智能化车窗升降控制系统设计.docx

1、智能化车窗升降控制系统设计摘要 1关键词 1Abstract 1Keywords 1智能车窗升降控制系统的设计摘要：随着汽车电子技术的迅猛发展，消费者对汽车的舒适性和安全性要求也在不断提高。车窗系统是汽车车身的重要组成部分，大多数消费者都把电动车窗作为不可缺少的舒适功能，它能使人们更好地保护和驾驶汽车，因此汽车制造商都将其看作一种基本功能。当前车窗系统正朝着模块化、智能化、人性化的方向发展。本设计是基于温差和车速的车窗控制算法，能够提高驾驶员快速行驶时的舒适性和安全性，在此基础上，构建了采用LIN总线技术的车窗和LIN网络控制系统。关键词：LIN总线；车窗智能控制；安全性；舒适性Design

2、of Intelligent Window Control SystemAbstract：With the rapid development of the automobile electronic technology, peoples demands on automobiles safety and comfort requirements are also rising. Window system as an important part of automobile body, Most of the purchaser will be considered power windo

3、ws as necessary comfort features, It makes people driving and protecting automobile much better, therefore，automobile manufacturers considered it as a basic function. At present, the window system is developing along the direction of modular, intelligent and humane. In this paper, a window control a

4、lgorithm based on the driving speed and temperature difference was given, which can improve the drivers safety and comfort at high speed. On this basis, constructing windows LIN network control system was constructed based on LIN-bus technology. Keywords: LIN bus; automobile windows intelligent cont

5、rol; safety; comfort引言近年来随着我国汽车行业的快速发展，汽车电子市场也迅速扩大，整个市场以超过40的比例高速增长，其中车身电子产品占到所有汽车电子产品的3540。目前，车身电子的热点应用排名前三的是车窗控制、车载空调和车灯控制。在车身电子中，对半导体需求量排名前三位的应用领域分别是：车载空调，大约占44；车窗控制，大约占22；车灯控制，大约占10，排名第四位的是电动车门控制。根据汽车电子专业调研公司的数据，去年中国汽车市场车身电子的半导体器件需求量约为19亿美元，而中国本地设计的比例大约在1015之间，预计未来几年这一比例将会快速增长。综上所述，车窗控制产品已成为车身电子

6、产品重要的组成部分1。随着汽车的普及，人们越来越重视汽车的安全性方面。在车窗控制系统中，汽车电动车窗具有防夹功能成为系统的必备要求。这样当车窗上升遇到障碍物(如头、手等)时能够自动后退到底，从而可以有效避免事故的发生，车窗防夹功能对汽车的安全性能来说是一种十分人性化的设计。一般来说在驾驶员高速行驶过程中，如果手动控制车窗升降速度，就会使驾驶员分心，而且很有可能在调控车窗时发生安全事故，因此汽车高速行驶过程中一般使用车窗自动升降。而在车窗自动升降过程中，如果车内外温度差异过大则会在车窗开关的过程中产生较大气流，从而影响到汽车的稳定性，与此同时也会引起人体的不适，导致安全事故的发生。由此可见，温度

7、因素是影响驾驶员身体不适、导致安全事故的重要原因之一。基于以上原因，本设计在温差控制方面做出了改进，使得车窗系统更人性化和智能化。本设计在车窗控制系统上增加了温度传感器模块，可以在驾驶员行车速度超过标定车速时，通过温度传感器检测测得车内外温度，再由A/D转换电路把温度数据传到微控制器，使用新的车窗控制算法控制车窗电机智能实现车窗升降器的升降，从而提高驾驶员行车过程中的舒适性和安全性，更进一步改善了车窗控制系统的安全性能。与此同时，在我国国外企业垄断了利润丰厚、技术含量高的发动机电子、车身电子和底盘电子等产品的汽车电子市场，国内企业仍局限于低端产品，如车载音响等。国内的汽车公司大多数没有建立自己

8、的总线网络技术标准，更多的还是主要开发支持CAN/LIN的车载设备，配合某种车型的CAN/LIN网络使自己的产品支持这种总线通信协议。目前我们的研发工作还处于向国外学习的阶段，但许多与汽车电子技术相关的外国文献都是讲其优势而不讲其缺陷。结果使我国许多从事汽车电子技术的研发人员在进行研发的过程中，不能取长补短，使研发陷入困境。突破技术封锁也是我国面临的巨大挑战2。本设计旨在提出一种基于LIN总线技术的汽车车窗智能控制系统，使得该系统具有低功耗、低成本、易于维护和稳定性好等优点。首先对LIN总线协议进行了研究，制定了相应的LIN总线协议规范，然后完成了车窗控制系统软硬件功能的实现，包括汽车车窗防夹

