车窗防夹系统方案.docx

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车窗防夹系统方案

车窗防夹系统方案

　　　　　　西华大学毕业设计说明书　　j目录　　摘要....................................................................................................................................3Abstract..............................................................................................................................3绪论....................................................................................................................................5　　1、课题研究目的及意义............................................................................................5　　2、课题相关技术的现状和前景................................................................................63、课题完成的任务....................................................................................................8第2章电动车窗整体结构设计....................................................................................10　　、电动车窗工作原理...........................................................................................10、电动车窗开关工作原理...................................................................................12、电动车窗开关选型...........................................................................................12、车窗电动机.......................................................................................................15第3章车窗系统硬件电路设计....................................................................................16　　、车窗系统的总体框架设计...............................................................................16、车窗控制系统的硬件结构...............................................................................19　　、LIN节点设计.........................................................................................19、电源模块设计.........................................................................................21、电机驱动模块设计.................................................................................22、系统硬件抗干扰设计.......................................................................................23、本章小结...........................................................................................................24第4章LIN总线协议的研究........................................................................................25　　、LIN总线特点...................................................................................................25、LIN协议的研究...............................................................................................26、报文帧结构.......................................................................................................27、本章小结...........................................................................................................31第5章车窗系统的软件设计........................................................................................32　　、报文内容定义...................................................................................................32、LIN节点软件设计...........................................................................................33、车窗电动机启动控制算法...............................................................................35、车窗系统防夹功能的实现...............................................................................36、数据采集...........................................................................................................37、数据处理...........................................................................................................38、本章小结...........................................................................................................39第6章总结展望............................................................................................................40　　、全文总结...........................................................................................................40、研究展望...........................................................................................................40　　1　　西华大学毕业设计说明书　　谢辞................................................................................................................................42

　　　　　　西华大学毕业设计说明书　　进了车窗控制系统的安全性和舒适性，使得车窗控制系统的设计更人性化。

此次课题的研究成功对以后逐步实现汽车电子技术的国产化有重要意义。

　　2课题相关技术的现状和前景　　　　现代的汽车电子技术已体现出网络化的发展方向，车载网络成为汽车电子领域　　的最大热点，提高控制单元间通信可靠性和降低导线成本的网络总线技术应用成为动力所在，包括CAN、LIN、FlexRay、MOST等已成为现代汽车网络总线的关键技术。

　　FlexRay　　高速度、双通道、时间触发、强大的容错协议，设计用　　作骨干网。

一般的目标应用是所谓的X-by-wire概念。

其目的是通过电子信号传输来替代传统的制动踏板和制动器或方向盘和车轮之间的机械传动。

CAN　　中等速度、单通道、双线容错协议，目前不仅在汽车业，还在　　许多工业应用中广泛使用。

CAN协议的目标应用可以包括电机控制、悬架控制和车内资讯娱乐功能。

LIN　　低速、单线低成本协议，可用於终端节点应用。

LIN的概念注　　定这种协议用於传感器/执行器中，一般用于低速通讯，即速度不是关键因素的应用中。

　　图1—1是面向总线的汽车设计理念的一个例子。

这种设计显示三种通讯协议的　　共存。

　　6　　西华大学毕业设计说明书　　　　图1—1总线车概念　　在20世纪80年代初，众多国际知名的汽车公司已积极致力于汽车总线技术的　　研究与应用。

其中德国博世公司（BOSCH）为汽车应用引入了CAN总线系统，其目的是将本地网络的概念应用到汽车系统内，有效的解决了汽车内部众多控制器与测量设备之间的数据交换问题。

汽车电子技术分为发动机电子、底盘电子、车身电子和信息娱乐系统。

车窗控制系统是车身电子的重要组成部分，主要负责各个车窗单元的控制以及防夹功能的实现，早期的车窗控制系统采用了CAN总线标准。

然而CAN针对高达1Mbps的高速数据传输设计，对于普通的汽车应用，如车窗、车灯、车椅等，CAN模块的成本比较高。

在1999年针对低成本的汽车应用引入了LIN总线网络，本地互联网络LIN（LocalInterconnectNetwork）是一种低成本的串行通信网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制，LIN的目标是为现有汽车网络（例如CAN总线）提供辅助功能。

