基于CAN總線的智能電動車窗系統(tǒng)設(shè)計

湯鍇杰，李 偉，栗 燦

（重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074）

傳統(tǒng)的電動車窗作為車身的一個獨立系統(tǒng)，采用點對點的控制方式，與其他電氣設(shè)備缺少信息交流，不利于實現(xiàn)自動化，而且連線繁雜臃腫，安全系數(shù)低，維修難度大。針對上述問題，本文提出一種智能電動車窗系統(tǒng)設(shè)計，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)的一個智能節(jié)點，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)能簡化布線和減少干擾，并實現(xiàn)自動控制的數(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)場總線之一，CAN總線技術(shù)應用于電動車窗在國外一些高檔車型也得到實現(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車窗中采用CAN總線技術(shù)。而國內(nèi)相關(guān)應用還不夠成熟，應用的高檔車中也大部分是由合資外方提供技術(shù)支持，因此研究具有實際意義。CAN總線常用的控制器有兩類：一類獨立于處理器，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CAN模塊［1］。本文以集成CAN模塊的單片機P8xC591為核心設(shè)計出一款智能電動車窗系統(tǒng)，通過試驗測試，能實現(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)簡單、實時可靠性高等優(yōu)點。在防夾方面沒有采用國內(nèi)外在電機安裝霍爾傳感器［2］或車窗邊緣安裝壓力傳感器的普遍做法，而是提出一種無傳感器基于電流特性的判別法，通過對電機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)實現(xiàn)的功能

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

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

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

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

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自點火開關(guān)熄火信號、中控門鎖信號或遠程遙控信號時自動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際標準。SAE汽車委員會用A、B、C這3種類型劃分車載CAN網(wǎng)絡(luò)［5］。電動車窗系統(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個節(jié)點和CAN網(wǎng)絡(luò)組成。以駕駛室為主節(jié)點，副駕駛室、左乘客側(cè)、右乘客側(cè)為從節(jié)點，節(jié)點間通過CAN總線信息共享。

主節(jié)點的開關(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CAN總線間接控制其余車窗；從節(jié)點開關(guān)只有本地模式。本地模式：節(jié)點獨立控制各自車窗；全局模式：從節(jié)點開關(guān)不起作用，由駕駛室控制4個車窗。初始化后默認為本地模式，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

2.1 處理器接口電路

主節(jié)點由Philips公司的P8xC591處理器、半橋式電機驅(qū)動芯片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)點在芯片和結(jié)構(gòu)上也與主節(jié)點保持一致。以主節(jié)點為例說明節(jié)點接口電路設(shè)計，處理器P8xC591與CAN接口電路如圖3所示。

P8xC591內(nèi)部集成CAN模塊，無需控制器，一定程度上簡化了電路。派生于MCS-51微處理器系列的P8xC591擁有強大的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，與總線標準兼容。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限流電阻保護收發(fā)器免受過流沖擊，30 pF電容防電磁輻射又濾干擾，2個穩(wěn)壓管通過放電保護收發(fā)器免遭高壓擊穿。通用儀器公司的高速光電耦6N137可實現(xiàn)電氣隔離，增強抗干擾，但其VCC和VDD端必須完全隔離，否則就沒有效果。

2.2 電機驅(qū)動芯片應用電路

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

經(jīng)過比較驗證，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)阻相對較小則不會如此；在驅(qū)動能力上，4片CMOS管搭建的H橋驅(qū)動電路比不上2片BTS7960組成的全橋驅(qū)動電路。綜上，選擇Infineon公司的BTS7960半橋驅(qū)動芯片構(gòu)建電機驅(qū)動電路，其電路原理如圖4所示。

BTS7960內(nèi)部由3個模塊組成：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P溝道MOSFET和一個N溝道MOSFET構(gòu)成［9］。MOSFET的開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率即使達25kHz，芯片仍能靈敏穩(wěn)定且功率損耗低。BTS7960還具有過流、短路、過壓、欠壓保護功能，輸出電阻小，抗干擾能力強，適合電動車窗低壓大電流的PWM電機驅(qū)動。

