基于LIN總線電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要 為達(dá)到電動(dòng)車窗的安全性和快速響應(yīng)要求，采用信號(hào)檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了基于LIN總線的電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過霍爾傳感器檢測(cè)車窗玻璃的實(shí)時(shí)位置，選擇直流電機(jī)的電流變化作為障礙檢測(cè)判斷的主要指標(biāo)，采用Freescale公司的MM912F634為車窗控制器，該平臺(tái)通過LIN總線連接實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地檢測(cè)障礙物，并能快速進(jìn)行防夾控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、快速、抗干擾能力強(qiáng)且成本低，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞 LIN；電動(dòng)車窗；防夾系統(tǒng)；MM912F634

    隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車的電子化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化提高了汽車的舒適性，但同時(shí)對(duì)于汽車的安全性提出了新要求。電動(dòng)車窗通過電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車窗玻璃自動(dòng)升降，許多電動(dòng)車窗不具備檢測(cè)障礙物自行防夾，對(duì)乘客存在了一定的安全隱患，特別是年齡較小的兒童乘客。美國(guó)交通部頒布了FMVSS118，并嚴(yán)格規(guī)定轎車和小型貨車強(qiáng)制執(zhí)行該法規(guī)。雖然國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)法律的規(guī)定，但在不影響舒適性的前提下，設(shè)計(jì)一款防夾系統(tǒng)是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。
    LIN(Local Interconnect Network)總線全稱為區(qū)域互連網(wǎng)絡(luò)，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線。文中設(shè)計(jì)了一種基于LIN總線電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)，通過LIN總線可將車窗狀態(tài)、控制參數(shù)傳輸至主控終端進(jìn)行顯示，并組建車窗防夾網(wǎng)絡(luò)，可以拓展到車身的其他部分。車窗玻璃的實(shí)時(shí)位置通過霍爾傳感進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電樞電流變化進(jìn)行障礙物判斷，將其結(jié)合以實(shí)現(xiàn)防夾功能。選取Freescale公司的MM912F634為車窗控制器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用繼電器。該方案生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、兼容性好、成本低、抗外界干擾能力強(qiáng)，解決了安全隱患，提高了汽車的安全性能。

1 電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)方案
    電動(dòng)車窗防夾主要是指在玻璃上升過程中，夾到障礙物達(dá)到一定程度后，車窗會(huì)自行停止。防夾區(qū)域、防夾閾值力、防夾執(zhí)行動(dòng)作，是實(shí)現(xiàn)防夾功能的3個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)FMVSS118標(biāo)準(zhǔn)可知：(1)防夾區(qū)域定義為從離門窗頂端4～200 mm的區(qū)域。(2)防夾閾值力為100 N。(3)當(dāng)遇到障礙物時(shí)，車窗電機(jī)反向，車窗玻璃下降一段距離后停止，等待用戶的進(jìn)一步指令。防夾功能只在指定的防夾區(qū)域開啟，準(zhǔn)確檢測(cè)車窗玻璃的實(shí)時(shí)位置是首要任務(wù)。
1．1 車窗玻璃位置檢測(cè)
    車窗升降方式一般分為鋼絲式和機(jī)械手臂式，論文著重針對(duì)于手臂式進(jìn)行研究。車窗的上升、下降主要通過車窗電機(jī)及機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)，機(jī)械手臂采用交叉式，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)交叉手臂的交叉角度會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而使車窗的驅(qū)動(dòng)力臂變化，最終車窗玻璃將隨著電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)升降。在車窗玻璃升降過程中，升降距離跟電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)成比例，電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，會(huì)使霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，MM912F634將霍爾脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過多次實(shí)際測(cè)量獲取參考基準(zhǔn)值，根據(jù)參考值可計(jì)算出當(dāng)前車窗玻璃的位置，同時(shí)將參考基準(zhǔn)值通過LIN總線傳到主控單元中進(jìn)行保存，車窗控制器可根據(jù)車窗玻璃當(dāng)前所處的區(qū)域判斷是否啟動(dòng)防夾功能。由于車窗結(jié)構(gòu)存在磨損，主控單元可自行對(duì)每一個(gè)車窗進(jìn)行校正。
1．2 電流檢測(cè)
    車窗電機(jī)電流檢測(cè)是檢測(cè)防夾閾值力的一個(gè)主要手段，電機(jī)電樞電流會(huì)根據(jù)負(fù)載變化而產(chǎn)生改變，電流檢測(cè)部分的關(guān)鍵是電流閾值的判斷，電流閾值的準(zhǔn)確性決定防夾系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電流的檢測(cè)往往容易受到電機(jī)啟動(dòng)、車窗機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素的干擾，檢測(cè)電流時(shí)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，保證電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。信號(hào)采集過程需要通過多次測(cè)試，以選取合適的濾波方法。
1．3 系統(tǒng)方案的確定
    車窗防夾系統(tǒng)主要包括4個(gè)子單元和一個(gè)主控單元，主控單元由控制器(MC9S12DG128)和液晶控制屏(Z2104)組成。每個(gè)子單元包含控制器(MM912F634)、位置檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過LIN總線連接到主控單元上，形成車載LIN網(wǎng)絡(luò)，駕駛員可以通過液晶控制屏對(duì)每個(gè)車窗進(jìn)行控制。每個(gè)車窗的構(gòu)成基本相同，車窗位置、閾值力均參考FMVSS118標(biāo)準(zhǔn)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 防夾系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 控制器
    設(shè)計(jì)選取兩種微處理器分別作為主控制器和子控制器，型號(hào)分別為MC9S12DG128、MM912F634，這兩款均為Freesclae公司高性能汽車電子芯片，特別是MM912F634，內(nèi)置集成穩(wěn)壓器、電流放大器、LIN物理接口、大電流高低端驅(qū)動(dòng)、溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能模塊，外圍元件較少，有利于降低成本，節(jié)省硬件體積，適用于車載電子設(shè)備，資源配置如圖2所示。液晶模塊是駕駛員與系統(tǒng)相互連接的媒介，型號(hào)為Z2104，該屏幕為電阻屏，內(nèi)置VGA控制板，與控制器通過串口進(jìn)行通信，工作電壓為12 V。主控制器可以直接通過串口讀取液晶屏觸摸信號(hào)對(duì)液晶屏幕的畫面進(jìn)行控制，將液晶屏幕的觸摸信號(hào)轉(zhuǎn)換成LIN總線指令，對(duì)子單元進(jìn)行控制，同時(shí)，也能將車窗的狀態(tài)反饋給駕駛員。

