基于CAN總線的電動車窗控制研究

散曉燕

（寧波大紅鷹學院，寧波 315175）

0 引言

隨著消費者對汽車功能和性能要求的日益提高，汽車的電子化、智能化、網絡化已成為現代汽車發展的重要標志。電子技術的迅速發展和汽車電子設備的增多，特別是微控制器進入汽車領域后，大量的控制信號需要進行實時交換，這些產品之間的通信也變得越來越重要。CAN總線作為一種新型的串行數據通信總線，以其良好的可靠性，實時性及靈活性，給汽車帶來了劃時代的變化，各項性能得到全面提升。

1 CAN總線技術

對機動車輛總線來說，CAN總線屬于現場總線范疇，它能夠以較低的成本、較高的實時處理能力在強電磁干擾環境下可靠地工作，也因此可廣泛應用于離散控制領域中的過程監測和控制，特別是工業自動化的底層監控等等。

CAN總線以多主方式工作，它們之間的信息通過唯一的標識符（ID）做上標記，在CAN網絡中發送的報文分為數據幀、遠程幀、出錯幀和超載幀，任何節點任何時刻都可以發送和接收。數據幀攜帶數據由發送器至接收器，是網絡信息的主體。從原理和實現的角度，只要有兩個節點和將它們連接成一體的通信媒體（如雙絞線）就可以構成一個CAN總線系統，這兩個節點之間通過通信媒體相互之間交換信息，CAN作為控制局域網還可以通過網關和其它網如以太網互聯構成大型復雜的控制網絡結構來完成復雜的控制功能。用CAN總線系統組成的網絡，從控制的角度來看，以CAN總線為基礎的網絡控制系統也可以由多個互不相關的控制回路組成，而它們共享一個控制網絡—CAN總線。從現場總線控制系統的概念來說，執行器節點、傳感器節點都可以集成控制器，也即是智能節點，這樣就形成了真正分布式分散的網絡控制系統。

2 車窗電控系統設計

為了達到方便、舒適和安全性的要求，現代轎車普遍采用了電動車窗系統，以此完成人性化的可靠的智能控制功能。

2.1 方案設計

汽車電動車窗控制系統的目的是改變原有的車窗控制的布線方式，使之更方便有效。這里采用電力線與信號線結合的方法，把為車窗電機提供動力來源的電力線與電源連接，由CAN總線提供電機開關控制的信號線，CAN總線的核心是采用串行總線，在系統中組成一個局域網，PC機通過CAN適配卡連接到CAN總線上，和兩個帶有微處理器的控制單元和CAN機構成一個CAN network，可以完成整個通信，大大地提高了信息化水平。

2.2 硬件規劃

圖1是硬件系統的結構框圖。系統中共有六個節點，分別是：中央控制節點、PC機檢測節點、左前車窗電機控制節點、右前車窗電機控制節點、左后車窗電機控制節點和右后車窗電機控制節點。每個節點都是由單片機、SJA1000CAN控制器和82C250收發器組成。其中AT89C51單片機作為整個系統的主控制器，用于進行信息的處理與計算；SJA1000CAN控制器負責接收微處理器中的數據并傳送給CAN收發器，同時，它也用于接收收發器的數據，進行計算處理后傳給微處理器；82C250收發器是發送器和接收器的組合，負責將SJA1000提供的數據轉化為電信號并通過數據線發送出去，同時還接收數據并傳送到CAN的終端。

圖1 系統硬件結構圖

2.3 電路設計

對于電源，我們需要將蓄電池的12V轉化到5V，給需要5V電源的MCU和其他器件使用。如圖2所示，LM2576的ON/OFF和MC33486的WAKE引腳相連，外部開關動作時WAKE引腳為低，使LM2576恢復正常工作，當無開關動作時，LM2576停止工作，從而減少整個節點的損耗。

圖2 電源設計

對于系統而言，根據其要求，結合CAN接口電路硬件設計原理，可以看出系統只要把各個節點掛到CAN總線上，系統就可以正常工作。82C250與CAN總線的接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。前者的CANH和CANL引腳分別通過一個5歐的限流電阻與CAN總線相連，以免受到沖擊，同時在兩腳分別并聯了小電容，用以抗干擾和防電磁輻射。對于電動車窗最重要的部件電機如何驅動，是本課題研究的重點。車窗電機的額定工作電流通常小于8A，堵轉電流可達到20A，可正反轉動，針對這個特點，這里的車窗電控系統使用了摩托羅拉專用于車身電子的電機驅動芯片MC33486，它帶有兩個雙高端開關和兩個預驅動低端開關，兩個低端開關外接兩個MOSFET管，形成兩個全橋對車窗升降電機進行正反方向的驅動，而且能夠采集電機的電流，利用它反饋給單片機A/D采樣模塊得到電機電流值，能夠完成電機的控制和實現車窗堵轉和防夾功能。工作溫度范圍寬，直流脈沖寬度調節PWM頻率最高達30KHZ，額定直流工作電流10A，最大峰值電流35A，具有對地或對電源短路、過溫、過流保護功能，具有很高的實用性，電路圖如下圖3所示。

圖3 電機驅動電路

3 軟件設 計與算法研究

系統能否正常可靠的工作，除了硬件的合理設計外，還需要軟件來實現相應的功能。根據系統功能要求，結合硬件設計，這里的CAN通訊程序分為初始化、發送驅動和接收報文三部分。

