李鑫 宣子旺 張雍斌 李國建 路林吉

（1國網(wǎng)上海市電力公司，上海，200335；2挪威船級社（中國）有限公司，上海，200336；3上海交通大學(xué)自動化系，上海，200240）

0 引言

汽車座椅是人們駕駛汽車時的必要配置。只有汽車座椅調(diào)節(jié)至恰當(dāng)?shù)奈恢?，駕駛員才能更加舒適、方便地駕駛汽車。為了解決座椅調(diào)節(jié)的問題，汽車電動座椅應(yīng)運而生。

汽車電動座椅是一種實現(xiàn)駕駛舒適性的可調(diào)節(jié)裝置，同時兼有一定程度的安全功能。電動座椅的發(fā)展過程經(jīng)歷了3個階段：無調(diào)整或簡單調(diào)整階段、電動調(diào)整階段，記憶存儲式調(diào)整階段。未來電動座椅將朝著兩個方向發(fā)展，一個是與汽車主動安全系統(tǒng)等其他電子控制系統(tǒng)更加緊密地聯(lián)系起來，在實現(xiàn)舒適和方便駕駛的功能下更能保護駕駛員的行車安全；另一個是更加智能化，不僅可以對記憶位置進行調(diào)節(jié)，還可以通過檢測周圍環(huán)境和駕駛員狀態(tài)智能地調(diào)節(jié)座椅位置，使駕駛員獲得更好地駕駛體驗。

在電動座椅控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程中，因硬件設(shè)計工程師在設(shè)計上容易出現(xiàn)一些疏漏，而且不同的工程師設(shè)計思路也不一樣，同時為了能夠最大程度提高設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和可靠性，本文采用基于標(biāo)準(zhǔn)軟硬件模塊數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法來設(shè)計相關(guān)的控制系統(tǒng)軟硬件。具體操作過程是：在硬件設(shè)計方面，首先從標(biāo)準(zhǔn)模塊數(shù)據(jù)庫中選擇不同功能的模塊，然后按照既定規(guī)則組建成硬件電路，這樣不僅可以有效地降低硬件工程師在設(shè)計上的錯誤率，提高設(shè)計效率，也有利于設(shè)計的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化；在軟件設(shè)計方面，工程師從標(biāo)準(zhǔn)模塊庫中調(diào)用需要的功能模塊，由于相應(yīng)的功能模塊已經(jīng)封裝好相關(guān)的底層程序，只需要完成主程序的設(shè)計就可以實現(xiàn)所有功能，這樣便可以提高軟件的開發(fā)效率，實現(xiàn)搭積木式的編程。

1 技術(shù)要求

1.1 電動座椅外觀及電機組成

本文設(shè)計了一款汽車電動座椅，其電機由靠背肩部電機、靠背電機、高度電機、水平電機等組成，具體如圖1所示。

圖1 汽車座椅及相關(guān)電機運動方向

1.2 電動座椅模式

汽車電動調(diào)節(jié)座椅具有基本模式、舒服模式、復(fù)位模式3種方式。

1）基本模式：通過上位機指令可以控制座椅靠背電機、座墊高度調(diào)節(jié)電機、座墊傾角電機、座墊水平電機4個電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能。

2）舒服模式：通過上位機指令可以控制靠背肩部電機、腿托前后電機、腿托旋轉(zhuǎn)電機3個電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能。

3）復(fù)位模式：連續(xù)按兩次模式設(shè)置按鈕，系統(tǒng)進入復(fù)位模式，此時所有電機運行到設(shè)定的零點位置。

1.3 通信方式

電動座椅控制系統(tǒng)上位機和控制器之間可采用有線和無線兩種通信方式，具體為：

1）由于是近距離通信，故可以采用UART有線串口通信。

2）也可以采用無線藍牙通信方式。

1.4 電機保護功能

電動座椅控制系統(tǒng)采用無刷直流電動機作為動力驅(qū)動，可實現(xiàn)座椅靠背前后調(diào)節(jié)、腿托前后調(diào)節(jié)、座墊傾角位置調(diào)節(jié)等功能，駕駛員可根據(jù)自身的舒適程度進行相應(yīng)的設(shè)置和調(diào)節(jié)。

