīng)調(diào)整。 　　在實(shí)驗(yàn)過程中，選用LED5050白燈作為車燈實(shí)驗(yàn)燈，并配以車燈罩，制成車燈模擬演示板。在車燈負(fù)載和單片機(jī)接口之間由自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)電路連接，并在實(shí)驗(yàn)電路上設(shè)置6路開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)10路車燈的接通、斷開控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的所有功能，并可以正確返回結(jié)果。