圖4中INH腳為使能端，高電平有效。當INH和IN同為高電平時，高端MOSFET導通、低端MOSFET截止，OUT輸出高電平；當INH為高但IN為低電平時，高端MOSFET截止、低端MOSFET導通，OUT輸出低電平；當INH為低電平時，OUT不輸出電平。通過2個BTS7960的INH和IN端高低電平匹配，就能實現(xiàn)電機正轉(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，采用總線驅(qū)動器74LS244隔離驅(qū)動電路和處理器。BTS7960的狀態(tài)標志IS引腳還可以采樣電機電流，為監(jiān)測電機狀態(tài)和利用電流特性實現(xiàn)防夾功能提供條件。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主控程序

主控程序控制主節(jié)點，去掉模式判斷部分即可用于從節(jié)點。先對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動作；全局模式要依次判斷4個按鍵動作。在電機的升降過程中還要判斷是否堵轉(zhuǎn)并實現(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復位后在配置模式下對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行設(shè)置，保證CAN總線基本通信條件。同時清空緩沖區(qū)，為發(fā)送／接收做準備。

3.2.2 節(jié)點報文發(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。報文分為數(shù)據(jù)幀和遠程幀，其中遠程幀沒有數(shù)據(jù)場，發(fā)送前須判斷幀類型再進行相應操作。主控器把數(shù)據(jù)按規(guī)定格式組成一幀報文，寫入CAN發(fā)送緩沖區(qū)并置位 “發(fā)送請求”標志，啟動發(fā)送。

3.2.3 節(jié)點報文接收

報文接收在處理數(shù)據(jù)時涉及對錯誤報警、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中斷信號進行響應，先讀取幀格式判斷是否為數(shù)據(jù)幀，正確時讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，否則置錯誤字。接收完報文后釋放緩沖區(qū)等待下次中斷的產(chǎn)生。

4 防夾控制算法實現(xiàn)

防夾控制可以避免意外夾傷事故，同時也保護電機。在防夾區(qū)間和防夾力方面，歐洲和美國都有相應標準，根據(jù)美標FMVSS118和歐標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的測量儀測量的上升防夾力應小于100N［4］。試驗表明，電機的轉(zhuǎn)矩和電流成正比，BTS7960電流采樣引腳IS采集的電流能真實反映電機受力情況，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波形對比圖看出，無論是上升中受阻時還是升至頂部時，電機電流都有明顯提升，由此可設(shè)定電流閾值I受阻， 當I實際≥I受阻（I正常＜I受阻＜I堵轉(zhuǎn)） 時認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f≥f受阻時為上升中受阻；當0＜f＜f受阻時為已經(jīng)升至頂部。車窗升降速度是固定的，如果還沒到頂就發(fā)生電流躍變，時間上也會有體現(xiàn)，因此設(shè)定到頂時間閾值T到頂，當T＜T到頂，說明上升中遇阻，反之說明已升至頂。不同車型的T到頂沒有統(tǒng)一值，通過試驗初步確定，在運行中參照寫入ROM中的實際到頂時間不斷調(diào)整，實現(xiàn)自適應性。

綜上， 當I實際≥I受阻&f≥ f受阻&T＜T到頂時， 上升中受阻； 當I實際≥I受阻&0＜f＜f受阻&T≥T到頂時， 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確率，提高車窗安全系數(shù)。

5 結(jié)束語

基于CAN總線的智能電動車窗系統(tǒng)符合車窗智能化和車身網(wǎng)絡(luò)化兩個發(fā)展趨勢。該系統(tǒng)以4窗車型為例進行結(jié)構(gòu)布置，CAN總線的引入使其具有較強擴展性，只要增減節(jié)點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。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制方式相比具有線束較少、結(jié)構(gòu)簡單和維護方便等優(yōu)點，具備電動車窗基本功能和電機保護功能，同時采用基于電流的防夾控制算法，提高安全智能性。經(jīng)過軟硬件設(shè)計和模擬試驗，系統(tǒng)工作可靠、功能實現(xiàn)良好、性能穩(wěn)定，初步具備實車裝配條件。

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