CAN總線(xiàn)轎車(chē)車(chē)窗智能控制系統實(shí)現的原理

現在各中高檔轎車(chē)都安裝有電動(dòng)車(chē)窗，按鈕控制車(chē)窗玻璃的升降。如果車(chē)窗無(wú)智能，司機在沒(méi)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(chē)窗夾傷。為了安全，很多乘車(chē)都采用電動(dòng)防夾車(chē)窗。在充分研究有關(guān)CAN總線(xiàn)在汽車(chē)電子系統中的應用和電動(dòng)車(chē)窗防夾方案的基礎上，提出一種基于CAN總線(xiàn)的轎車(chē)車(chē)窗智能控制系統的設計方案，實(shí)現車(chē)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(chē)窗控制功能。

目前．以微控制器為代表的汽車(chē)電子在整車(chē)電子系統中應用廣泛，汽車(chē)控制正由機電控制系統轉向以分布式網(wǎng)絡(luò )為基礎的智能化系統。CAN總線(xiàn)是一種支持分布式和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，以其高性能和高可靠性在自動(dòng)控制領(lǐng)域廣泛應用。作為目前最具應用潛力的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，CAN總線(xiàn)技術(shù)為我國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)升級、降低成本，擴大市場(chǎng)占用率提供支持。

1 系統功能結構

1．1CAN總線(xiàn)通信實(shí)現原理

CAN總線(xiàn)屬于多路復用總線(xiàn)的一種，最早是由德國B(niǎo)osch公司研制的主要用于汽車(chē)電器系統控制的總線(xiàn)規范。它采用非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù)，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(dòng)關(guān)閉錯誤嚴重的節點(diǎn)功能。CAN節點(diǎn)通過(guò)報文的標識符濾波實(shí)現數據傳輸，不同優(yōu)先級滿(mǎn)足不同實(shí)時(shí)要求，節點(diǎn)數取決于總線(xiàn)驅動(dòng)電路，通信介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，選擇靈活。報文采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證數據出錯率極低。汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )系統中的總線(xiàn)以報文為單位傳輸數據，節點(diǎn)對總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)采用位仲裁方式。報文起始發(fā)送節點(diǎn)標識符分為功能標識符和地址標識符。CAN總線(xiàn)系統節點(diǎn)分為不帶微控制器的非智能節點(diǎn)和帶微控制器的智能節點(diǎn)。該系統采用智能節點(diǎn)設計，轎車(chē)車(chē)窗按CAN總線(xiàn)結構和電器元件在汽車(chē)中的物理位置劃分為左前、右前、左后和右后4個(gè)節點(diǎn)單元。其中左前節點(diǎn)為主控制單元，除負責本地(左前)車(chē)窗的升降，還可以遠程控制其他車(chē)窗。

1．2車(chē)窗的智能控制

電動(dòng)車(chē)窗系統每個(gè)車(chē)門(mén)都有一個(gè)車(chē)窗玻璃升降機構，與傳統的手搖機構相似，只不過(guò)是采用直流永磁電機驅動(dòng)。電機尺寸非常小，可以安裝在車(chē)門(mén)里面，并且帶有一套減速機構，用來(lái)增加輸出扭矩、減小輸出轉速。電機轉動(dòng)方向(即車(chē)窗的上下移動(dòng))通過(guò)改變輸入電壓的極性來(lái)實(shí)現，車(chē)窗升降速度取決于輸入電壓的大小。

系統使用一個(gè)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(guò)檢測電阻兩端的電壓檢測流過(guò)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。電機停止轉動(dòng)，檢測車(chē)窗位置。如果車(chē)窗位置未達到最終位置。說(shuō)明車(chē)窗遇到障礙，車(chē)窗將自動(dòng)退回初始位置。如果車(chē)窗到達行程終點(diǎn)，電機電路斷開(kāi)。為了完成該操作控制，需要實(shí)時(shí)控制車(chē)窗位置，為此在車(chē)窗導軌的頂部和底部各安裝壓電傳感器，根據壓力產(chǎn)生的電壓來(lái)判斷車(chē)窗是否到達預先設的極限位置。