1.4.1 堵轉(zhuǎn)保護

當(dāng)電機空載運行電流為4A時，若電流大于額定電流的3.5倍以上，則認(rèn)為是電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此時可利用電流互感器，對電機電流值進行采集，并對采集的數(shù)據(jù)進行判斷。對于電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)，需要采取的措施是關(guān)閉電機轉(zhuǎn)動，查找故障原因。這樣可以保護電機，使其不會因為過載而被燒毀。

電機軸上裝有永久磁鐵，通過電機軸的旋轉(zhuǎn)，給供電的霍爾元件輸出高低電平變化脈沖，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動圈數(shù)計數(shù)。當(dāng)電機正常運行時，其霍爾傳感器位置檢測輸出規(guī)則的高低電平方波（高電平5V，低電平0V）。當(dāng)電機處于堵轉(zhuǎn)時，霍爾傳感器位置檢測輸出高或低電平，因此單片機可以通過電平變化的狀態(tài)，判斷電機是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。

1.4.2 控制系統(tǒng)電壓保護

電動座椅控制器采用12V的電源電壓供電。當(dāng)供電電壓跌落到8.0V時或大于15.5V時，單片機停止工作，同時發(fā)出不同聲響的報警音。

1.4.3 輸出端口隔離保護

座椅控制器對信號的采集和輸出，均采用小型雙向隔離光耦，其具有抗干擾能力強、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，同時光耦控制板采用容錯設(shè)計，即使控制線斷開，繼電器也不會發(fā)生任何動作。

2 硬件設(shè)計方案

2.1 硬件總體設(shè)計

圖2所示為電動座椅控制系統(tǒng)總體框圖。其中，上位機（計算機）采用無線藍牙或USB通信線與下位機（嵌入式座椅控制器）連接，上位機軟件采用C#語言來設(shè)計相關(guān)界面。上位機操作界面上有M1（基本模式）、M2（舒服模式）、M3（復(fù)位模式）3種狀態(tài)的設(shè)置按鈕，其初始設(shè)定值在出廠時已設(shè)置好，分別點擊M1、M2、M3按鈕，座椅便會自動進行相應(yīng)的運行。此外，上位機操作界面上還有一個復(fù)位按鈕，按下該按鈕，座椅上的7個電機同時轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖2 電動座椅控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖

座椅控制器采用具有51內(nèi)核的單片機STC8H8K64U,其可提供豐富的數(shù)字外設(shè)(串口、定時器、高級PWM以及RC、SPI、USB)接口與模擬外設(shè)(超高速ADC、比較器)端口，便于實現(xiàn)各種輸入/輸出控制。電機的正反轉(zhuǎn)可利用16路12V單刀雙擲繼電器進行切換來實現(xiàn)。

2.2 藍牙通信模塊

為了簡化系統(tǒng)上位機和下位機的編程，降低難度，本文設(shè)計上位機和下位機之間采用藍牙串口透傳模塊通信，這樣二者之間的通信編程就轉(zhuǎn)化為串口編程。本文選擇HC-08藍牙模塊，這是目前行業(yè)內(nèi)采用的一款主流的藍牙模塊，具有低功耗、操作簡單、通信效果好等優(yōu)點。

2.3 主控單元模塊

根據(jù)硬件設(shè)計原理框圖分析，電動座椅控制系統(tǒng)需要16個輸出口控制繼電器、8個輸入口檢測轉(zhuǎn)動圈數(shù)、8個輸入口檢測堵轉(zhuǎn)過流、2個串口連接藍牙模塊，因此本文選用STC8H8K64U開發(fā)板，其端口數(shù)量足夠多，可滿足使用要求。

2.4 繼電器模塊

當(dāng)駕駛員通過上位機上的按鈕調(diào)節(jié)座椅模式時，座椅控制器對上位機發(fā)來的命令字進行解析，以便控制端口的電壓變化，達到開啟或關(guān)閉繼電器、實現(xiàn)電流方向變化的目的。電動座椅的驅(qū)動電機連接在兩個繼電器的動靜觸點上，可利用兩個繼電器的常開與常閉觸點電源的流向變換，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。

