CAN總線轎車車窗智能控制系統(tǒng)解析

　現(xiàn)在各中高檔轎車都安裝有電動車窗，按鈕控制車窗玻璃的升降。如果車窗無智能，司機在沒有注意到乘客的手或物體伸出窗口的情況下按下按鈕，乘客容易被車窗夾傷。為了安全，很多乘車都采用電動防夾車窗。在充分研究有關CAN總線在汽車電子系統(tǒng)中的應用和電動車窗防夾方案的基礎上，提出一種基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統(tǒng)的設計方案，實現(xiàn)車窗在正常工作模式下防夾控制功能和緊急情況下（異常工作模式）快速升降車窗控制功能。
　　目前，以微控制器為代表的汽車電子在整車電子系統(tǒng)中應用廣泛，汽車控制正由機電控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向以分布式網(wǎng)絡為基礎的智能化系統(tǒng)。CAN總線是一種支持分布式和實時控制的串行通信網(wǎng)絡，以其高性能和高可靠性在自動控制領域廣泛應用。作為目前最具應用潛力的現(xiàn)場總線之一，CAN總線技術為我國汽車產(chǎn)業(yè)升級、降低成本，擴大市場占用率提供支持。
　　1系統(tǒng)功能結構
　　1.1CAN總線通信實現(xiàn)原理
　　CAN總線屬于多路復用總線的一種，最早是由德國Bosch公司研制的主要用于汽車電器系統(tǒng)控制的總線規(guī)范。它采用非破壞總線仲裁技術，多主方式工作。直接通信距離最遠可達10km，通信速率最高可達1Mb/s，幀消息采用CRC校驗和其他檢錯措施，具有自動關閉錯誤嚴重的節(jié)點功能。CAN節(jié)點通過報文的標識符濾波實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，不同優(yōu)先級滿足不同實時要求，節(jié)點數(shù)取決于總線驅(qū)動電路，通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證數(shù)據(jù)出錯率極低。汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)中的總線以報文為單位傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點對總線的訪問采用位仲裁方式。報文起始發(fā)送節(jié)點標識符分為功能標識符和地址標識符。CAN總線系統(tǒng)節(jié)點分為不帶微控制器的非智能節(jié)點和帶微控制器的智能節(jié)點。該系統(tǒng)采用智能節(jié)點設計，轎車車窗按CAN總線結構和電器元件在汽車中的物理位置劃分為左前、右前、左后和右后4個節(jié)點單元。其中左前節(jié)點為主控制單元，除負責本地（左前）車窗的升降，還可以遠程控制其他車窗。
　　1.2車窗的智能控制
　　電動車窗系統(tǒng)每個車門都有一個車窗玻璃升降機構，與傳統(tǒng)的手搖機構相似，只不過是采用直流永磁電機驅(qū)動。電機尺寸非常小，可以安裝在車門里面，并且?guī)в幸惶诇p速機構，用來增加輸出扭矩、減小輸出轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)動方向（即車窗的上下移動）通過改變輸入電壓的極性來實現(xiàn)，車窗升降速度取決于輸入電壓的大小。
　　系統(tǒng)使用一個小阻值（約1Ω）的電阻作為電流傳感器，傳感電阻與電機串聯(lián)，其壓降與電機的工作電流成正比，通過檢測電阻兩端的電壓檢測流過電機的電流。在傳感電阻上的電壓未到達設定的閾值前，電機一直工作，一旦傳感器的壓降達到閾值。電機停止轉(zhuǎn)動，檢測車窗位置。如果車窗位置未達到最終位置。說明車窗遇到障礙，車窗將自動退回初始位置。如果車窗到達行程終點，電機電路斷開。為了完成該操作控制，需要實時控制車窗位置，為此在車窗導軌的頂部和底部各安裝壓電傳感器，根據(jù)壓力產(chǎn)生的電壓來判斷車窗是否到達預先設的極限位置。