9、系统与温控车窗舒适系统的实现，改进了车窗控制系统的舒适性和安全性，使得车窗控制系统的设计更加人性化。1总线控制系统1.1 基于LIN总线控制系统车载网络可分为舒适网络和驱动网路。一般来说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，LIN网络更加适合用于性能要求不高的舒适网络，因此在车门，车灯，车窗等部件中，引入了LIN总线，这样既可以满足系统正常运行的需要，又可以使整个车的成本得以减少。本次车窗控制系统总体框架图如图1-1所示。图1-1车窗升降控制系统总体框图当驾驶员按下车窗的按键开关时，车速传感器把信号传到微控制器，如果车速超过设定的标定车速时，通

10、过温度传感器检测测得车内外温度，再由A/D转换电路把温度数据传到微控制器，使用新的车窗控制算法来控制车窗电机智能实现车窗升降器的升降。在车窗的升降过程中，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来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舒适性和安全性3。1.2 LIN总线的技术特点LIN总线是一种成本低的串行通讯网络，用来实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN总线的目标是为现有汽车网络提供辅助功能。LIN总线协议是建立在通用的UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即异

11、步串行通信)硬件接口上，实现起来比较简单，只要具有UART功能模块的单片机都可以作为LIN网络的节点。在物理上仅仅使用一根12V信号线，采用单主多从的结构，避免了总线报文的竞争。通常情况下，一个LIN网络上的节点数量不应超过16，最大标示符的数量为64。否则，节点的增加将减少网络阻抗，会导致环境条件变差。用户不需要改变现有的LIN从节点的硬件和软件就可以在LIN网络上增加节点。LIN总线的目标是为现有的汽车网络提供辅助功能，LIN网络作为现有网络的补充提高了汽车总体网络的性能，降低了汽车电子控制装置的开发以及生产成本。在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合，比如车窗控制系统制动装置和智能传感器

12、之间的通讯，使用LIN总线可以大大节约成本。LIN总线的出现使人们可以采用更低成本的解决方案来补充汽车高端CAN总线的不足4。LIN总线的主要特性有以下几点：(1)单主多从的结构，无需总线仲裁，由主节点控制总线访问。(2)低成本单线12V数据传输，线的驱动特性符合改进的IS09141标准。(3)基于通用的UART接口，几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件。(4)从机节点不需石英或陶瓷谐振器可以实现自同步，减少了硬件成本。(5)传输速率最高达20Kbit/s。从LIN协议通讯的角度来看，一个LIN网络由一个主机任务模块(master task)和若干个从机任务模块(slave task)组成。

13、主机节点中既有主机任务模块又有从机任务模块，其它的节点都只有从机任务模块。在LIN网络中，由主机任务模块来决定什么时候在总线上传输什么报文帧，而从机任务模块则提供每一帧需要传送的数据。从机任务模块和主机任务模块都是帧处理层的组成部分4。本次车窗控制系统把驾驶室侧作为主节点，其他的作为从节点构成了车窗系统的LIN.0网络，如图2-2所示。在车窗LIN网络中，主节点的主要功能是用来采集车窗升降信号和温度传感器信号，同时控制整个网络通信的发起；从节点的主要功能是来通过判断由主节点发来的控制信息和本身所采集的状态，控制相应的车窗电机工作。如图1-2所示。图1-2 LIN总线网络结构图LIN总线最初是为

14、汽车电子控制系统设计的，也可以用于工业控制或者家用电子产品如冰箱中、洗衣机。对车载网络的典型应用是在汽车中的联合装配单元，如车门、车灯、座椅、温度传感器等。对于这些比较敏感的单元，LIN总线可以把这些器件很容易的连接到车载网络中，并可以得到十分方便的维护和服务。1.3 LIN总线协议LIN协会于1998年由主要汽车制造商成立，主要目标是定义和实现汽车使用的高品质线性总线系统的低成本、开放式标准。LIN协会在1999年7月发布了最初的LIN v1.0版本。在2006年11月，LIN协会推出了目前为止最新版本的LIN v2.1协议，它对以前的版本的兼容性增强了，对部分LIN v2.0的功能进行了说

