基于XC164CM的车灯控制系统的设计与实现

在现代行车安全系统中，车灯控制系统有着重要的作用。据资料记载，交通事故大部分发生在夜间或恶劣天气下，而在这些交通事故当中，大部分是由于车灯控制系统不能及时满足安全需求所造成的，例如传统车灯亮度单一，视距较短，不能随外界环境的变化自动调节亮度和模式，有时会造成能源浪费，有时又不能满足照明需求等。因此，设计更实用、更智能的车灯控制系统已经成为当务之急。

本文研制的车灯控制系统，采用发光亮度高、反应速度快、耐恶劣环境、工作性能可靠的LED灯，提高灯光亮度和视角范围，减小安全车距，有效地改善了行车安全性能。本系统应用了传感器技术、微处理器技术、电子电路技术和CAN总线技术，对环境亮度和行车状况实现精确感测和判断，并根据行车需要自动选择合适的照明模式，从而实现了车灯的自适应控制。该控制器能有效地辅助驾驶员行车，减轻驾驶员的操作负担，最大限度的避免了人为因素导致的违章使用灯光，从而达到了减少交通事故的目的。

1 车灯控制系统

1．1 系统工作原理

该系统通过外置的传感器感测环境亮度强弱和控制板温度，将其转化为光敏和热敏电阻的分压信号及LED驱动分压信号，并由单片机AD模块进行采集。

单片机根据事先划分好的等级对AD转换后的数字信息进行分析归类，判断出汽车当前所处的行车环境(白天、雨雾天气、户外傍晚或深夜、会车、隧道等)，再与内置的特征参数进行对比和开关扫描后自动选择灯光亮度和行车模式。根据选定的参数，由XC164CM输出相应的PWM信号来调节车灯的亮度。

车灯当前所处的状态可以通过CAN总线接口发送到上位机，上位机也可以发送调整信息改变车灯的状态，从而实现了人机交互功能。系统结构如图1所示。


1．2 系统功能设计

文中设计的LED车灯控制系统主要完成了以下几个功能。

1．2．1 亮度自适应调节

将外界的环境亮度分为3个等级：明亮(晴天户外等)，昏暗(户外阴雨，户外傍晚，隧道，停车场等室内场所)，漆黑(户外深夜或其他类似场合)。系统可以根据当前环境的亮度等级自动调整车灯的亮度，以满足不同情况下的照明需求。车灯亮度分为4级、6级、8级亮度，其中4级最暗，8级最亮，6级居中。车灯亮度的调节策略如下：

1)当环境亮度增强时，信号灯的亮度增强；环境亮度减弱时，照明灯的亮度增强。

2)由于将车灯亮度瞬间降低具有一定的危险性，所以在降低车灯亮度时，需做两次判断：在环境亮度增强时，照明灯的亮度并不立即减弱，而是继续等待一个周期，若环境亮度保持在较低的值没有变化，再将照明灯调暗；在环境亮度减弱时，对信号灯采取同样的操作。

1．2．2 状态监控及过温保护

实时监控驱动器输出到LED灯的电压并将结果通过上位机显示。LED灯定义为3种状态：故障态、关闭态、工作态，这3种工作状态由LED灯当前工作电压和开关状态区分。过温保护是通过实时监控驱动器工作温度实现，当驱动器环境温度值超过80度时，产生过温提示信号，以提示选取温控模式(驱动输出降额允许)。

1．2．3 人机交互

控制系统通过XC164CM单片机自带的CAN总线接口与上位机CAN接收器连接，实现与上位机信息的交互。上位机不仅可以查询和获取车灯的工作状态数字量(故障态、关闭态或亮度级)，还可以发送控制命令调整车灯的亮度以及是否进入智能照明模式，从而实现人机交互。

2 硬件设计

硬件主要由单片机控制模块，传感器模块，CAN总线模块和LED驱动模块四部分组成。

2．1 XC164CM单片机简介

XC164CM单片机是Infineon公司推出的采用低功耗CMOS工艺生产的增强型16位单片机，其主要特点有：1)采用C166SV2内核；2)内部集成大容量的存储器；3)带自校检的14路A／D转换器；4)两个比较，捕获单元，可方便地产生PWM波；5)Twin CAN模块，可通过网关交换数据。

2．2 传感器装置

环境亮度的采集由3组位于不同位置(前部、侧身、顶部)的亮度传感器完成。其中亮度传感器为安装在感光位置的光敏电阻GM5528(亮电阻10～20 kΩ，暗电阻1 MΩ，响应时间20～30 ms)，GM5528通过分压电路输出的电压值随着环境亮度变化而改变；温度监控电路使用热敏电阻MF58构成分压电路，将温度值的变化转换为电压值的变化；状态监控电路通过电阻分压网络分别采样10路LED驱动器的输出电压，并以此判断LED灯的工作状态。

2．3 CAN控制模块

XC164CM单片机集成了TwinCAN模块，实现CAN总线通信功能。其主要特性为：1)包括两个全CAN功能节点，每一个CAN节点通过一对接收和发送引脚连接到总线收发器，可独立工作或者通过网关功能交换数据帧和远程帧。2)CAN帧的发送和接收遵循CAN V2．0B(active)规范，且每个CAN节点都能接收和发送带11个标识符的标准帧和带29位标识符的扩展帧。3)具有灵活和功能强大的报文传送控制和错误处理能力，CAN总线通信处理更加精确和方便。4)2个CAN节点的位定时源于外设时钟，可以通过编程使数据速率达到1 Mbps。5)具有8个单独的可编程中断节点和适用于发送和接收的FIFO。

系统通过XC164CM单片机CAN总线接口与采用SJA1000控制器和82C250收发器的单片机开发板连接测试CAN通信模块，实现人机交互功能。电路图如图2所示。


2．4 LED驱动器

驱动模块参照西工大LED驱动电源标准，信号灯选用了3～15 W功率范围的LM3406型驱动器，照明灯选用了20～45 W功率范围的LM3409型驱动器。

LM3406型驱动器是具备宽输入电压范围，低参考电压和双导线调光功能的降压稳压器，可提供高达1．5 A的正向电流，是LED的理想恒流供应源。这款芯片内置有可确保电流平均输出的积分电路。在转换器采用连续导电模式((CCM)操作时，受控导通时间结构可以确保无论输入及输出电压的变动如何，开关频率都会恒定不变。因此LM3406的输出电流极为准确，瞬态响应也极快，可以在不同的情况下确保开关频率恒定不变。

LM3409是一款降压稳流的P沟道MOSFET控制器，提供宽输人电压范围，具有高边电流检测功能，采用增强散热的eMSOP-10封装。因此，LM3409是驱动LED的理想恒流源，输出的正向电流可高达5 A。另外，LM3409采用恒定关断时间(COT)控制功能调整电流，确保输出电流大小恒定，而且无需通过外置元件提供环路补偿，可以轻易实现模拟及PWM调光功能，可充分发挥亮度变化高度线性以及高对比度的优点，并提供可编程欠压锁定、低功耗关断及热关断等功能。
信号灯和照明灯驱动器结构分别采用NI公司的LM3406和LM3409作为主控芯片的BUCK电路，芯片工作的温度范围为-40+125℃。其电路原理如图3所示。