　　該系統(tǒng)設計除了在正常情況下實現(xiàn)自動防夾功能，還要求在突發(fā)事件（如歹徒搶劫或乘客遇險逃生等）時司機能夠控制車窗的強制關閉或打開。系統(tǒng)對每個節(jié)點單元都有3個用于車窗控制的按鍵（K1、K2和K3）。其中Kl用于控制車窗的上升和下降，是一個2值信號開關；K2暫停/恢復按鍵用于車窗上升或下降途中的暫停，再次按下K2將繼續(xù)運動；K3模式選擇按鍵，其默認為執(zhí)行正常工作模式（帶防夾功能），按下K3后執(zhí)行異常工作模式（不帶防夾功能），具有最高優(yōu)先級，用于快速設定車窗上升或下降。主控節(jié)點單元即左前節(jié)點單元，除負責本地車窗的升降外，還控制所有節(jié)點單元的車窗同步動作，在前3個控制按鍵基礎上，增加了本地/全局控制模式按鍵K4，默認為本地控制模式，按鍵后切換控制模式。
　　2系統(tǒng)硬件設計
　　系統(tǒng)左前節(jié)點單元除具有全局控制外，其余節(jié)點單元只負責控制本地車窗，硬件設計僅多一個按鍵K4，主要在于軟件設計。該系統(tǒng)設計的控制電路不僅支持節(jié)點單元間的CAN總線通信，還要檢測壓電傳感器和負載電流等模擬量，判斷各種邏輯，通過驅(qū)動器實現(xiàn)控制功能。
　　該系統(tǒng)采用片內(nèi)含有CAN控制器的P8xC591作為節(jié)點單元主控制器。P8xC591采用強大的80C51指令集；內(nèi)部集成有SJAl000CAN控制器的PeliCAN功能；全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴展的節(jié)電方式：振蕩器停止和恢復而不丟失數(shù)據(jù)；改進的1：l內(nèi)部時鐘分頻器在12MHz外部時鐘頻率時實現(xiàn)500ns指令周期。
　　控制器P8xC2591讀取按鍵信息，驅(qū)動車窗電機按預先編制的軟件指令運行，同時監(jiān)測傳感器的輸出電壓和負載電流，作為車窗在上升（下降）過程中與障礙物夾持時的邏輯判斷，然后驅(qū)動電機。為了防止車窗玻璃上升到頂部或下降到底部時，電動機受到?jīng)_擊堵轉(zhuǎn)而降低電動車窗機械的使用壽命，該系統(tǒng)設計具有軟停止功能，并且手動或自動上升、下降時都有此功能。當玻璃上升（下降）快到頂（底）部時，在上升軟停止點切斷電動機的電源使其停止工作，通過電動機的慣性使玻璃上升（下降）到頂（底）部。
　　各節(jié)點單元相關命令和狀態(tài)通過CAN控制器以報文格式由CAN總線完成與其他節(jié)點單元信息間的傳輸和共享。
　　電機驅(qū)動電路采用汽車電子專用的電機驅(qū)動器MC33486。該器件帶有兩個雙高端開關和兩個預驅(qū)動低端開關，其低端開關可外接兩個MOSFET管，可連續(xù)輸出10A的電流。同時能夠采集電機電流，利用它反饋給單片機A/D轉(zhuǎn)換采樣模塊得到電機電流值，完成電機控制，實現(xiàn)車窗堵轉(zhuǎn)和防夾功能。系統(tǒng)通過濾波電容降低噪聲的耦合，收發(fā)器PCA82C250與CAN總線之間加接光電隔離器6N137，采用DC—DC變換器隔離電源，總線兩端接終端電阻以消除反射信號。
　　3系統(tǒng)軟件設計
　　系統(tǒng)軟件設計目主要包括CAN控制器初始化、節(jié)點發(fā)送接收報文和主控程序3個模塊。
　　3.1CAN控制器初始化
　　CAN控制器上電或硬件復位后必須初始化，包括操作模式、驗收濾波器、總線位定時、中斷和配置TXDC輸出引腳。
　　3.2節(jié)點發(fā)送/接收報文
　　報文的發(fā)送由CAN控制器遵循CAN協(xié)議規(guī)范自動完成。首先CPU必須將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報文，進入CAN控制發(fā)送緩沖器中，并置位命令寄存器中的發(fā)送請求標志，發(fā)送處理可通過中斷請求或查詢狀態(tài)標志進行控制。其發(fā)送程序分發(fā)送遠程幀和數(shù)據(jù)幀兩種，遠程幀無數(shù)據(jù)場。