該系統設計除了在正常情況下實(shí)現自動(dòng)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(shí)司機能夠控制車(chē)窗的強制關(guān)閉或打開(kāi)。系統對每個(gè)節點(diǎn)單元都有3個(gè)用于車(chē)窗控制的按鍵(K1、K2和K3)。其中Kl用于控制車(chē)窗的上升和下降，是一個(gè)2值信號開(kāi)關(guān)；K2暫停／恢復按鍵用于車(chē)窗上升或下降途中的暫停，再次按下K2將繼續運動(dòng)；K3模式選擇按鍵，其默認為執行正常工作模式(帶防夾功能)，按下K3后執行異常工作模式(不帶防夾功能)，具有最高優(yōu)先級，用于快速設定車(chē)窗上升或下降。主控節點(diǎn)單元即左前節點(diǎn)單元，除負責本地車(chē)窗的升降外，還控制所有節點(diǎn)單元的車(chē)窗同步動(dòng)作，在前3個(gè)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 系統硬件設計

系統左前節點(diǎn)單元除具有全局控制外，其余節點(diǎn)單元只負責控制本地車(chē)窗，硬件設計僅多一個(gè)按鍵K4，主要在于軟件設計。該系統設計的控制電路不僅支持節點(diǎn)單元間的CAN總線(xiàn)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(guò)驅動(dòng)器實(shí)現控制功能。

該系統采用片內含有CAN控制器的P8xC591作為節點(diǎn)單元主控制器。P8xC591采用強大的80C51指令集；內部集成有SJAl000CAN控制器的PeliCAN功能；全靜態(tài)內核提供了擴展的節電方式：振蕩器停止和恢復而不丟失數據；改進(jìn)的1：l內部時(shí)鐘分頻器在12MHz外部時(shí)鐘頻率時(shí)實(shí)現500ns指令周期。

控制器P8xC2591讀取按鍵信息，驅動(dòng)車(chē)窗電機按預先編制的軟件指令運行，同時(shí)監測傳感器的輸出電壓和負載電流，作為車(chē)窗在上升(下降)過(guò)程中與障礙物夾持時(shí)的邏輯判斷，然后驅動(dòng)電機。為了防止車(chē)窗玻璃上升到頂部或下降到底部時(shí)，電動(dòng)機受到?jīng)_擊堵轉而降低電動(dòng)車(chē)窗機械的使用壽命，該系統設計具有軟停止功能，并且手動(dòng)或自動(dòng)上升、下降時(shí)都有此功能。當玻璃上升(下降)快到頂(底)部時(shí)，在上升軟停止點(diǎn)切斷電動(dòng)機的電源使其停止工作，通過(guò)電動(dòng)機的慣性使玻璃上升(下降)到頂(底)部。

各節點(diǎn)單元相關(guān)命令和狀態(tài)通過(guò)CAN控制器以報文格式由CAN總線(xiàn)完成與其他節點(diǎn)單元信息間的傳輸和共享。

電機驅動(dòng)電路采用汽車(chē)電子專(zhuān)用的電機驅動(dòng)器MC33486。該器件帶有兩個(gè)雙高端開(kāi)關(guān)和兩個(gè)預驅動(dòng)低端開(kāi)關(guān)，其低端開(kāi)關(guān)可外接兩個(gè)MOSFET管，可連續輸出10A的電流。同時(shí)能夠采集電機電流，利用它反饋給單片機A／D轉換采樣模塊得到電機電流值，完成電機控制，實(shí)現車(chē)窗堵轉和防夾功能。系統通過(guò)濾波電容降低噪聲的耦合，收發(fā)器PCA82C250與CAN總線(xiàn)之間加接光電隔離器6N137，采用DC—DC變換器隔離電源，總線(xiàn)兩端接終端電阻以消除反射信號。

3 系統軟件設計

系統軟件設計目主要包括CAN控制器初始化、節點(diǎn)發(fā)送接收報文和主控程序3個(gè)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(xiàn)位定時(shí)、中斷和配置TXDC輸出引腳。

3．2節點(diǎn)發(fā)送／接收報文

報文的發(fā)送由CAN控制器遵循CAN協(xié)議規范自動(dòng)完成。首先CPU必須將待發(fā)送的數據按特定格式組合成一幀報文，進(jìn)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(guò)中斷請求或查詢(xún)狀態(tài)標志進(jìn)行控制。其發(fā)送程序分發(fā)送遠程幀和數據幀兩種，遠程幀無(wú)數據場(chǎng)。

