湯鍇杰，李 偉，栗 燦

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074）

傳統(tǒng)的電動(dòng)車窗作為車身的一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制方式，與其他電氣設(shè)備缺少信息交流，不利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而且連線繁雜臃腫，安全系數(shù)低，維修難度大。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種智能電動(dòng)車窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用嵌入式技術(shù)和CAN總線技術(shù)，使車窗系統(tǒng)成為車身控制網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，具有較高的靈活性和安全性。嵌入式技術(shù)能提高集成和智能程度；CAN總線技術(shù)能簡(jiǎn)化布線和減少干擾，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和信息資源的最大共享。

作為汽車領(lǐng)域最具潛力的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，CAN總線技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)車窗在國(guó)外一些高檔車型也得到實(shí)現(xiàn)，如奔馳W220、寶馬745IL、奧迪A6和大眾的速騰，豐田凱美瑞也在中控門鎖和電動(dòng)車窗中采用CAN總線技術(shù)。而國(guó)內(nèi)相關(guān)應(yīng)用還不夠成熟，應(yīng)用的高檔車中也大部分是由合資外方提供技術(shù)支持，因此研究具有實(shí)際意義。CAN總線常用的控制器有兩類：一類獨(dú)立于處理器，如英特爾公司的82526，Philips公司的SJA1000等；另一類集成于處理器內(nèi)，成為一個(gè)CAN模塊［1］。本文以集成CAN模塊的單片機(jī)P8xC591為核心設(shè)計(jì)出一款智能電動(dòng)車窗系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，能實(shí)現(xiàn)常規(guī)操作、防夾防堵和其他附加功能，具有線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在防夾方面沒(méi)有采用國(guó)內(nèi)外在電機(jī)安裝霍爾傳感器［2］或車窗邊緣安裝壓力傳感器的普遍做法，而是提出一種無(wú)傳感器基于電流特性的判別法，通過(guò)對(duì)電機(jī)電流多角度分析減少誤判率。

1 智能車窗系統(tǒng)功能和方案

1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

圖1展示傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式布線和采用CAN總線后的布線對(duì)比情況［3］。可以看出采用CAN后線束減少一半以上，只要兩個(gè)接口，凸顯CAN總線技術(shù)給汽車組網(wǎng)帶來(lái)的便利。下面是該系統(tǒng)具有的功能。

1）手動(dòng)升降功能 正常狀態(tài)下電機(jī)不工作；當(dāng)抬起開關(guān)接觸up端變?yōu)榈碗娖綍r(shí)車窗上升；當(dāng)按下開關(guān)接觸down端變?yōu)榈碗娖綍r(shí)車窗下降。

2）防夾功能 車窗在上升過(guò)程中若遇到異物阻擋就自動(dòng)停止上升，電機(jī)立即反轉(zhuǎn)一段安全距離（設(shè)置為120mm），避免夾傷事故。防夾控制算法的實(shí)現(xiàn)下文將做詳細(xì)分析。

3）電機(jī)保護(hù)功能［4］設(shè)置堵轉(zhuǎn)和高溫的電機(jī)雙重保護(hù)。電機(jī)堵轉(zhuǎn)超過(guò)300ms停止工作；溫度超過(guò)160℃不再接受控制命令，溫度超過(guò)180℃停止工作，溫度回落至正常范圍內(nèi)立即恢復(fù)相應(yīng)功能。

4）智能升窗功能 為消除車主和乘客離開后忘記升窗的安全隱患，系統(tǒng)加入智能升窗功能。智能升窗管腳收到來(lái)自點(diǎn)火開關(guān)熄火信號(hào)、中控門鎖信號(hào)或遠(yuǎn)程遙控信號(hào)時(shí)自動(dòng)提升所有車窗直至完全閉合。

1.2 總體方案的確定

博世公司為汽車網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的CAN總線支持分布式控制并形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。SAE汽車委員會(huì)用A、B、C這3種類型劃分車載CAN網(wǎng)絡(luò)［5］。電動(dòng)車窗系統(tǒng)采用A類CAN總線，是小于10kb／s的低速網(wǎng)，還用于門控、后備廂等處。

從圖2的布置結(jié)構(gòu)看出系統(tǒng)由4個(gè)節(jié)點(diǎn)和CAN網(wǎng)絡(luò)組成。以駕駛室為主節(jié)點(diǎn)，副駕駛室、左乘客側(cè)、右乘客側(cè)為從節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)CAN總線信息共享。

主節(jié)點(diǎn)的開關(guān)組具有本地／全局模式，包括控制開關(guān) （K1／K2／K3／K4） 和模式切換開關(guān) （K0），既能控制駕駛室車窗，又能通過(guò)CAN總線間接控制其余車窗；從節(jié)點(diǎn)開關(guān)只有本地模式。本地模式：節(jié)點(diǎn)獨(dú)立控制各自車窗；全局模式：從節(jié)點(diǎn)開關(guān)不起作用，由駕駛室控制4個(gè)車窗。初始化后默認(rèn)為本地模式，乘客可根據(jù)需要調(diào)整自己側(cè)車窗。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 處理器接口電路