如今的车窗控制系统大多采用了LIN总线网络，可以大量节省成本和网络资源。

LIN总线的目标是低成本的汽车网络应用，将来随着LIN总线网络在汽车行业的普及应用，电子控制器件将会采用模块的形式，可以方便地　　　　7　　西华大学毕业设计说明书　　插入到LIN总线网络，并与位于仪表板或驾驶室附近的主控制器单元连接在一起。

在汽车车身控制领域，LIN总线以成本低、可靠性强，与CAN总线技术相辅相成，构成车身控制网络的主流技术。

值得注意的是，作为一种十分人性化的安全设计，汽车电动防夹车窗己经在欧美高档车上流行开来，它的设计目标是彻底消除目前汽车上流行的电动车窗在自动关闭过程中可能引起的卡死、挤压及伤人危险。

因为电动车窗是没有感觉的，如果司机稍不留神，那么就很容易对乘坐的儿童带来潜在的危险性，因为他们的手或头很容易被上升的玻璃夹着或伤着。

对于追赶世界汽车电子技术的中国本土品牌汽车制造商来说，这是一个十分容易实现和吸引客户的差异化设计功能，因为这可使得他们能够很快提供新的卖点和创造更高的利润。

　　目前在国际上基于LIN总线技术的车窗控制系统具有很广阔的应用前景，是国　　内外汽车电子领域研究的热点之一，也是研究的主要内容。

LIN的标准化将简化多种现存的解决方案，促使不同汽车舒适系统零部件供应商产品的标准化和通用化。

目前LIN协议规范已发展到版本，同时各大半异体厂商和相应的技术支持方所推出的LIN总线产品也是层出不穷，更加显示了基于LIN总线的车窗控制系统的强大生命力和广阔的发展前景。

　　3课题完成的任务　　　　本课题根据总线协议规范，实现了基于协议的车窗控制系统　　的软硬件设计，对电动车窗机械结构作了介绍，对电动车窗主开关进行了选型和参数分析，使用了智能功率芯片MC33486实现了车窗防夹功能，对车窗控制系统LIN通信的硬件进行了功能性仿真测试。

本课题主要完成以下工作：

　　首先对电动车窗的机械结构、工作原理以及种类作了介绍，然后对电动车　　窗主开关进行了选型，最后对电动车窗开关的工作原理进行了分析　　研究了总线协议规范，选取LIN总线构成车窗控制系统，然后给　　出了基于LIN总线网络的汽车车窗控制系统的硬件设计方案。

对车窗智能控制系统的功能进行了需求分析，根据系统功能需求分析选择了相关的功能芯片，完成了相关的硬件电路设计，包括电源电路、MCU电路、电机驱动电路、LIN收发通讯模块　　8　　西华大学毕业设计说明书　　等。

　　给出了基于LIN总线网络的汽车车窗控制系统的软件设计。

采用了模块化　　和层次化的设计思想，设计了车窗智能控制系统的整体程序流程图。

选取了飞思卡尔公司的智能功率驱动器件MC33486，通过监测车窗运行中永磁直流电机的电流变化来实现防夹功能。

采用车窗升降过程中遇到阻力的电流变化快慢程度不一样和事先预存在EEPROM中车窗上升到顶端的最大时间这两组数据来判断是否遇到阻力，增加了判断的准确性。

采用A/D转换判断车窗开关的档位变化，车窗电机采用软启动方式有效地避免电机出现卡死现象。

同时使用了软件“看门狗”技术作为软件的抗干扰措施，实现了基于LIN总线的车窗控制系统的软件设计。

　　最后通过MC9S08DZ60开发板对本次设计进行了LIN通信的功能性方案　　测试，达到了预期的要求。

　　　　　　9　　西华大学毕业设计说明书　　第2章电动车窗整体结构设计　　电动车窗工作原理　　现代轿车中普遍安装了电动车窗，以使车窗的升降更加方便。

电动车窗主要车窗玻璃、车窗玻璃升降器、电动机和控制开关等组成。

车窗电动机、控制开关及车窗继电器在车上的布置如图2—1和图2—2所示。

　　　　图2—1车窗开关布局　　　　图2—2电动车窗部件在车上的布置　　电动车窗上的电动机是双向的，有永磁式的，也有双绕组串励式的。

每个车门　　各有一个电动机，通过开关控制电动机中的电流方向从而控制玻璃的升降。

控制开关一般有两套，一套为总开关，装在仪表板或驾驶员侧的车门上，这样驾驶员就可以控制每个车窗玻璃的升降。

另一套为分开关，分别安装在每个车窗上，这样乘客也可以对各个车窗进行升降控制。

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　　　　　　西华大学毕业设计说明书　　常见的电动车窗升降机构有绳轮式、交臂式和软轴式等几种，图2—3、图2—4所示分别为绳轮式和软轴式的升降机构，其中绳轮式和交臂式电动车窗升降机构使用较为广泛。