報文的接收程序負責節點(diǎn)報文的接收以及總線(xiàn)關(guān)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(xún)接收方式。軟件設計采用報文接收的查詢(xún)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(chē)窗節點(diǎn)單元中，左前節點(diǎn)單元功能最復雜，具有最高控制優(yōu)先權。這里以左前節點(diǎn)單元為例，詳細介紹其主控程序設計。首先初始化系統，包括P8xC591控制器的CAN模塊初始化、中斷、I／0端口、定時(shí)模塊、看門(mén)狗模塊、A／D轉換器模塊和設置全局變量，還要將電機堵轉時(shí)的最大電流和車(chē)窗到頂(底)時(shí)傳感器的電壓閾值寫(xiě)入EPROM。P8xC591將實(shí)測電流與EPROM中的標定值比較，實(shí)現防夾功能，比較電壓閾值與測得的傳感器電路電壓值判斷車(chē)窗到達極限位置。初始化完成后，讀取組合按鍵信息，根據按鍵動(dòng)作實(shí)施具體操作，同時(shí)發(fā)送CAN報文，完成各節點(diǎn)單元間的CAN通信和智能化控制。

4 系統主要技術(shù)參數和功能

電動(dòng)車(chē)窗控制系統除了具有車(chē)窗自動(dòng)上升、下降和手動(dòng)暫停、恢復功能外，還有以下功能：

(1)防夾功能初始化后，手動(dòng)和自動(dòng)上升時(shí)都具有防夾功能，防夾次數不受限制；從車(chē)窗上極限下沿40mm往下，車(chē)窗上極限上沿40mm往上的區間為防夾區間：在室溫(22±5)℃、80mΩ的線(xiàn)間電阻、15V的工作電壓，以10N／mm的測量?jì)x測量時(shí)，玻璃上升的防夾力小于100N。

(2)省電模式在輸入信號消失120ms后。且電動(dòng)機溫度接近室溫25℃時(shí)，系統自動(dòng)進(jìn)入省電模式．靜態(tài)電流小于300μA。當電動(dòng)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(diǎn)為上極限位置約2mm處，下降軟停止點(diǎn)為下極限位置上約12mm處。

(4)電動(dòng)機保護功能對電動(dòng)機采取保護措施，提高電動(dòng)機和電動(dòng)車(chē)窗系統的使用壽命。在電動(dòng)機堵轉的250ms內，控制單元切斷電動(dòng)機電源，電動(dòng)機停止工作。在控制單元接通電源后，如果沒(méi)有初始化，則電動(dòng)機的初始溫度定為80℃；如果初始化，則電動(dòng)機初始溫度定為160~C。正常情況下，如果電動(dòng)機溫度達到170℃，則輸入的指令無(wú)效，一旦電動(dòng)機溫度降低后就恢復功能；如果電動(dòng)機溫度到190℃，則立即停止電動(dòng)機的工作，一旦電動(dòng)機溫度降低后就恢復功能。

(5)自診斷保護功能為保證系統的可靠性，同時(shí)提高系統的平均無(wú)故障時(shí)間，采用自診斷保護措施：如果電源電壓超過(guò)16V±0．5V，關(guān)閉自動(dòng)上升功能。

(6)系統抗干擾設計技術(shù)軟件抗干擾以其設計靈活、節省硬件資源、成本低等優(yōu)勢得到廣泛應用。該系統的軟件設計嵌入看門(mén)狗，進(jìn)一步提高系統的可靠性。

設計了基于CAN總線(xiàn)的轎車(chē)車(chē)窗智能控制系統，節點(diǎn)單元以P8xC591單片機為核心，將車(chē)窗電機和電子控制元件接入系統。采用CAN總線(xiàn)傳輸、共享和查詢(xún)數據，實(shí)現分布式控制。與傳統汽車(chē)電器手動(dòng)操作和點(diǎn)對點(diǎn)式互聯(lián)方式相比．采用CAN總線(xiàn)技術(shù)，布線(xiàn)明顯減少，車(chē)身系統結構簡(jiǎn)單，系統可靠性高，更易于維護。同時(shí)，系統通過(guò)監測車(chē)窗電機的電流實(shí)現電動(dòng)車(chē)窗的防夾功能，并針對人身安全隱患設計了強制車(chē)窗“動(dòng)作”功能，使整車(chē)的智能化、人性化和安全性得到進(jìn)一步提高。目前，該系統設計已在國內某轎車(chē)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(chē)電氣系統的智能化升級，開(kāi)發(fā)其他功能更為強大的CAN總線(xiàn)智能產(chǎn)品。