當(dāng)駕駛員按下座椅高度電機朝上的箭頭時，上位機發(fā)出高度電機正轉(zhuǎn)的指令，座椅控制器對指令進行解析后，K1的標(biāo)號輸出高電平，三極管Q1輸出高電平，K1繼電器吸合，此時12V電源的電流經(jīng)過K2繼電器常閉點到直流電機的正極，電機的負(fù)極與K1的常開點相連，K1觸點另一端接地，實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)到限位點時，上位機的按鍵顯示紅色。當(dāng)駕駛員按下座椅高度電機向下的箭頭時，則K1和K2功能互換。電機正反轉(zhuǎn)控制控制原理如圖3所示。

圖3 電機正反轉(zhuǎn)控制原理

2.5 基于標(biāo)準(zhǔn)模塊數(shù)據(jù)庫的硬件自動化設(shè)計實現(xiàn)方案

電動座椅系統(tǒng)整個硬件電路主要由主控模塊、藍牙通信模塊、電機驅(qū)動模塊（繼電器模塊）、霍爾電流檢測模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊（12V轉(zhuǎn)5V）、USB轉(zhuǎn)串口模塊、復(fù)位模塊等組成。其中，每種類型的模塊都可以重復(fù)調(diào)用，尤其是電機驅(qū)動模塊和霍爾電流檢測模塊。因此每一類硬件模塊可以設(shè)計出一種典型的應(yīng)用電路增添到模塊數(shù)據(jù)庫中，然后在硬件設(shè)計過程中直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應(yīng)的硬件模塊，應(yīng)用基于硬件與主控模塊之間的連接規(guī)則的硬件電路自動連線算法，最終自動生成系統(tǒng)的整體硬件電路。

系統(tǒng)硬件設(shè)計的具體步驟如下：

1）根據(jù)需求確定硬件的總體設(shè)計框圖；

2）根據(jù)設(shè)計框圖確定各個硬件功能模塊的類型和數(shù)量；

3）從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應(yīng)類型的功能模塊；

4）根據(jù)基于權(quán)重優(yōu)先的硬件連接算法實現(xiàn)各功能模塊之間的自動連接功能；

5）檢查確認(rèn)整體硬件電路設(shè)計是否正確。

3 軟件設(shè)計方案

3.1 軟件主程序框圖

電動座椅控制器用來控制座椅電機運動，其核心在于主控程序。主控程序由有線通信、藍牙通信、霍爾計數(shù)、堵轉(zhuǎn)檢測、位置記憶、電機控制等子程序模塊組成。每個模塊可以實現(xiàn)不同的功能，統(tǒng)一由主控程序控制。電動座椅控制器主控程序框圖如圖4所示。

圖4 電動座椅控制器主控程序框圖

1）有線通信模塊：上位機和下位機之間的通信采用波特率為9600、無校驗、4個字符的通信協(xié)議，字符格式為ASCII代碼。

2）藍牙模塊：上位機和下位機之間采用藍牙串口透傳模塊通信，上位機按相關(guān)協(xié)議發(fā)送命令字。

3）霍爾計數(shù)模塊：單片機采用外部中斷計數(shù)方式計數(shù)，當(dāng)霍爾由低到高變化1次，數(shù)值上加1，這樣可有效計算電機旋轉(zhuǎn)角度。

4）堵轉(zhuǎn)檢測模塊：單片機利用外部中斷來監(jiān)測霍爾傳感器的輸出電平變化，從而判斷電機是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。

5）位置存儲模塊：通過I2C串行總線，可對EEPROM存儲器的數(shù)據(jù)進行讀出和寫入，從而保存相應(yīng)的電機位置數(shù)據(jù)。

6）復(fù)位模塊：通過上位機的復(fù)位按鈕，可恢復(fù)到出廠設(shè)置狀態(tài)。

7）電機控制模塊：通過繼電器的觸點變換，改變電流的流向，從而實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。

3.2 主程序通信解析流程

座椅控制器主程序是一個一直在循環(huán)的過程，只要開機，軟件系統(tǒng)將按照圖5所示的流程一直運行。當(dāng)座椅控制器檢測到上位機通過USB或者藍牙發(fā)來的通信數(shù)據(jù)時，便會按照相關(guān)通信協(xié)議進行解析，從而控制相關(guān)電機進行動作。

