基于CAN总线的轿车车窗智能控制系统设计

l 引言
    目前．以微控制器为代表的汽车电子在整车电子系统中应用广泛，汽车控制正由机电控制系统转向以分布式网络为基础的智能化系统。CAN总线是一种支持分布式和实时控制的串行通信网络，以其高性能和高可靠性在自动控制领域广泛应用。作为目前最具应用潜力的现场总线之一，CAN总线技术为我国汽车产业升级、降低成本，扩大市场占用率提供支持。
    现在各中高档轿车都安装有电动车窗，按钮控制车窗玻璃的升降。如果车窗无智能，司机在没有注意到乘客的手或物体伸出窗口的情况下按下按钮，乘客容易被车窗夹伤。为了安全，很多乘车都采用电动防夹车窗。在充分研究有关CAN总线在汽车电子系统中的应用和电动车窗防夹方案的基础上，提出一种基于CAN总线的轿车车窗智能控制系统的设计方案，实现车窗在正常工作模式下防夹控制功能和紧急情况下(异常工作模式)快速升降车窗控制功能。

2 系统功能结构
2．1 CAN总线通信实现原理
    CAN总线属于多路复用总线的一种，最早是由德国Bosch公司研制的主要用于汽车电器系统控制的总线规范。它采用非破坏总线仲裁技术，多主方式工作。直接通信距离最远可达10 km，通信速率最高可达1 Mb／s，帧消息采用CRC校验和其他检错措施，具有自动关闭错误严重的节点功能。CAN节点通过报文的标识符滤波实现数据传输，不同优先级满足不同实时要求，节点数取决于总线驱动电路，通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证数据出错率极低。汽车网络系统中的总线以报文为单位传输数据，节点对总线的访问采用位仲裁方式。报文起始发送节点标识符分为功能标识符和地址标识符。CAN总线系统节点分为不带微控制器的非智能节点和带微控制器的智能节点。该系统采用智能节点设计，轿车车窗按CAN总线结构和电器元件在汽车中的物理位置划分为左前、右前、左后和右后4个节点单元。其中左前节点为主控制单元，除负责本地(左前)车窗的升降，还可以远程控制其他车窗。各节点采用独立的带CAN功能的微控制器设计，其CAN网络结构如图1所示。

2．2 车窗的智能控制
    电动车窗系统每个车门都有一个车窗玻璃升降机构，与传统的手摇机构相似，只不过是采用直流永磁电机驱动。电机尺寸非常小，可以安装在车门里面，并且带有一套减速机构，用来增加输出扭矩、减小输出转速。电机转动方向(即车窗的上下移动)通过改变输入电压的极性来实现，车窗升降速度取决于输入电压的大小。
    系统使用一个小阻值(约1Ω)的电阻作为电流传感器，传感电阻与电机串联，其压降与电机的工作电流成正比，通过检测电阻两端的电压检测流过电机的电流。在传感电阻上的电压未到达设定的阈值前，电机一直工作，一旦传感器的压降达到阈值。电机停止转动，检测车窗位置。如果车窗位置未达到最终位置。说明车窗遇到障碍，车窗将自动退回初始位置。如果车窗到达行程终点，电机电路断开。为了完成该操作控制，需要实时控制车窗位置，为此在车窗导轨的顶部和底部各安装压电传感器，根据压力产生的电压来判断车窗是否到达预先设的极限位置。
    该系统设计除了在正常情况下实现自动防夹功能，还要求在突发事件(如歹徒抢劫或乘客遇险逃生等)时司机能够控制车窗的强制关闭或打开。系统对每个节点单元都有3个用于车窗控制的按键(K1、K2和K3)。其中Kl用于控制车窗的上升和下降，是一个2值信号开关；K2暂停／恢复按键用于车窗上升或下降途中的暂停，再次按下K2将继续运动；K3模式选择按键，其默认为执行正常工作模式(带防夹功能)，按下K3后执行异常工作模式(不带防夹功能)，具有最高优先级，用于快速设定车窗上升或下降。主控节点单元即左前节点单元，除负责本地车窗的升降外，还控制所有节点单元的车窗同步动作，在前3个控制按键基础上，增加了本地／全局控制模式按键K4，默认为本地控制模式，按键后切换控制模式。以主控节点单元按键动作说明车窗的智能控制过程，其结构逻辑如图2所示。

3 系统硬件设计
    系统左前节点单元除具有全局控制外，其余节点单元只负责控制本地车窗，硬件设计仅多一个按键K4，主要在于软件设计。该系统设计的控制电路不仅支持节点单元间的CAN总线通信，还要检测压电传感器和负载电流等模拟量，判断各种逻辑，通过驱动器实现控制功能。
    该系统采用片内含有CAN控制器的P8xC591作为节点单元主控制器。P8xC591采用强大的80C51指令集；内部集成有SJAl000 CAN控制器的PeliCAN功能；全静态内核提供了扩展的节电方式：振荡器停止和恢复而不丢失数据；改进的1：l内部时钟分频器在12 MHz外部时钟频率时实现500ns指令周期。
    控制器P8xC2591读取按键信息，驱动车窗电机按预先编制的软件指令运行，同时监测传感器的输出电压和负载电流，作为车窗在上升(下降)过程中与障碍物夹持时的逻辑判断，然后驱动电机。为了防止车窗玻璃上升到顶部或下降到底部时，电动机受到冲击堵转而降低电动车窗机械的使用寿命，该系统设计具有软停止功能，并且手动或自动上升、下降时都有此功能。当玻璃上升(下降)快到顶(底)部时，在上升软停止点切断电动机的电源使其停止工作，通过电动机的惯性使玻璃上升(下降)到顶(底)部。
    各节点单元相关命令和状态通过CAN控制器以报文格式由CAN总线完成与其他节点单元信息间的传输和共享。系统节点单元硬件设计框图如图3所示。