15、明，其中详细说明和修改了总线配置部分，增强了传输层，增加了总线诊断功能LIN v2.1总线规范包括了3个主要部分：LIN v2.1协议规范介绍了LIN的物理层、数据链路层和传输层的协议规范；LIN API操作规程建议介绍了网络和应用程序之间的接口；LIN配置语言规范介绍了LIN配置文件的格式，用于配置整个网络。1.4 车窗控制系统的硬件设计车窗控制系统主要是由车窗、车窗电机模块、车窗升降器、控制开关以及相关的电子电路模块等装置组成。车窗与车窗升降器主要是机械结构。车窗的控制开关有两套，一主一从能控制每个车窗的升降。一般在主开关上安装断路开关，如果它断开，分开关就不会起作用。现在的车窗控制系统内

16、安装的先进电子设备，具有安全保护功能，可以通过电子模块控制对电机的过压、过流及过热保护，并且当玻璃上升的途中遇到障碍时会自动识别而停止转动，有效防止乘客夹伤，实现了防夹功能。1.5 LIN节点设计微处理器需要选择符合LIN v2.1规范的收发器和带有异步串行收发器模块(UAI)的微控制器，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Microchip(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，电磁干扰严重、湿度变化大做了性能优化，是用于车内LIN控制节点微控制

17、器的较好方案5。本设计选用Microchip公司的PIC18F25J10单片机和LIN物理层收发器MCP202x芯片构成节点的硬件。PIC18F25J10单片机提供了工业级的制造工艺和流片工艺保证，而且成本较低，因此能够适用于严酷的车内运行环境。MCP202x是LIN总线收发器，在单片机和LIN半双工总线之间提供了一个物理接口，可以为汽车以及工业应用提供一个最高20K的串行总线传输速率。LIN收发器MCP202x芯片针对工作在汽车环境下的情况进行了特殊设计，符合LIN v2.1总线规格6。如图1-3所示。图1-3 LIN节点硬件电路设计图1-3是LIN总线的节点硬件连接示意图。图中C3选用陶瓷

18、电容或钽电容，使芯片能在更大的温度范围内工作。C5用作外部电压源的滤波电容。D1和D2的设计是为了用于甩负载保护，为可选器件。D4则是27V的瞬态电压抑制二极管，同为可选器件，能够在电源瞬变的时候起保护作用。因为LIN总线是单主多从结构，无需总线仲裁，由主节点控制总线访问，故对LIN主节点的保护额外重要，所以采用了图中包含二极管D3的虚线部分来实现对主节点的保护。图中MCP202x为PIC18F25J10和LIN总线之间提供了一个双向通信接口，可以把LIN总线的电平转换成微控制器能够接收的TxD、RxD信号，或者进行与之相反的转换。其中，PICl8F25JlO供电电源3.3V由汽车电源经电源转

19、换稳压得到。MCP202x的供电由汽车电源直接供给12V。PIC18F25J10的增强型异步收发器可以用硬件完成LIN报文帧的同步间隔场接收，并以中断的方式告知单片机开始接收总线的数据。LIN报文帧的数据收发满足l位起始位，8位数据位，1位停止位条件，用微控制器的UART模块和UART中断功能即可完成LIN总线上数据的收发7。2分电路设计和论证2.1 电源模块设计目前汽车内的蓄电池电源通常都是直流+12V，它可以为汽车内很多电子设备来供电，比如电子打火器，自动车窗，各类电子仪表等。虽然是蓄电池，但仍难以保证其稳定输出。车载网络中主要用到两种电源：+12V和+5V，+12V的电压主要是为电机驱动

20、供电，+5V的电压是给电路中的其它芯片供电，因此需要进行+12V到+5V的转换，而车载电源的稳定性差，需要其输出电压进行稳压8。电源电路采用了LM2576稳压电源电路芯片，对+12V转+5V供电电路如图2-1所示。图2-1 +12V转+5V电源转换电路在稳压芯片LM2576瞬间停止输出时，由电感给电路供电，此时稳压二极管1N5822作为回路的一部分，能够承受更大的电流，起到反向保护的作用。图2-1中的电容C6和C7选用电解电容，能够有效滤除高低频干扰。这样设计的输出电压就是一个抗干扰能力很强的电源供应了。因微控制器PIC18F25J10需要+3.3V电源供应才能正常工作，而图3-1中由蓄电池电

21、源转化而来的电源电压是+5V，所以在此基础上使用了AMS1117线性器件作为转换芯片产生CPU所需的+3.3V核心电压，图3-2是+5V转+3.3V电源转换电路。电容和图2-1中电容所起的作用相同9。如图2-2所示。图2-2 +5V转+3.3V电源转换电路2.2 电机驱动模块设计电机驱动模块的合理设计，主要在于调节步进电机程序的启动频率。这是启动频率的极限，实际使用时，只要启动频率小于或等于这个极限值，步进电动机就能够直接带动负载启动了。利用单片机控制步进电机的控制系统如图2-3所示。图2-3单片机控制步进电机的系统框图合理地选用步进电动机是非常重要的，一般希望步进电动机的输出转矩大，步距误差