3.1 程序流程

主程序往往是一個順序執行的無限循環程序，車窗控制系統也不例外。程序首先對系統進行初始化，系統上電后CAN控制器得到一個復位脈沖使它進入復位模式，運行自己的特殊復位程序，在復位模式下對SJA1000進行初始化，包括工作模式設置、接收濾波方式設置、波特率參數設置、接收代碼寄存器設置、接收屏蔽寄存器設置和中斷允許寄存器設置等等。初始化后，SJA1000就可以進入到操作者模式狀態，進行正常的通信任務。緊接著對CPU進行初始化，設置外部中斷，判斷是發送還是接受狀態，如果AT89C51要負責判斷信號發送之后，如果沒有出現錯誤，就可以進行P1口的數據讀取，實現報文的發送，而下一個控制單元則負責報文的接收，這樣來實現系統各個部分相互間的通信過程。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統主程序流程

在系統第一次運行時，讓電機自動運行3次，將電流的最大值作為電機堵轉電流，然后將防夾積分值標定值寫入EEPROM，以后系統運行時，只需比較標定值與實際運行值，就可以判斷車窗是否夾住，然后采取相應的措施，以此來實現車窗防夾功能。

3.2 電流特性與算法分析

電動玻璃升降器的一種主要形式就是使用柔韌性齒條和小齒輪，車窗連在齒條的一端，電機帶動軸端小齒輪轉動，使齒條移動，以帶動車窗升降。電機通過克服來自傳動機構的阻力使車窗玻璃升降，一般是通過做功來反映電機驅動力的影響，其數學表達式為：

W=W1+W2+W3+W4+W5+W6

其中各個變量占有一定的百分比。顯然在各個階段，車窗所受的阻礙是不同的，也就是說電機電流在不同的階段表現出的特征是不同的，它的大小能夠反映其運動狀況。總體來說它具有如下特性：

1）電機電流在車窗上升或下降過程中的形態不同。車窗上升過程中所需的電流在逐步增大，而下降過程電流值則比較恒定。

2）在外部阻尼不同的條件下，電機電流的變化趨勢是相同的，不同的是它要上下波動，且波動時間不一。

3）電源電壓對電機電流值的大小有一定的影響。

實驗表明，電機的輸出轉矩與工作電流成正比，電機的電流值完全能夠真實反映出電機的受力情況，可以作為判斷車窗是否堵轉、遇堵的主要依據。當電動機運行時，電機電流有很寬的工作范圍，這也就意味著電流幅值不能作為判斷車窗運動是否受到阻礙的依據，要實現車窗的防夾功能只能從對電流波形進行相應處理的角度考慮，通過對車窗電機受阻時電流的變化進行分析。移動窗口積分法就是在一段固定的時間T，內求出電流曲線的面積S，利用該面積S作為判斷依據的方法。首先假定有一底邊固定為TS，高度可變能沿時間軸移動的矩形框，它底邊的位置是由TS時間段內最小的電流值確定的, 如圖中矩形框1的底邊方程I=Imin(t) (T0＜t＜T0|TS)。積分法積分所求面積S就是指電流曲線與該矩形框的底邊和兩條高三條邊所圍成的面積。

圖1中分別顯示了在遇堵、正常和邊緣這三種不同的情況下電機電流曲線與矩形框圍成的面積是S1，S2和S3。可以看出，在這三種情況中，車窗“遇堵”時面積S1比其他兩種情況的面積值(S1和S2)要大許多，驗證了使用積分法的正確性。為求面積值S，需要做如下假設：

1）假設在TS時間段內，電流的最小值為Im；

2）假設遇堵時，車窗電機的電流閡值為Ib；

3）假設兩次電流采樣之間的時間為Δt，由此可以得出時間T以及這段時間內采樣點數n=Ts/Δt。

做了以上假設后，根據積分的定義就可以求出面積值S，即:

算出面積值S后，值與遇堵的面積值Sb相比較，當S＞Sb，且Ic＞Ib兩個條件同時滿足時就可以斷定為車窗遇堵。

4 結束語

基于CAN總線的汽車網絡控制技術成為現代汽車與現代汽車工業發展的標志之一，相對于傳統的汽車系統布線工作量很大，故障診斷工作難度較大，可靠性，實時性差等問題。CAN總線依靠其可靠性高，適應環境能力強等特點成為解決這一問題的新選擇。同時我們也應該看到，汽車車窗控制系統使用CAN總線是一個較新的研究領域，從設計角度來說，要將電路設計、硬件的布置與實驗充分結合起來驗證了其可行性，相信隨著這項技術的進一步發展，對提高中國汽車工業的國際競爭力將有重大的意義。

[1] 秦明華.汽車電器與電子技術[M].北京:北京理工大學出版社,2003.

[2] 鄔寬明.總線原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1996.

[3] SAE Standard.Recommended Practice for a Serial Control and Communication Vehicle Network T1939 Tussled,2000.4.

[4] 李直,黃河.CAN總線在汽車電動車窗和集控門鎖系統中的應用[J].微計算機應用,2002,9.

[5] 陸前鋒,劉波,陳明昭.基于SJA1000總線智能控制系統的設計[J].自動化技術與應用,2003,22.