基于LIN總線(xiàn)的電動(dòng)車(chē)窗控制器設計

車(chē)窗控制系統是汽車(chē)的重要組成部分，傳統的車(chē)窗控制采用的是線(xiàn)束控制，較為簡(jiǎn)單，并且線(xiàn)束和相關(guān)的設備都比較龐大。為了擺脫這種局面，汽車(chē)電子技術(shù)逐步向整車(chē)集成電子化、智能化方向發(fā)展，而總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò )控制技術(shù)正是目前汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )控制所采用的主要方式。
根據美國SAE（汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )）劃分的汽車(chē)數據傳輸分類(lèi)，汽車(chē)車(chē)窗控制系統屬于A(yíng)類(lèi)的面向傳感器/執行器控制的低速網(wǎng)絡(luò )。數據傳輸位速率通常只有1 b/s～10 kb/s。而在這種速率上采用LIN總線(xiàn)方式的網(wǎng)絡(luò )控制，正好可以滿(mǎn)足其要求，并且LIN總線(xiàn)能節省大量的線(xiàn)束、便于維護和實(shí)現汽車(chē)診斷功能。本文提出了一種將LIN總線(xiàn)運用到車(chē)窗控制系統中的設計方案，并給出系統硬件及軟件的實(shí)現方法。
1 車(chē)窗控制系統的網(wǎng)絡(luò )結構設計
本設計主要實(shí)現4個(gè)車(chē)窗的升降功能及車(chē)窗防堵轉。駕駛員側車(chē)窗開(kāi)關(guān)總成可以控制全車(chē)4個(gè)車(chē)窗的手動(dòng)升降和自動(dòng)升降，駕駛員側車(chē)窗安全鎖開(kāi)關(guān)可以使能或禁止其他車(chē)窗的升降，其他3個(gè)車(chē)窗的分開(kāi)關(guān)也可以控制各自車(chē)窗的升降。
車(chē)窗控制系統采用了LIN總線(xiàn)構建的控制網(wǎng)絡(luò )，并按照LIN2.0協(xié)議規范來(lái)編寫(xiě)控制程序。網(wǎng)絡(luò )框架如圖1所示。一個(gè)駕駛員側主節點(diǎn)通過(guò)LIN總線(xiàn)和4個(gè)車(chē)窗從節點(diǎn)進(jìn)行通信，通信速率為19 200 b/s，4個(gè)車(chē)窗從節點(diǎn)上帶有電機驅動(dòng)電路，可以驅動(dòng)車(chē)窗電機的運行。

2 硬件系統設計
從LIN總線(xiàn)的通信方式來(lái)說(shuō)，對硬件的要求并不高，它由基于UART接口的低成本硬件實(shí)現，幾乎所有的微控制器都具有LIN通信的條件，但對于芯片的選擇還需要考慮到性?xún)r(jià)比和穩定性，這在實(shí)際的產(chǎn)品制造中相當重要。
2.1 微控制器的選擇
主節點(diǎn)微控制器的功能主要是對按鍵進(jìn)行檢測，并按LIN2.0協(xié)議的幀格式發(fā)送相應控制命令，同時(shí)還需具有休眠功能，在無(wú)操作時(shí)最大限度地節省汽車(chē)能源。在本次設計中選擇了Microchip公司的PIC16F系列微控制器PIC16F887，具有8 KB Flash、368 B SAM、256 B ROM、增強型USART 模塊（支持RS-485、RS-232和LIN 2.0，自動(dòng)波特率檢測，遇到起始位時(shí)自動(dòng)喚醒）、節能休眠模式。其抗干擾能力完全能在汽車(chē)復雜電磁環(huán)境中正常工作[1]。
從節點(diǎn)選用PIC16F883，其主要性能和PIC16F887相同，片內容量和引腳數要少于PIC16F887，為28個(gè)引腳，不過(guò)能滿(mǎn)足從節點(diǎn)車(chē)窗控制的要求。
2.2 LIN通信接口及電源系統
LIN總線(xiàn)驅動(dòng)電路采用了Microchip公司的MCP2021，該器件遵循LIN1.3、LIN2.0和2.1總線(xiàn)規范，并符合SAE J2602規范。寬供電電壓，連續情況下可為6.0 V～18.0 V，擴展的溫度范圍為-40 ℃~+125 ℃，可以與標準的UART器件接口。MCP2021內部包含一個(gè)電壓調整電路，在溫度范圍內，可輸出電壓為5.0 V，50 mA電源，誤差為±3%。穩壓器采用LDO設計，具有短路保護功能，在輸出電壓降到3.5 V以下時(shí)將關(guān)閉輸出。MCP2021還具有熱關(guān)斷保護功能。經(jīng)過(guò)特別設計的穩壓器可在汽車(chē)環(huán)境下工作，在電池反向連接、+43 V瞬變負載突降和雙電池啟動(dòng)情況下不至毀壞[2]。
MCP2021在單片機和LIN半雙工總線(xiàn)之間提供了物理接口，它針對的是串行總線(xiàn)速度達20 kb/s的汽車(chē)及工業(yè)應用。MCP2021在單片機和串行網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)之間提供了半雙工、雙向通信接口。將CMOS/TTL電平轉換為L(cháng)IN邏輯電平。
LIN2.0規范要求系統中所有節點(diǎn)的收發(fā)器通過(guò)LIN引腳連接。以地為參考，從LIN總線(xiàn)到供電電池間的外部終端電阻最大為510Ω。510 Ω電阻對應 1個(gè)主節點(diǎn)和 16個(gè)從節點(diǎn)。
LIN接口及電源系統如圖2所示。二極管D2用于防止系統電源反接輸入對器件產(chǎn)生的破壞，二極管D3和電阻R31構成上拉以滿(mǎn)足LIN2.0規范中對主節點(diǎn)的要求，從節點(diǎn)則不需要D3和R31構成上拉。24 V瞬態(tài)抑制二極管TVS3和TVS4可對器件進(jìn)行保護，C3、C4為外部電源濾波電容，C6是負載電容。

