基于LIN通信的车内环境照明解决方案

更为有远见的OEM汽车厂商已经意识到车内环境照明的价值，以在日益竞争激烈的市场中提升产品的差异化。进而由于电子设备已成为汽车组件中增长最快的部分，速度超过了机械装置、气动装置和液压装置。随着车内环境照明应用数量的不断增多，OEM汽车厂商对不同颜色的LED环境照明方案进行了区分应用，现在主要是应用于其中的中级桥车模型，将来如何大规模扩展的唯一真正问题是怎样在可接受的成本内实现所需的照明系统。

为了满足上述应用要求并降低成本、缩短实现时间，选择正确的解决方案至关重要。本文将从以下几个方面对车内环境照明解决方案进行阐述：

（1）车内环境照明实现方法的选择；
（2）使用控制算法实现对RGB LED颜色的混光，温度补偿以及LED之间的差异化补偿；
（3）车内环境照明网络实现方式的讨论。

一、车内环境照明系统的发展

基本的环境照明机制大约在五年前开始应用于汽车。在这个阶段，它们可支持的功能非常有限，并且实现方式也被认为是相当昂贵的。如果要将车内环境照明作为一个市场卖点，就需要增加终端客户的调节灵便性。这导致了从传统早期的被动方案到更智能化的环境氛围灯系统。借助于完全可调节化环境氛围灯的发展，车辆驾驶员将在不久的将来根据个人情绪或品味将车内氛围灯调整为他们想要的任何颜色。在未来的车型中，车内氛围灯非常有可能成为高级驾驶员信息系统的一部分。例如，汽车在城市

中，乡村公路上或高速路上行驶时，环境氛围灯颜色会有所不同，红色可提高驾驶员的预警性，而黄色则有助于驾驶员在高速路上放松驾驶心情。在很多情况下，车内环境氛围灯可与OEM汽车厂商的价值以及个性化定位联系在一起，使其产品更加有独特性。

二、环境照明的实现

为了使环境照明能在车载环境里有实际的影响，并真正让到乘客和驾驶员体验其舒适性，需要在车内布置大量的固态光源 ——可设置于脚部空间，沿仪表板，穿过车顶部下侧，或是门板等，以及用于照亮车内特定部位（车内门把手、杯托等）。在光电领域对于单封装发光器件的三原色混色并使其扩散于整个车内已经取得了进展，然而随着需要将所有RGB LED互连的成本要求对环境氛围光的实现方式有着非常大的制约，考虑到这个因素，现可能只会被用于豪华车内。这无疑是不幸的，因为如果价格适当，它完全可以被广泛用于中档或是入门级轿车。 


图1 应用车内环境照明的实际效果

1.LIN 控制

与考虑任何一种方案一样，成本的要求是首当其冲的。在车内环境照明解决方案中实施本地互连网络（LIN）通信是最佳的做法，可有助于降低开发成本和缩短开发周期，因此利用现有的总线设施，重量轻、单线LIN通信是对高性能，成本昂贵的CAN（控制器局域网络）通信的补充。每个RGB LED模块可以连接在LIN网络而不需要额外的布线。因此，整体系统成本可保持在最低水平，再加上汽车总重量不会增加——从而避免了燃油损耗的增加，而且设计者也可以利用LED的封装优势进一步提升车内体验。

2.恒流源驱动

LED必须使用恒流源驱动。大部分LED都有一个规定的电流级别，LED在这个电流级别可达到最大的亮度，且有助于LED寿命。另外LED的光能输出和其流经的电流是成正比的。

控制LED亮度通常有两种方式：一是改变LED电流；二是对LED驱动的恒流源电流采用脉宽调制（PWM）改变占空比。

第一种方式的主要缺点：随着电流的降低，LED效率也随之降低，对于高功率LED，电流的降低还会导致颜色偏差。然而PWM调光方式以全电流驱动LED，可避免效率降低和颜色偏差等问题。

迈来芯电子最新推出的MLX81106包含上述必要的内部驱动技术，芯片可利用内建恒流源直接驱动4颗LEDs（红、绿、蓝和白），并且使用MOS栅电压幅值调整实现PWM占空比调制。 