    电机驱动电路采用汽车电子专用的电机驱动器MC33486。该器件带有两个双高端开关和两个预驱动低端开关，其低端开关可外接两个MOSFET管，可连续输出10 A的电流。同时能够采集电机电流，利用它反馈给单片机A／D转换采样模块得到电机电流值，完成电机控制，实现车窗堵转和防夹功能。系统通过滤波电容降低噪声的耦合，收发器PCA82C250与CAN总线之间加接光电隔离器6N137，采用DC—DC变换器隔离电源，总线两端接终端电阻以消除反射信号。

4 系统软件设计
    系统软件设计目主要包括CAN控制器初始化、节点发送接收报文和主控程序3个模块。
4．1 CAN控制器初始化
    CAN控制器上电或硬件复位后必须初始化，包括操作模式、验收滤波器、总线位定时、中断和配置TXDC输出引脚。
4．2 节点发送／接收报文
    报文的发送由CAN控制器遵循CAN协议规范自动完成。首先CPU必须将待发送的数据按特定格式组合成一帧报文，进入CAN控制发送缓冲器中，并置位命令寄存器中的发送请求标志，发送处理可通过中断请求或查询状态标志进行控制。其发送程序分发送远程帧和数据帧两种，远程帧无数据场。
    报文的接收程序负责节点报文的接收以及总线关闭、错误报警、接收溢出等其他情况处理。报文的收发主要有中断接收方式和查询接收方式。软件设计采用报文接收的查询中断控制方式和报文发送的中断控制方式。报文的发送／接收程序流程如图4所示。

4．3 主控程序
    在各车窗节点单元中，左前节点单元功能最复杂，具有最高控制优先权。这里以左前节点单元为例，详细介绍其主控程序设计。首先初始化系统，包括P8xC591控制器的CAN模块初始化、中断、I／0端口、定时模块、看门狗模块、A／D转换器模块和设置全局变量，还要将电机堵转时的最大电流和车窗到顶(底)时传感器的电压阈值写入EPROM。P8xC591将实测电流与EPROM中的标定值比较，实现防夹功能，比较电压阈值与测得的传感器电路电压值判断车窗到达极限位置。初始化完成后，读取组合按键信息，根据按键动作实施具体操作，同时发送CAN报文，完成各节点单元间的CAN通信和智能化控制。图5为左前节点单元主控程序流程。

5 系统主要技术参数和功能
    电动车窗控制系统除了具有车窗自动上升、下降和手动暂停、恢复功能外，还有以下功能：
    (1)防夹功能 初始化后，手动和自动上升时都具有防夹功能，防夹次数不受限制；从车窗上极限下沿40mm往下，车窗上极限上沿40 mm往上的区间为防夹区间：在室温(22±5)℃、80 mΩ的线间电阻、15 V的工作电压，以10 N／mm的测量仪测量时，玻璃上升的防夹力小于100 N。
    (2)省电模式 在输入信号消失120 ms后。且电动机温度接近室温25℃时，系统自动进入省电模式．静态电流小于300μA。当电动机控制单元一旦得到输入指令就被唤醒。
    (3)软停止功能 上升软停止点为上极限位置约2 mm处，下降软停止点为下极限位置上约12 mm处。
    (4)电动机保护功能对电动机采取保护措施，提高电动机和电动车窗系统的使用寿命。在电动机堵转的250 ms内，控制单元切断电动机电源，电动机停止工作。在控制单元接通电源后，如果没有初始化，则电动机的初始温度定为80℃；如果初始化，则电动机初始温度定为160~C。正常情况下，如果电动机温度达到170℃，则输入的指令无效，一旦电动机温度降低后就恢复功能；如果电动机温度到190℃，则立即停止电动机的工作，一旦电动机温度降低后就恢复功能。
    (5)自诊断保护功能 为保证系统的可靠性，同时提高系统的平均无故障时间，采用自诊断保护措施：如果电源电压超过16 V±0．5 V，关闭自动上升功能。
    (6)系统抗干扰设计技术软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、成本低等优势得到广泛应用。该系统的软件设计嵌入看门狗，进一步提高系统的可靠性。

6 结语
    设计了基于CAN总线的轿车车窗智能控制系统，节点单元以P8xC591单片机为核心，将车窗电机和电子控制元件接入系统。采用CAN总线传输、共享和查询数据，实现分布式控制。与传统汽车电器手动操作和点对点式互联方式相比．采用CAN总线技术，布线明显减少，车身系统结构简单，系统可靠性高，更易于维护。同时，系统通过监测车窗电机的电流实现电动车窗的防夹功能，并针对人身安全隐患设计了强制车窗“动作”功能，使整车的智能化、人性化和安全性得到进一步提高。目前，该系统设计已在国内某轿车上安装试行．反映效果良好。所提出的方案具有较强的可移植性和可扩展性，同样也适用于汽车电气系统的智能化升级，开发其他功能更为强大的CAN总线智能产品。