　　　　图2—3绳轮式电动车窗的基本结构　　　　　　图2—4软轴式玻璃升降机构　　11　　西华大学毕业设计说明书　　电动车窗开关工作原理　　　　电动车窗开关和传统的开关有比较大的区别，其档位的改变是通过电压的改变　　来实现的，自动上升，手动上升，自动下降，手动下降，四个档位上的电压通过接入的分压电阻不同从而使基点电压也不同。

然后通过单片机MC9S08DZ60内置的A/D转换模块转换模块得到四个不同的数据。

再通过程序的判断来控制车窗电机进行相应的动作。

其原理图如2—5图所示。

　　　　图2—5电动车窗开关原理图　　电动车窗开关选型　　　　在电动车窗开关选型上，除了要求开关的使用寿命和性能要求要符合　　JT1-3716-09-231《汽车用开关总成通用技术条件》外，在实际操作过程中还希望开关能有良好的“手感”，这里的“手感”即开关表面的触摸感好坏，操作过程中使用力量的大小，开关接触行程的长短，因为对于目前的消费者来说，这是最主要的评价标准，也直接影响到消费者对产品的主观评价。

　　12　　西华大学毕业设计说明书　　于目前的电动车窗开关的手动档和自动档都是集成在一起的，其主要区别在　　于他们各自的接触行程不同，为了防止在实际操作过程中出现自动档和手动挡之间的误操作，电动车窗的开关档位之间应该要有比较大的区别，包括操作力量和接触行程的大小都应该相隔较大，在操作过程中还要具有良好的流畅性，即无卡滞现象。

　　对比表2—6中三种市面上的电动车窗开关我们发现，A主动车窗开关的力谱图　　曲线连贯性较好，作用力和行程基本上成正比例变化。

但是其作用力较大，而且在档位变化的操作过程中虽然作用力变化的连续性很好，但是于在每个档位处的作用力变化不大，而且其有效行程也较短，因此很不容易操作到位，需要多次练习，才能比较好的找到档位之间的具体位置。

而C主动车窗开关的力谱图曲线的波动性较大，在实际操作过程中，按键的作用力连续性不好，有卡滞的现象。

而且其档位处的力矩变化和有效行程都很小，容易出现档位的误操作。

B主动车窗开关的曲线虽然没有A的连贯，但是在每个档位处的作用力变化跨度较大，这种好处就是能让操作者比较明显的感觉到档位之间的变化。

档位之间的有效行程的跨度也较大。

不易出现档位的误操作。

其作用力最大值在5N左右，力度适合。

操作者可以很轻松的操作按键。

　　　　　　　　13　　综上所述，B主动开关的测评结果较好，因此本次设计选用B主动开关。

　　俯视图西华大学毕业设计说明书　　表2—6三种电动车窗主开关参数对比表　　　　C主电动车窗开关A主电动车窗开关B主电动车窗开关　　侧视图　　按　　键上拉　　按键下按上拉最大值下按最大值上拉行程上拉行程外观尺寸材料第一档第二档第一档第二档第一档2mm第二档第一档1mm第二档2mm××ABSPBT-GF20　　第一档第二档第一档第二档第一档mm第二档4.0mm第一档mm第二档mm××ABSPBT-GF30第一档第二档第一档第二档第一档mm第二档mm第一档mm第二档mm××ABSPBT-GF2014　　西华大学毕业设计说明书　　车窗电动机　　　　车窗电动机作为电动车窗系统的唯一执行机构，其性能好坏直接影响到车窗系　　统的工作情况。