22、小，启动频率和运行频率高，性能价格比高。但增大转矩和快速运行存在一定矛盾，高性能和低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须考虑全面。步进电动机的工作方式与一般电动机不同，它采用脉冲控制方式工作的。只有按照一定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能够实现转动。现在采用的功率步进电动机有3相、4相、5相和6相等。工作方式有单m拍、双m拍、3m拍以及2m拍等，一般情况下电机的相数越多，工作方式就越多。本设计采用的是3相6拍步进电机控制程序。车窗电机一般采用供电电压为1115V，工作电流小于等于15A，堵转电流不大于28A的永磁直流电机，需要的电机功率较大而且伴有冲击电流的正反相控制要求。智能功率芯片MC

23、33486可以外接两个MOSFET管(在这里选用P60N06，可以输出较大的工作电流驱动电机)组成一个H桥。电流最大达到10A，直流输入电压范围是828V，而且当电压高于28 V时有过压保护功能。它能够采集电机的电流，利用它反馈给单片机A/D采样模块得到电机的电流值，从而实现车窗防夹功能和完成电机的双向控制，达到了车窗电机驱动模块的设计要求10。电机控制原理为：初始状态中，GLS1与GLS2都同时置于高电平或低电平，OUT1与OUT2一直保持高电平。当U6中的栅极为低电平而且U7的栅极为高电平时，直流电机正向转动，车窗上升；反之，当U6中的栅极为高电平而且U7的栅极为低电平时，直流电机反向转动

24、，车窗下降，这样就可以完成永磁直流电机的正反相控制要求。除此之外，飞思卡尔的功率芯片MC33486还具有负载电流的线性复制功能，CurR输出电流和负载电流成线性比例，CurR输出电流再通过采样电阻与限流电阻把电流转化成电压输入到单片机来实现电机的双向控制。其正常工作温度范围在40150，正常连续输出采样端。电压进行A/D转换和一些计算后就可以得到负载的真实电流。因此，监测输入到单片机端口的电压就等同于监测车窗运动中电机的电流。车窗下降过程、上升过程、上升遇到阻力过程中经过电机的电流都呈规律性的变化，而这些电流变化都可以通过电流采样实时的反映到单片机中11。2.3 温度传感器模块设计车身控制用传

25、感器主要用于提高汽车的可靠性、安全性和舒适性等。由于它的工作条件不像发动机和底盘那么恶劣，一般工业用的传感器稍加改进就可以使用。主要有用于自动空调系统的温度传感器、风量传感器、湿度传感器、日照传感器等；用于安全气囊系统中的加速度传感器；用于门锁控制中的车速传感器；用于倒车控制中的超声波传感器或激光传感器；用于亮度自动控制中的光传感器；用于保持车距的距离传感器；用于消除驾驶员盲区的图像传感器等12。针对汽车内电磁干扰严重，温度变化大等十分恶劣的环境，选用了温度传感器LM335A，其正常工作温度在-40100之间，具有很高的工作精度与较宽的线性工作范围，集成了信号调理电路和传感电路，且器件输出电压

26、和摄氏温度成正比。而从使用角度来说，LM335A和用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处12。温度传感器模块电路由温度传感器LM335A和电位计组成。其电路连接如图2-4所示。图2-4 温度传感器模块电路因为需要同时测得车内外温度，所以需要两路温度传感器模块，但为了测量的精确性和减少误差，所以车内外采用了同一组温度传感器模块。结合实际需要，车窗控制系统中的温度传感器模块完成的主要功能如下所示13：(1)系统网络化，将采集到的数据通过LIN总线传给上位机和其他节点。 (2)监视温度信号的变化情况，通过温差算法实现车窗智能升降功能。(3)采集温度数据，并对其进行滤波处理。2.4 A/D转换模

27、块设计因为此次测量信号是温度信号，不需要过于高的采样率，所以采用了美国德州仪器公司生产的TLC2543芯片14。TLC2543有11个通道的12位开关电容逐次逼近模数串行A/D转换器，采样率是66kbit/s，速度比较快，采样和保持由片内采样保持电路自动完成。此外，它的线性误差较小，成本较低，节省口线资源，也使得它特别适用于此次车窗设计。图2-5给出了TLC2543和PIC18F25J10的连接电路。图2-5 A/D转换模块电路图TLC2543芯片的工作原理如下：上电后，EOC为高，片选CS由高变低，I/O口CLOCK、DOUPUT脱离高阻状态，12个时钟信号从I/O口依次进入，随着时钟信号的