圖5 座椅控制器主程序流程圖

3.3 電機同步控制算法

同步控制是指一個坐標(biāo)的運動指令能夠驅(qū)動多個電機同時運行，通過對多個電機移動量的檢測，將位移偏差反饋到數(shù)控系統(tǒng)獲得同步誤差補償。

1）基本模式：座椅靠背電機、座墊高度調(diào)節(jié)電機、座墊傾角電機、座墊水平電機的機械運動角度和行程各不相同，而且這些電機都需要同步控制。因此，把霍爾傳感器信號作為反饋計數(shù)信號，利用單片機對霍爾傳感器計數(shù)，其相關(guān)數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為運動行程，確保多個電機同步控制的穩(wěn)定性、控制精度和運行狀況平穩(wěn)。

2）舒適模式：靠背肩部電機、腿托前后電機、腿托旋轉(zhuǎn)電機的行程各不相同，利用霍爾計數(shù)數(shù)據(jù)和電機行程長度的對應(yīng)關(guān)系，將計數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運動行程。其控制方式和基本模式相似。

3）復(fù)位模式：在運行該模式時，需要以基本模式和舒適模式的最后數(shù)據(jù)為起始數(shù)據(jù)，同步控制7個電機運動，采用PID控制算法，以霍爾傳感器為位置檢測反饋信號，確保每一個電機運行穩(wěn)定可靠，座椅系統(tǒng)整體運行到駕駛員最初設(shè)置的位置。

3.4 基于設(shè)計自動化的座椅控制器嵌入式軟件實現(xiàn)方案

由于主程序控制框圖中各個模塊的底層驅(qū)動程序與系統(tǒng)相關(guān)硬件是關(guān)聯(lián)的，而且所采用的PID控制算法等多種算法的實現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)不變，所以可將各個模塊的底層驅(qū)動程序和算法的實現(xiàn)程序封裝成標(biāo)準(zhǔn)子程序，做成軟件模塊數(shù)據(jù)庫。這樣在進行系統(tǒng)軟件設(shè)計時，就可以直接調(diào)用軟件子程序數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的子程序，有效減少軟件編程的工作量，提高設(shè)計效率，也能進一步優(yōu)化軟件架構(gòu)，降低調(diào)試難度。

系統(tǒng)軟件設(shè)計的具體步驟如下：

1）在硬件設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，編寫相應(yīng)模塊的底層驅(qū)動程序，如電機驅(qū)動程序、藍牙模塊驅(qū)動程序、PID控制算法程序等，將其封裝成標(biāo)準(zhǔn)子程序，導(dǎo)入子程序數(shù)據(jù)庫中；

2）設(shè)計主程序的總體軟件流程圖，梳理控制邏輯；

3）根據(jù)總體軟件流程圖自動生成相關(guān)的全局變量和主程序；

4）在主程序的后面，根據(jù)流程圖的順序依次調(diào)入相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)子程序模塊；

5）判斷流程圖中標(biāo)準(zhǔn)子程序是否多次調(diào)用，如果屬于多次調(diào)用，則只在源程序中出現(xiàn)一次；

6）進行程序測試與優(yōu)化。

4 實驗結(jié)果及分析

電動座椅控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，本文對其進行了驗證，整個系統(tǒng)累計測試次數(shù)達5000次，并未發(fā)生一次故障。測試結(jié)果表明：電動座椅可實現(xiàn)基本模式、舒適模式、復(fù)位模式等功能，而且控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、控制精度高、運行狀況良好。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的基于嵌入式軟硬件自動化的汽車電動座椅控制系統(tǒng)，具備基本模式、舒適模式、復(fù)位模式等功能，不僅解決了因工程師技術(shù)水平參差不一而導(dǎo)致的達不到客戶要求的情況，同時還避免了設(shè)計過程中要反復(fù)修改、工期拉長的情況。采用自動化設(shè)計方案，可使嵌入式控制系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化以及設(shè)計的快速化。自動化設(shè)計方法正在得到越來越多的研發(fā)工程師的認(rèn)可，在嵌入式控制系統(tǒng)的研發(fā)中使用也越來越廣泛。