尤其是运用在汽车控制中，对其性能要求比较严格。

电动车窗上的电动机是双向的，按照种类不同分为永磁式直流电动机和双绕组串励式电动机。

本次选用的车窗电动机是永磁式直流电动机，其主要参数如表2—7所示。

　　表2—7车窗电动机性能参数表　　　　　　　　15

　　　　　　西华大学毕业设计说明书　　第3章车窗系统硬件电路设计　　车窗系统的总体框架设计　　　　传统的电动车窗控制电路结构图如图3—1所示,车窗系统的主体控制单元是驾　　驶室的主电动车窗开关。

实际的电路图如图3—2所示。

　　　　图3—1传统电动车窗控制电路结构图　　16　　西华大学毕业设计说明书　　　　图3—2传统电动车窗电路图　　传统的电动车窗系统虽然制造成本较低，但是在实际的线路连接上却比较复杂，　　需要的连线比较多，导致车身上的线束截面积比较大。

而通常情况下车窗开关都安装在车门扶手位置处，车门本身是需要经常活动的，这种结果就使线束的安装和铺设比较困难，并且于连线的数量较多导致系统本身的可靠性和稳定性也不能得到很好的保证。

其次，于电路结构的局限性使车窗控制只能实现单一的上升和下降。

在实际使用过程中容易出现在车窗自动关闭过程中可能引起卡死、挤压及伤人危险等现象。

最后，于电机的转向改变是靠改变开关的档位来改变电机的极性，开关本身承受的电流较大，这种结果容易导致开关触点出现氧化，接触不良的现象。

　　而在目前使用得比较多的车载网络中可分为驱动网络和舒适网络。

一般CAN协　　议用于驱动网络，而LIN协议用于舒适网络。

相对于开发高速CAN网络所需要的成本较高，LIN网络更适合用于性能要求不高的舒适网络，于是在车门，车窗，车灯等部件中，引入了LIN总线，这样既能满足系统运行的正常需要，又能使整车成本得以减少。

此次车窗控制系统总体框架图如图3—3所示。

　　17　　西华大学毕业设计说明书　　　　图3—3LIN总线控制车窗控制系统总体框架图　　当驾驶员按下车窗按键开关时，车窗开关得到的电压信号传到主节点ECU内进　　行A/D转换后进行数据判断，如果是主驾驶车窗的数据，那么主车窗ECU控制主车窗电机动作，如果是其他车窗的开关信号，主节点ECU将相应的数据通过LIN收发模块发送到LIN总线上，其余的从节点ECU则检测此时LIN总线上的数据，如果与自己的设置的数据相对应则控制电机动作。

反之则不进行操作。

同时从节点ECU及时将工作状态信息发送回主节点ECU，主节点ECU随时诊断其他从节点的工作情况。

在车窗升降过程中，智能功率驱动器件MC33486通过监测电机的电流变化，通过相关的防夹算法实现车窗的防夹功能，实现了车窗系统的智能化控制过程，提高了驾驶员行车过程中的安全性和舒适性。

在本次设计中，车窗控制系统采用了LIN总线协议构建了车窗LIN总线网络并使用了协议规范。

　　18　　西华大学毕业设计说明书　　车窗控制系统的硬件结构　　　　车窗控制系统主要是车窗、车窗升降器、车窗电机模块、控制开关以及相关　　的电子电路模块等装置组成。

车窗和车窗升降器主要是机械结构。

车窗控制开关有两套，一主一从，可以控制每个车窗的升降。

一般在主开关上装有断路开关，如果它断开，分开关就不起作用。

如今的车窗控制系统内装有的先进电子设备，具有安全保护功能，能够通过电子模块控制对电机的过流、过压以及过热保护，而且当玻璃上升途中遇到障碍时会自动识别而停止转动，防止乘客夹伤，实现防夹功能。

下面对本次设计的电子电路模块给出了详细说明。

LIN节点设计　　微处理器需要选择带有异步串行收发器模块（UART）的微控制器和符合　　规范的收发器，因为它决定了系统的硬件设计连接以及软件开发环境等一系列的问题。

在汽车专用微控制器（MCU）领域，美国Mierochip（微芯）和Freescale（飞思卡尔）两家公司的MCU针对LIN的数据收发进行了优化设计，同时，针对汽车的恶劣环境如温度，湿度变化大、电磁干扰严重做了性能优化，是用于车内LIN控制节点微控制器的较好方案。

选用Freescale公司的MC9S08DZ60单片机和LIN物理层收发器MCZ33661芯片构成节点的