基于PSoC的智能車窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

庫流亨，趙麗敏

（1.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所研究生院，北京 100083；2.德州學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，山東 德州 253300）

在汽車日益普及的今天，人們對汽車的安全性要求越來越高，防夾手電動(dòng)車窗應(yīng)運(yùn)而生。目前防夾手電動(dòng)車窗的設(shè)計(jì)方案較多，但大多都存在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開發(fā)周期長、成本較高等問題，而且這些方案都需要借助汽車內(nèi)部各種控制線路傳遞信息，增加了汽車內(nèi)部總線布局的復(fù)雜性。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PSoC和CyFi無線通信技術(shù)的智能車窗控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在電動(dòng)車窗關(guān)閉時(shí)支持智能防夾手功能，同時(shí)電動(dòng)車窗的升降控制采用CyFi無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，取代了傳統(tǒng)的有線線路控制方式。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能車窗控制系統(tǒng)主要由無線控制器、通信轉(zhuǎn)發(fā)器以及車窗控制器組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)中的無線控制器用于發(fā)送電動(dòng)車窗的升降控制指令，通信轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)責(zé)CyFi無線網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，車窗控制器負(fù)責(zé)接收遙控指令并根據(jù)指令控制車窗升降，同時(shí)在關(guān)閉車窗時(shí)支持防夾手功能。

1.2 系統(tǒng)工作原理

無線控制車窗升降的原理是：無線控制器根據(jù)設(shè)定的自身ID號(hào)以及用戶指定的遙控操作，組裝遙控指令，并通過CyFi無線網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送給通信轉(zhuǎn)發(fā)器。當(dāng)通信轉(zhuǎn)發(fā)器收到遙控指令后，檢查指令的來源和目標(biāo)的合法性。如果指令合法，則將指令轉(zhuǎn)發(fā)給車窗控制器，車窗控制器收到轉(zhuǎn)發(fā)的遙控指令后，執(zhí)行該指令直至完成操作。

電動(dòng)車窗中的玻璃升降器是一種直流電動(dòng)機(jī)，用于帶動(dòng)車窗玻璃升降。車窗玻璃在上升期間遇到障礙物時(shí)，通過玻璃升降器的電流會(huì)陡然增大，通過采樣玻璃升降器的電流，就能夠監(jiān)測車窗玻璃升降過程中所遇到的阻力情況[1]。本系統(tǒng)的智能防夾手功能就是依據(jù)此原理而設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)中的車窗控制器內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)障礙物探測模塊，在車窗玻璃上升期間，該模塊通過霍爾元件對玻璃升降器電機(jī)的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。當(dāng)車窗玻璃在上升期間遇到障礙物時(shí)，障礙物探測模塊檢測到電流的突變情況，由此可判斷出當(dāng)前車窗玻璃是否遇到障礙物，并將探測結(jié)果信號(hào)傳遞給車窗控制器核心控制板，核心控制板依據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)措施。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的硬件平臺(tái)包括Cypress公司推出的CY3271入門開發(fā)套件和CY3215-DK開發(fā)板。

CY3271是Cypress公司針對入門開發(fā)者推出的一款帶CyFi的低成本USB接口套件，包括PSoC集成開發(fā)環(huán)境PSoC Designer、用于數(shù)據(jù)采集的感應(yīng)控制軟件SCD、帶RF功能的PC橋FTPC、多功能板FTMF、支持長距離無線應(yīng)用并帶功率放大器的RF擴(kuò)展板FTRF以及2個(gè)電池板[2]。

在本系統(tǒng)中，使用PC橋FTPC作為CyFi無線網(wǎng)絡(luò)的通信轉(zhuǎn)發(fā)器；以RF擴(kuò)展板FTRF作為CyFi網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)設(shè)備；多功能板FTMF中帶有CapSense觸摸傳感器，可作為無線控制器的控制鍵盤使用。

CY3215-DK開發(fā)板是一款用于PSoC開發(fā)的通用開發(fā)板，可自由選擇PSoC芯片以及外圍元件。

2.2 車窗控制器硬件結(jié)構(gòu)

車窗控制器以CY8C29466芯片為核心處理器，外接一個(gè)FTRF作為CyFi無線通信模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。障礙物探測模塊負(fù)責(zé)車窗玻璃在上升過程中判定車窗玻璃是否遇到障礙物。車窗控制電路用于轉(zhuǎn)換車窗控制信號(hào)。

圖2 車窗控制器總體結(jié)構(gòu)圖

2.3 障礙物探測模塊設(shè)計(jì)

障礙物探測模塊是通過檢測車窗升降器電機(jī)電流的方式來判斷車窗關(guān)閉過程中是否遇到障礙物。利用PSoC檢測電機(jī)電流，只需要一個(gè)PSoC芯片CY8C27443，外加一個(gè)霍爾元件、一個(gè)感應(yīng)磁環(huán)即可。其原理框圖如圖3所示。

CY8C27443芯片的外部引腳連接圖如圖4所示，圖中，U1為砷化鎵霍爾元件TSH119，U2為 SPI輸出模塊，提供系統(tǒng)在電流檢測時(shí)的數(shù)據(jù)顯示功能，J1、J2與上拉電阻R2、R3構(gòu)成I2C數(shù)據(jù)通信接口，向外輸出探測結(jié)果信號(hào)。