主節(jié)點(diǎn)由Philips公司的P8xC591處理器、半橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960、光電耦合器6N137和收發(fā)器PCA82C250等組成。為統(tǒng)一接口和方便編程，從節(jié)點(diǎn)在芯片和結(jié)構(gòu)上也與主節(jié)點(diǎn)保持一致。以主節(jié)點(diǎn)為例說(shuō)明節(jié)點(diǎn)接口電路設(shè)計(jì)，處理器P8xC591與CAN接口電路如圖3所示。

P8xC591內(nèi)部集成CAN模塊，無(wú)需控制器，一定程度上簡(jiǎn)化了電路。派生于MCS-51微處理器系列的P8xC591擁有強(qiáng)大的80C51指令集，內(nèi)部集成SJA1000的PeliCAN功能，是一款能滿足設(shè)計(jì)要求的高性能微處理器［6］。 PCA82C250是Philips公司的一款總線收發(fā)器，能夠提供總線傳輸所需要的差分信號(hào)，與總線標(biāo)準(zhǔn)兼容。PCA82C250與CAN之間加入電阻、電容等能起抗干擾和安全作用的器件，其中5Ω限流電阻保護(hù)收發(fā)器免受過(guò)流沖擊，30 pF電容防電磁輻射又濾干擾，2個(gè)穩(wěn)壓管通過(guò)放電保護(hù)收發(fā)器免遭高壓擊穿。通用儀器公司的高速光電耦6N137可實(shí)現(xiàn)電氣隔離，增強(qiáng)抗干擾，但其VCC和VDD端必須完全隔離，否則就沒(méi)有效果。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用電路

電機(jī)是系統(tǒng)的執(zhí)行終端，其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也是一個(gè)重點(diǎn)。查閱資料，發(fā)現(xiàn)目前電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要有3種［7］： ①4個(gè)CMOS管搭建的H橋驅(qū)動(dòng)電路； ②MC33886全橋驅(qū)動(dòng)電路，文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)的電動(dòng)車窗采用這種電路，但必須多片并聯(lián)才能改善發(fā)熱量大的缺點(diǎn)；③2片BTS7960半橋驅(qū)動(dòng)芯片組成的全橋驅(qū)動(dòng)電路。

經(jīng)過(guò)比較驗(yàn)證，在發(fā)熱量上，多片MC33886容易因發(fā)熱不均而影響壽命，BTS7960內(nèi)阻相對(duì)較小則不會(huì)如此；在驅(qū)動(dòng)能力上，4片CMOS管搭建的H橋驅(qū)動(dòng)電路比不上2片BTS7960組成的全橋驅(qū)動(dòng)電路。綜上，選擇Infineon公司的BTS7960半橋驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其電路原理如圖4所示。

BTS7960內(nèi)部由3個(gè)模塊組成：頂部芯片組、低壓端和高壓端基部芯片，高、低壓端基部芯片分別由一個(gè)P溝道MOSFET和一個(gè)N溝道MOSFET構(gòu)成［9］。MOSFET的開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率即使達(dá)25kHz，芯片仍能靈敏穩(wěn)定且功率損耗低。BTS7960還具有過(guò)流、短路、過(guò)壓、欠壓保護(hù)功能，輸出電阻小，抗干擾能力強(qiáng)，適合電動(dòng)車窗低壓大電流的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖4中INH腳為使能端，高電平有效。當(dāng)INH和IN同為高電平時(shí)，高端MOSFET導(dǎo)通、低端MOSFET截止，OUT輸出高電平；當(dāng)INH為高但I(xiàn)N為低電平時(shí)，高端MOSFET截止、低端MOSFET導(dǎo)通，OUT輸出低電平；當(dāng)INH為低電平時(shí)，OUT不輸出電平。通過(guò)2個(gè)BTS7960的INH和IN端高低電平匹配，就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)3種狀態(tài)的切換。狀態(tài)切換易造成電源波動(dòng)，采用總線驅(qū)動(dòng)器74LS244隔離驅(qū)動(dòng)電路和處理器。BTS7960的狀態(tài)標(biāo)志IS引腳還可以采樣電機(jī)電流，為監(jiān)測(cè)電機(jī)狀態(tài)和利用電流特性實(shí)現(xiàn)防夾功能提供條件。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控程序

主控程序控制主節(jié)點(diǎn)，去掉模式判斷部分即可用于從節(jié)點(diǎn)。先對(duì)CPU和CAN模塊初始化，設(shè)置I／O口、中斷及全局變量，將堵轉(zhuǎn)判斷電流閾值寫入ROM。初始化后讀取按鍵信息，判斷所處模式：本地模式只需判斷K1動(dòng)作；全局模式要依次判斷4個(gè)按鍵動(dòng)作。在電機(jī)的升降過(guò)程中還要判斷是否堵轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)防夾控制，主控程序流程如圖5所示。