图2 MLX81106驱动RGB LED电路图

3.RGB LED 颜色控制算法以及补偿

使用集成MCU微控制器方式可检测并控制RGB LED颜色，产生特定的颜色，以及混合的颜色。如，可以混合RGB的成分来产生特定的白光。

通过采用红色、绿色和蓝色的颜色值以及亮度值可产生所需的颜色，对应地采用三个PWM通道或是四个PWM通道实现，本文讨论的是采用三个PWM通道实现将颜色和亮度控制结合在一起的方式，因此需要更高的PWM分辨率以及功能强大的MCU。
MLX81106本身集成了MCU，其4路输出能实现最高到30mA （使用内部电路增强功能可达48mA）的驱动电流驱动外部RGB LED（如果需要输出更大电流来驱动白色LED，可以采用芯片本身高边IOs驱动外接器件来实现）混光产生2.7 x 1014不同的颜色—— 从而使用户有更加广泛的选择。

另外LED的温度和差异性是影响LED颜色因素的一部分，因此需要对这两者的影响进行补偿。

对于温度补偿，低成本且有效的方式是采用芯片内部集成的温度传感器和比较器；或是检测LED的正向压降，MLX81106可提供上述两种方式的实现硬件，其集成的LED阈值检测能力不仅对LED温度进行补偿，也可对LED老化实现补偿，而不需要任何外部元器件。

由于LEDs 通常因为生产过程会造成的光强度的差异，这会引起输出混光颜色的差异。为了弥补该效应MLX81106集成的128字节EEPROM可用来在模块生产线上对LEDs进行终端校准，从而实现LED差异性补偿。

4.网络实现方式

由于整个车内部需要大量的固态光源，基于物流原因，重要的一点是确保所有模块都是相同的（硬件和软件方面）。为了简化汽车的生产过程，需要对单个模块进行单独的控制，就需要实现一个系统来检测汽车内每个模块的具体位置。此外，对汽车内照明节点联网以及诊断的要求，都需要使用适合的低成本通信协议，如之前讨论OEM汽车厂商最新开发的车内照明采用的最经济有效方式是LIN/J2602通信协议，进而考虑到需要检测每个模块并对其实现诊断，现在一些OEM汽车厂商正考虑采用具有自动寻址功能的LIN通信。该方式基于总线并联（已用于空调系统）方式实现。虽然与标准LIN通信相比增加了硅的成本，但是该系统提供在整车EOL过程中对所有模块实现检测的功能，降低OEM汽车厂商和一级供应商的物流成本。

迈来芯电子对此方案提供了简单的参考电路设计，包含RGB LED、驱动电路和自动寻址功能，全都置于一块仅有9mm x 9mm大小的PCB上。 


图3 LIN网络中总线并联实现自动寻址示意图

三、MLX81106解决方案介绍

为应对汽车厂商OEM的实际需求，且为实现成本有效的环境照明方案，迈来芯电子推出了MLX81106车用级芯片。该芯片借助 0.18μm高压CMOS工艺，是颗高度集成、可自由编程的LIN RGB LED 从节点器件。芯片本身采用SOIC8小尺寸封装方式，可满足客户PCB设计的大小以及空间要求。其次集成了多种功能，包括物理层LIN收发器，19.2kbit/s LIN 控制器（支持 LIN 2.x 和 SAE J2602），预分频的10-位模数转换器(ADC) ，电压调节器和16位微控制器 （有24/32K字节大小的Flash, 512字节的 RAM, 128字节 EEPROM存储）。

另外为了满足汽车厂商OEM对车内环境照明节点个数的要求，研发人员对芯片内部电路做了特殊设计，使得LIN总线上最多可连接25个从节点，远大于LIN总线规定的16个从节点。  


图4  MLX81106参考PCB设计

结论

该文主要阐述了高度集成单芯片实现的环境照明系统解决方案。意味着RGB 氛围灯模块可通过车内LIN网络实现互连，同时该方案也不需要花费长时间研发过程或是大量的人力资源。这样的技术势必会成为OEM汽车厂商的主要卖点。通过LIN网络实现的环境氛围灯功能，会使汽车厂商的车型更具个性化，进而使得他们从竞争对手中脱颖而出。因此未来该功能将不再局限于高端汽车，而将变得更加适用于OEM汽车厂商的大批量畅销车型中。