　　報文的接收程序負責節(jié)點報文的接收以及總線關閉、錯誤報警、接收溢出等其他情況處理。
　　報文的收發(fā)主要有中斷接收方式和查詢接收方式。軟件設計采用報文接收的查詢中斷控制方式和報文發(fā)送的中斷控制方式。
　　3.3主控程序
　　在各車窗節(jié)點單元中，左前節(jié)點單元功能最復雜，具有最高控制優(yōu)先權。這里以左前節(jié)點單元為例，詳細介紹其主控程序設計。首先初始化系統(tǒng)，包括P8xC591控制器的CAN模塊初始化、中斷、I/0端口、定時模塊、看門狗模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊和設置全局變量，還要將電機堵轉(zhuǎn)時的最大電流和車窗到頂（底）時傳感器的電壓閾值寫入EPROM.P8xC591將實測電流與EPROM中的標定值比較，實現(xiàn)防夾功能，比較電壓閾值與測得的傳感器電路電壓值判斷車窗到達極限位置。初始化完成后，讀取組合按鍵信息，根據(jù)按鍵動作實施具體操作，同時發(fā)送CAN報文，完成各節(jié)點單元間的CAN通信和智能化控制。
　　4系統(tǒng)主要技術參數(shù)和功能
　　電動車窗控制系統(tǒng)除了具有車窗自動上升、下降和手動暫停、恢復功能外，還有以下功能：
　　（1）防夾功能初始化后，手動和自動上升時都具有防夾功能，防夾次數(shù)不受限制；從車窗上極限下沿40mm往下，車窗上極限上沿40mm往上的區(qū)間為防夾區(qū)間：在室溫（22±5）℃、80mΩ的線間電阻、15V的工作電壓，以10N/mm的測量儀測量時，玻璃上升的防夾力小于100N.
　?。?）省電模式在輸入信號消失120ms后。且電動機溫度接近室溫25℃時，系統(tǒng)自動進入省電模式。靜態(tài)電流小于300μA.當電動機控制單元一旦得到輸入指令就被喚醒。
　　（3）軟停止功能上升軟停止點為上極限位置約2mm處，下降軟停止點為下極限位置上約12mm處。
　?。?）電動機保護功能對電動機采取保護措施，提高電動機和電動車窗系統(tǒng)的使用壽命。在電動機堵轉(zhuǎn)的250ms內(nèi)，控制單元切斷電動機電源，電動機停止工作。在控制單元接通電源后，如果沒有初始化，則電動機的初始溫度定為80℃；如果初始化，則電動機初始溫度定為160~C.正常情況下，如果電動機溫度達到170℃，則輸入的指令無效，一旦電動機溫度降低后就恢復功能；如果電動機溫度到190℃，則立即停止電動機的工作，一旦電動機溫度降低后就恢復功能。
　?。?）自診斷保護功能為保證系統(tǒng)的可靠性，同時提高系統(tǒng)的平均無故障時間，采用自診斷保護措施：如果電源電壓超過16V±0.5V，關閉自動上升功能。
　　（6）系統(tǒng)抗干擾設計技術軟件抗干擾以其設計靈活、節(jié)省硬件資源、成本低等優(yōu)勢得到廣泛應用。該系統(tǒng)的軟件設計嵌入看門狗，進一步提高系統(tǒng)的可靠性。
　　設計了基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統(tǒng)，節(jié)點單元以P8xC591單片機為核心，將車窗電機和電子控制元件接入系統(tǒng)。采用CAN總線傳輸、共享和查詢數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分布式控制。與傳統(tǒng)汽車電器手動操作和點對點式互聯(lián)方式相比。采用CAN總線技術，布線明顯減少，車身系統(tǒng)結構簡單，系統(tǒng)可靠性高，更易于維護。同時，系統(tǒng)通過監(jiān)測車窗電機的電流實現(xiàn)電動車窗的防夾功能，并針對人身安全隱患設計了強制車窗“動作”功能，使整車的智能化、人性化和安全性得到進一步提高。目前，該系統(tǒng)設計已在國內(nèi)某轎車上安裝試行。反映效果良好。所提出的方案具有較強的可移植性和可擴展性，同樣也適用于汽車電氣系統(tǒng)的智能化升級，開發(fā)其他功能更為強大的CAN總線智能產(chǎn)品。