本文將介紹一種應用于尋跡小車的link" href="http://www.cowatch.cn/tags/分布式控制" title="分布式控制" target="_blank">分布式控制系統的設計方法，該系統可對電機模塊、傳感器模塊和燈控模塊進行分布式控制。這樣設計是為該系統將來從尋跡小車到真車進行移植提供方便。
此尋跡小車模型采用7.5V電池驅動，通過改變PWM占空比調速。小車可以在不完全確定的道路環境下，通過自我判斷，對周圍環境進行探測，并做出相應的反應（如左拐彎、右拐彎和改變速度等）。目前用在機器人上的多為價格較貴的超聲波傳感器和紅外傳感器等，本設計采用價格便宜的反射式光耦傳感器來完成對周圍環境的感知。此外，小車還具有良好的導航系統。
系統結構
本系統采用分布式結構，如圖1所示。因為在車身控制系統中控制對象多而且分散，若采用點對點的集中控制方式，控制模塊與被控對象之間就需要大量連接電纜，會導致車內布線復雜且制造和安裝困難，并存在故障隱患。分布式系統結構可以根據控制對象的位置來設計控制模塊，從而縮短了控制對象與控制模塊之間的距離。各模塊間通過LIN總線來通信，該方式僅需要一根線作為通信線。此外，分布式系統結構還可降低單板的靜態電流，增加單板的穩定性。
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圖1 分布式車身控制系統結構圖 |
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圖2 主控制器模塊硬件原理圖 |
1 主控制模塊的設計
根據系統功能要求和結構特點，本控制系統被分成主控模塊和三個子模塊（傳感器模塊、電機控制模塊和燈控模塊）。其中主控模塊主要檢測車身主體部分控制開關的狀態，并根據這些控制開關的狀態實現相應的控制策略，然后將控制命令通過CAN總線和LIN總線發送給相應的子模塊，之后根據各子模塊反饋的負載狀態判斷是否存在故障，若有故障則報警顯示。同時，CAN總線接收上層CAN網絡的某些信息。主控制模塊的微控制器采用了可靠性高、抗干擾能力強的汽車專用芯片XC164CS，其內部集成了CAN的控制器。圖2是主控制模塊的硬件原理圖。
2 直流電機驅動與控制模塊的設計
電機控制模塊中的微控制器采用的也是XC164CS，這是由于該系列微控制器中都有相應的單元可以實現對電機的控制，相當方便。本設計使用了兩路電機控制小車的后輪驅動和前輪轉向。對直流電機的驅動和控制采用了電機控制接口芯片TLE6209，它的內部集成了一個H型橋式電路，用來驅動電機，實現電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉和反轉制動。16位微控制器XC164CS通過內部的CAPCOM模塊產生一個10kHz的PWM信號給TLE6209，觸發H橋電路。
3 傳感器模塊的設計
傳感器模塊中采用了微控制器XC866，主要用來采集8個傳感器的值，傳送給主控制板的XC164CS進行處理，然后產生相應的策略改變PWM占空比對驅動和轉向電機做出相應的控制。同時，還要完成對通信模塊數據的發送和接收，其硬件框圖如圖3所示。
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圖3 傳感器模塊硬件框圖 |
當反光板反射式光電開關CNY70檢測到給定的白色（或黑色）路線時，產生相應的電平信號，經XC866采集再通過LIN總線傳送給主控制器。
系統通信
小車的各個電子控制單元之間通過LIN總線和CAN總線連接。
本系統中CAN收發器采用了TLE6250G，電機信息的傳輸需要高速的數據傳輸率（200Kb/s）以達到實時控制電機的要求。CAN的數據發送速率高達1Mb/s，可工作于只接收模式和空閑模式，具有優良的EMC特性和各種保護功能；而LIN總線因為數據傳輸率較低以及從確保高安全性能的角度來考慮并不合適。
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圖4 串行通信/LIN總線硬件電路 |
使用CAN、LIN結合的網絡結構可以兼顧CAN總線實時性強、可靠性高、通信速率快、互操作性好、靈活性高和LIN網絡結構簡單、成本低的特點，更好地搭建汽車的網絡系統。
本系統采用了TLE6258系列LIN總線收發器，它作為介于協議控制器和物理總線之間的接口，特別適合在汽車和工業應用的LIN系統中用來驅動總線，且可用于標準的ISO9141系統。TLE6258提供空閑模式以減少電流損耗，通過在總線上發送喚醒幀，可把主機或從機從空閑模式喚醒，返回到正常的操作模式。圖4是本系統的LIN總線硬件電路圖。
如圖4所示，系統通過接插件K1在串行通信和LIN總線通信之間進行選擇，TXD0（串行發送）和RXD0（串行接收）信號來自微控制器。當TXD0和RXD0同TLE6258接通時，系統與LIN總線連接，而與MAX232連接時，系統執行串行通信功能。圖4中INH是禁止輸入引腳，高電平有效，收發器引腳TxD接收來自微控制器引腳TXD0的數據，同時將數據發送至總線，在發送數據的同時進行自接收，并通過引腳RxD將自接收的數據反饋給微控制器。微控制器接收到反饋回來的數據后調用接收中斷，接收中斷不斷發送和自接收數據，從而實現LIN總線的通信。本系統中數據通信主要是主模塊向三個模塊發送控制命令和三個子模塊向主模塊反饋狀態數據。
軟件設計
系統中各個ECU通過CAN總線發送接收命令，實現相互通信，從而實現數據的共享等。軟件設計基于DAVE和KEIL軟件編寫，程序主要由CAN初始化、發送數據和接收數據三部分組成，如圖5所示。
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圖5 主程序流程圖 |
結論
本設計方案可實現分布式車身控制系統的基本功能，且結構簡單、成本低。此外，這一設計思想同樣也適用于真車的控制。汽車電子技術的不斷進步，將促使CAN、LIN和正在發展的更高速、具有容錯性的總線技術有機組合，構成安全、舒適，更滿足人們需求的汽車網絡。