28、加入，控制字从DINPUT在时钟信号的上升沿输入，同时输出上一周期的数据从DOUPUT输出，前4个时钟信号决定了通道号的选择，然后继续采样，到第12个时钟的下降沿，EOC变低，TLC2543则自动完成采样的模拟量的A/D转化，然后进入新的工作周期。编程时需注意的是，DOUPUT输出的数据总是上一次转换的结果。本次设计一共使用了3路AD，分别测量车内温度、车外温度和电机防夹过程产生的电流变化。温度由LM335Z采样来的标准模拟信号经过TLC2543转换后，送入微控器PIC18F25J10进行下列处理：有效数据检查、数字滤波等。其中有效数据检查可以避免因线路故障而采集到虚假数据，对输入信号进行有效

29、性检查，主要来保证所测量的温度信号在正常的范围内15。2.5 汽车车窗系统智能控制实现2.5.1 车窗系统防夹功能的实现 随着汽车的普及，人们越来越重视汽车的安全性。在车窗系统中，汽车电动窗具有防夹功能已经是一种趋势。当车窗上升遇到障碍物时能够自动后退到底，从而能够避免事故的发生。本论文的车窗防夹控制模块的设计采用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。如图2-6所示。图2-6 MC33486芯片在基础车型的电动车窗控制电路中，控制车窗电机采用的是继电器和开关，容易发生粘连等问题。但在本系统中采用智能功率驱动器件控制车窗电机，通过

30、控制加在直流电机上的电压方向来控制电机的转动方向。升降器电机通过的电流的变化反映玻璃上升或下降过程中遇到的阻力变换情况，通过采样玻璃升降器电机通过的电流，监测电流就可以监测玻璃升降过程中阻力的变化情况从而执行相应的操作。智能功率驱动器件可以实现对电机的过流、过热及过压保护，而且通过监测电流自动识别玻璃上升途中遇到障碍的状况，进而进行反转，防止夹伤。控制模块可以实现的功能：（1）点按车门控制键(按键时间小于300ms)，车窗自动上升到顶或下降到底，点按同一开关任意键，车窗停止上升或下降。（2）车窗运行到顶位或底位时自动停止，车窗电机断电。（3）延时按控窗键(按键时间大于300ms)，车窗上升或下

31、降，上升或下降过程中释放按键车窗即停。（4）车窗玻璃在自动上升的过程中如果遇到一定的阻力会自动停下来，下降一段距离，能有效地防止人或物品的意外夹伤。车窗防夹控制模块的主要部分是车窗电机，一般采用内置减速器的可逆性永磁直流电机，电机内有磁场线圈，通过控制加在线圈上的电压方向就可以控制电机的正反转，达到实现车窗玻璃的上升和下降的目的。本设计采用了智能功率驱动器件MC33486控制车窗电机，通过控制加在直流电机上的电压方向来控制电机的转动方向。通过升降器电机的电流的变化完全反映玻璃上升或下降过程中遇到阻力的变换情况，通过采样电机升降过程中通过的电流，监测电流就可以知道阻力的大小。2.5.2 车速与温

32、差的车窗控制 车速表及车速传感器是提供车辆行驶速度信息的重要工具，这里不考虑磁性元件的磁性变化、零件的自然磨损以及汽车轮胎胎压造成的影响，假设汽车行驶过程中由车速传感器采集的信号经过处理得到的限定速度为Vmax。传统的汽车车窗控制系统，当驾驶员在汽车行驶的过程中，在车速超过标定速Vmax时，如果车内外的温度反差过大，会在行驶过程中产生过大的气流而影响汽车的稳定性，造成驾驶员短暂的不适，从而可能导致交通意外的发生。为了克服现有的车窗不能在高速驾驶的过程中智能的调节车窗升降的快慢，避免可能的安全隐患，本设计提供了一种新的基于车速和温差的车窗控制算法。如果驾驶员在高速行驶时，此时按下车窗升降开关，车速传感器将数据传到微控制器上，检测到行车速度超过限定车速Vmax，则在驾驶员高速驾驶的途中通过温度传感器测得车内外温度，并通过A/D转换电路将温度数据传到微控制器，通过新的车窗控制算法控制车窗电机实现车窗升降器的智能升降，从而实现自动调节车窗升降的快慢。在驾驶员行车速度超过限定车速Vma