2.3 從節點(diǎn)電機驅動(dòng)及A/D采樣電路
目前汽車(chē)上的車(chē)窗電機可以采用電機驅動(dòng)IC來(lái)實(shí)現控制，但成本相對較高。因此，在從節點(diǎn)電機驅動(dòng)中采用兩個(gè)單刀雙擲繼電器組成一個(gè)閉合回路，以控制直流電機的正反轉從而實(shí)現開(kāi)閉窗操作。具體電機驅動(dòng)電路如圖3所示。通過(guò)微控制器的RB2和RB3輸出控制信號，以導通三極管來(lái)推動(dòng)繼電器動(dòng)作實(shí)現開(kāi)啟和閉合。二極管D3和D4用于保護繼電器不被電感釋放的反向電流沖擊，電阻R4為電流采樣電阻，用于車(chē)窗上升到頂或下降到底的情況下，電機發(fā)生堵轉時(shí)采樣電機的堵轉電流。微控制器通過(guò)A/D采樣值的變化量來(lái)判斷是否停止電機動(dòng)作。

圖4為從節點(diǎn)主控芯片的復位電路及A/D采樣電路，電阻R1和R2為分壓電阻，D1和D2為鉗制二極管，將輸入電壓范圍鉗制在-0.7 V～+5.7 V，以防止芯片端口電壓過(guò)高損壞。C6、D9和R15構成復位保護電路，AD IN為A/D采樣輸入通道。

3 系統軟件設計
軟件設計采用C語(yǔ)言在MPLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中開(kāi)發(fā)，軟件的調試和下載采用ICD3下載器實(shí)現。
根據實(shí)際車(chē)窗設計的要求，其主要的功能需求如下：
(1)車(chē)窗升降控制功能，又分為點(diǎn)動(dòng)和自動(dòng)。
點(diǎn)動(dòng)：車(chē)窗升降按鍵按下時(shí)間(100 mst600 ms)。
自動(dòng)：車(chē)窗升降按鍵按下時(shí)間(t>600 ms)。
同時(shí)按下則無(wú)效，按鍵動(dòng)作間隔200 ms，若開(kāi)關(guān)在電機自動(dòng)運行時(shí)又發(fā)出手動(dòng)信號，則電機停止。
(2)門(mén)窗鎖止功能，駕駛員側門(mén)窗開(kāi)關(guān)總成鎖止按鈕按下后，只有駕駛員側門(mén)窗開(kāi)關(guān)總成可以控制車(chē)窗升降，從節點(diǎn)不能控制升降。
(3)按鍵無(wú)操作時(shí)，60 s后微控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)，通過(guò)按鍵中斷喚醒微控制器。
其主程序流程圖如圖5所示。其中按鍵防抖采用了軟件延時(shí)的設計思想，通過(guò)10 ms的延時(shí)時(shí)間去抖，防止誤操作[3]。

4 傳輸信號分析
在完成硬件及軟件的設計后，需要對模塊的傳輸信號延時(shí)及相關(guān)的協(xié)議幀是否滿(mǎn)足協(xié)議規范進(jìn)行分析測試。通過(guò)邏輯分析儀對LIN總線(xiàn)的信號傳輸進(jìn)行分析測試，如圖6所示。
從圖6可以看出，其發(fā)送的信號完全是按照LIN2.0協(xié)議規范來(lái)進(jìn)行的。其中幀頭部分包括了13位0的發(fā)送間隔，0X55同步字符，受保護標識符0X14，幀響應部分為數據字節和校驗和，其響應間隔時(shí)間滿(mǎn)足LIN2.0協(xié)議的規范要求[4]。

采用LIN總線(xiàn)設計了車(chē)窗控制系統，在車(chē)窗的升降控制方面表現出很好的性能優(yōu)勢，完全符合汽車(chē)在復雜環(huán)境中的正常使用，同時(shí)能節省大量的線(xiàn)束，便于維護和制造?？偩€(xiàn)式的汽車(chē)控制網(wǎng)絡(luò )是汽車(chē)電子工業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢，在未來(lái)的汽車(chē)電子市場(chǎng)有很好的發(fā)展前景。
參考文獻
[1] PIC16F883/887 datasheet[A].Microchip Technology Inc.2006.
[2] MCP202X datasheet[A].Microchip Technology Inc.2009.
[3] 夏彬彬，任明全，屈金學(xué).PIC單片機常用模塊與綜合系統設計實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[4] LIN Specification package revision 2.0,Motorola.