圖3 障礙物探測模塊原理圖

圖4 障礙物探測模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線控制器

無線控制器由CY3271套件中的一個(gè)RF擴(kuò)展板（FTRF）、一個(gè)多功能擴(kuò)展板（FTMF）外加一個(gè)紐扣電池組成。其中，F(xiàn)TMF板直接采用CY3271套件中提供的MF_CS_SLIDE示例程序，本系統(tǒng)主要用到其中的CapSense觸摸傳感器作為車窗控制鍵盤。FTRF板采用RF_I2C_BRIDGE示例程序，這里需要將sendNewTxMsg()函數(shù)中消息類型TX_PACKET_TYPE修改為CYFISNP_API_TYPE_CONF_BCDR，然后在調(diào)用函數(shù)CYFISNP_BindStart時(shí)指定參數(shù)為DEV_ID_TX，以標(biāo)示數(shù)據(jù)包來源，便于中心Hub進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。其部分代碼如下：

3.2 通信轉(zhuǎn)發(fā)器

通信轉(zhuǎn)發(fā)器由帶RF功能的PC橋FTPC實(shí)現(xiàn)，直接采用RF_HUB示例程序。該示例程序已經(jīng)具有與各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能，但不能進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因此需要對RF_HUB程序進(jìn)行一些修改。首先，需要將CYFISNP用戶模塊中的DeviceIDassignment屬性設(shè)置為Preas-signedDeviceID，表示自定義通信節(jié)點(diǎn)的ID；重新編譯RF_HUB工程之后，修改 ServeSNPPackets()函數(shù)中關(guān)于CYFISNP_API_TYPE_SYNC類型消息的處理過程，增加對數(shù)據(jù)包節(jié)點(diǎn)ID的判斷，只有當(dāng)數(shù)據(jù)包是由遙控節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)才進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[3]。轉(zhuǎn)發(fā)部分代碼如下：

3.3 車窗控制器

車窗控制器在完成啟動(dòng)初始化之后，通過CyFi無線網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)。如果收到數(shù)據(jù)并且確認(rèn)數(shù)據(jù)包是發(fā)送給自己，則進(jìn)行指令解析，并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作；否則丟棄數(shù)據(jù)包。得到指令之后，根據(jù)指令持續(xù)時(shí)間判斷出該指令是自動(dòng)執(zhí)行還是手動(dòng)執(zhí)行。在執(zhí)行自動(dòng)關(guān)閉車窗指令時(shí)，車窗控制器會(huì)接收由障礙物探測模塊發(fā)來的信號(hào)，得到障礙物信號(hào)后，立即停止電機(jī)并反轉(zhuǎn)一段距離。車窗控制器的程序流程圖如圖5所示。車窗控制器部分代碼如下：

車窗控制器可實(shí)現(xiàn)以下車窗控制模式：

（1）自動(dòng)升降模式。當(dāng)較短時(shí)間（＜600 ms）按下無線控制器的控制鍵時(shí)，指令持續(xù)時(shí)間會(huì)比較短，車窗自動(dòng)升降直至完成。

（2）手動(dòng)升降模式。當(dāng)較長時(shí)間（＞600 ms）按下無線控制器的控制鍵時(shí)，指令持續(xù)時(shí)間會(huì)比較長，車窗控制器進(jìn)入手動(dòng)升降模式，釋放控制鍵則車窗升降立即停止。

3.4 障礙物探測算法

圖5 車窗控制器程序流程圖

在車窗自動(dòng)關(guān)閉的過程中，障礙物的探測需要區(qū)分兩種情況：一種情況是車窗在關(guān)閉的過程中遇到障礙物；另一種是車窗玻璃已經(jīng)上升到頂端。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致玻璃升降器電機(jī)的電流增大，因此僅依據(jù)電機(jī)電流的增幅值是不能進(jìn)行判定的。但是，這兩種情況下電機(jī)電流變化的速率不一樣，當(dāng)車窗在上升過程中遇到障礙物時(shí)，電機(jī)電流迅速增大到一定值，并呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)；而當(dāng)車窗玻璃上升到頂端時(shí)，電機(jī)電流急劇增大，并保持峰值電流[1]。

根據(jù)上述兩種情況的不同特點(diǎn)，設(shè)定最大關(guān)斷電流為IMAX，通過霍爾元件測量一段時(shí)間內(nèi)的電流平均值為當(dāng)時(shí)，可判定為上述兩種情況之一。計(jì)算此時(shí)的電流變化率，當(dāng)變化率出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，判定為遇到障礙物并將結(jié)果信號(hào)傳遞給車窗控制器。

通過調(diào)整最大關(guān)斷電流IMAX，可設(shè)定不同的防夾力閾值。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，調(diào)整針對電流變化率的判定，可提高防夾手功能的靈敏度。

利用PSoC芯片設(shè)計(jì)智能車窗系統(tǒng)，硬件電路設(shè)計(jì)簡單，軟件開發(fā)周期短，避免了復(fù)雜的硬件模塊設(shè)計(jì)過程；PSoC所具有的可重構(gòu)性使得在增加系統(tǒng)功能或者升級(jí)系統(tǒng)特性時(shí)，只需要對PSoC芯片進(jìn)行重新配置編譯，無需增加額外的芯片或內(nèi)部資源，從而有效提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用PSoC作為車窗電機(jī)的控制器具有良好的穩(wěn)定性和反應(yīng)速度。但是系統(tǒng)對于障礙物探測的靈敏度還有待進(jìn)一步提高。

將PSoC和CyFi無線解決方案應(yīng)用于汽車控制領(lǐng)域，是對傳統(tǒng)汽車電子的數(shù)據(jù)傳感和有線控制進(jìn)行的一次開創(chuàng)性的改進(jìn)嘗試，具有重要的參考價(jià)值。

[1]孫能勇，王冬雪，馬建輝，等.基于 PIC18F2580的智能防夾手電動(dòng)車窗設(shè)計(jì)[J].山東科學(xué)，2010，23(3)：74-77.

[2]俊杰.Cypress推出基于PSoC技術(shù)的CyFi低功耗射頻解決方案[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2008(12)：115.

[3]葉青林，馬忠梅.CyFi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建與通信設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009(9)：78-81.