3.2 CAN通信程序

3.2.1 CAN模塊初始化

初始化是CAN通信的基礎(chǔ)，P8xC591復(fù)位后在配置模式下對(duì)CAN接口的中斷、工作方式、輸入輸出引腳、狀態(tài)寄存器、波特率參數(shù)、I／O寄存器以及濾波寄存器等進(jìn)行設(shè)置，保證CAN總線基本通信條件。同時(shí)清空緩沖區(qū)，為發(fā)送／接收做準(zhǔn)備。

3.2.2 節(jié)點(diǎn)報(bào)文發(fā)送

發(fā)送的數(shù)據(jù)信息以幀的形式出現(xiàn)，在上次發(fā)送完成后開始，否則等待。報(bào)文分為數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，其中遠(yuǎn)程幀沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)，發(fā)送前須判斷幀類型再進(jìn)行相應(yīng)操作。主控器把數(shù)據(jù)按規(guī)定格式組成一幀報(bào)文，寫入CAN發(fā)送緩沖區(qū)并置位 “發(fā)送請(qǐng)求”標(biāo)志，啟動(dòng)發(fā)送。

3.2.3 節(jié)點(diǎn)報(bào)文接收

報(bào)文接收在處理數(shù)據(jù)時(shí)涉及對(duì)錯(cuò)誤報(bào)警、總線關(guān)閉和接收溢出等其他情況處理，比發(fā)送程序復(fù)雜一些［1］。接收主要有查詢和中斷兩種方式，系統(tǒng)采用高效并行的中斷方式。在排除非正常中斷干擾后對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，先讀取幀格式判斷是否為數(shù)據(jù)幀，正確時(shí)讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，否則置錯(cuò)誤字。接收完報(bào)文后釋放緩沖區(qū)等待下次中斷的產(chǎn)生。

4 防夾控制算法實(shí)現(xiàn)

防夾控制可以避免意外夾傷事故，同時(shí)也保護(hù)電機(jī)。在防夾區(qū)間和防夾力方面，歐洲和美國(guó)都有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)美標(biāo)FMVSS118和歐標(biāo)74／60EEC規(guī)定，常見的防夾區(qū)域出現(xiàn)在上密封條下沿4～200mm區(qū)間［10］。在室溫22℃和14.5 V的工作電壓條件下，用10 N／mm的測(cè)量?jī)x測(cè)量的上升防夾力應(yīng)小于100N［4］。試驗(yàn)表明，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流成正比，BTS7960電流采樣引腳IS采集的電流能真實(shí)反映電機(jī)受力情況，可作為判斷車窗是否遇堵的重要依據(jù)［8］。系統(tǒng)利用這一特性選擇基于電流的防夾控制算法。

從圖6波形對(duì)比圖看出，無(wú)論是上升中受阻時(shí)還是升至頂部時(shí)，電機(jī)電流都有明顯提升，由此可設(shè)定電流閾值I受阻， 當(dāng)I實(shí)際≥I受阻（I正常＜I受阻＜I堵轉(zhuǎn)） 時(shí)認(rèn)為上升受阻或已升至頂，I受阻的大小將決定防夾力大小。再對(duì)比圖6a和圖6b，可發(fā)現(xiàn)兩種情況電流提升的斜率存在差異，由此可設(shè)定斜率閾值 f受阻予以區(qū)分。當(dāng)f≥f受阻時(shí)為上升中受阻；當(dāng)0＜f＜f受阻時(shí)為已經(jīng)升至頂部。車窗升降速度是固定的，如果還沒(méi)到頂就發(fā)生電流躍變，時(shí)間上也會(huì)有體現(xiàn)，因此設(shè)定到頂時(shí)間閾值T到頂，當(dāng)T＜T到頂，說(shuō)明上升中遇阻，反之說(shuō)明已升至頂。不同車型的T到頂沒(méi)有統(tǒng)一值，通過(guò)試驗(yàn)初步確定，在運(yùn)行中參照寫入ROM中的實(shí)際到頂時(shí)間不斷調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性。

綜上， 當(dāng)I實(shí)際≥I受阻&f≥ f受阻&T＜T到頂時(shí)， 上升中受阻； 當(dāng)I實(shí)際≥I受阻&0＜f＜f受阻&T≥T到頂時(shí)， 升至頂部正常停止。采用3組判據(jù)，可以確保防夾判斷的準(zhǔn)確率，提高車窗安全系數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于CAN總線的智能電動(dòng)車窗系統(tǒng)符合車窗智能化和車身網(wǎng)絡(luò)化兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。該系統(tǒng)以4窗車型為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，CAN總線的引入使其具有較強(qiáng)擴(kuò)展性，只要增減節(jié)點(diǎn)就能適用大部分車型，充分利用CAN布置靈活、可靠性高和共享數(shù)據(jù)資源等特點(diǎn)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制方式相比具有線束較少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具備電動(dòng)車窗基本功能和電機(jī)保護(hù)功能，同時(shí)采用基于電流的防夾控制算法，提高安全智能性。經(jīng)過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)，系統(tǒng)工作可靠、功能實(shí)現(xiàn)良好、性能穩(wěn)定，初步具備實(shí)車裝配條件。

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