2．2 車窗玻璃位置檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)
    霍爾傳感器是電動(dòng)車窗系統(tǒng)的主要信號(hào)采集元件。英飛凌公司的TLE4923霍爾傳感器，輸出的脈沖信號(hào)無(wú)需額外復(fù)雜的整形電路，輸出端(OUT)經(jīng)過無(wú)源低通濾波器，直接連到MM912F634的PTB0，PTB0為定時(shí)器的一個(gè)捕捉通道，可直接對(duì)霍爾傳感器的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，霍爾脈沖采集原理如圖3所示。

2．3 電流檢測(cè)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)
    電機(jī)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車窗升降的執(zhí)行器，每個(gè)車窗均配有一個(gè)直流電機(jī)，通過機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)車窗自行升降，電機(jī)驅(qū)動(dòng)可采用兩種方式：一種采用MOSFET搭制的H橋電路，成本較高但性能穩(wěn)定；另一種采用繼電器控制，成本較低且控制簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)出于成本的考慮，選用繼電器控制方式，型號(hào)為松下公司的ACT212，MM912F634集成了高低端驅(qū)動(dòng)器，可直接對(duì)ACT212進(jìn)行控制，無(wú)需外搭繼電器驅(qū)動(dòng)電路，具體原理結(jié)構(gòu)圖如圖4上部分所示。

    相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，車窗玻璃在上升過程中，遇到障礙物的瞬間，電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)突然增大。因此，電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率對(duì)障礙物較靈敏。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩卻不易測(cè)量。根據(jù)直流電機(jī)的特性，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化會(huì)引起電樞電流的變化，電樞電流的變化能夠間接地反應(yīng)車窗的運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)電樞電流進(jìn)而確定電動(dòng)車窗的閾值力。論文采用直接測(cè)量方式，將一段康銅絲串入電機(jī)回路，康銅絲具有較低的電阻溫度系數(shù)，較寬的使用溫度范圍，加工方便，具有良好的焊接性能，可根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況進(jìn)行調(diào)整阻值大小，一般范圍為0～15 mΩ。電流檢測(cè)基本原理如圖4所示。
    根據(jù)電路理論可得
   
    電機(jī)電樞電流經(jīng)過康銅絲轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大直接接入。MM912F634的A／D通道，MM912F634的A／D轉(zhuǎn)換精度為10位，由式(1)可得A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果uAD(t)
   
    由式(2)可知，直流電機(jī)的電樞電流與A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果uAD(t)之間是線性關(guān)系，因此，電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩與A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間也是線性關(guān)系，選擇A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的變化率作為障礙物檢測(cè)的判斷指標(biāo)是合理的。MM912F634對(duì)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定當(dāng)前的車窗運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行車窗的智能防夾，同時(shí)與主控單元進(jìn)行總線通信，隨時(shí)發(fā)送子系統(tǒng)狀態(tài)。

3 防夾系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)主要包括主控和子單元兩部分，為增強(qiáng)主控的拓展性，主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將μC-OSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)移植到MC9S12DG128中，每個(gè)車窗防夾為系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)，同時(shí)車身的其他控制也可以以任務(wù)的形式添加到主控系統(tǒng)之中。每個(gè)子系統(tǒng)采用中斷的方式進(jìn)行檢測(cè)、控制，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性。
    由于MM91217634沒有集成E2PROM，車窗的閾值電流Ion、車窗位置計(jì)數(shù)值count，均需要通過LIN總線發(fā)送到主控單元中進(jìn)行保存，在上電啟動(dòng)時(shí)，需要通過LIN總線去讀取車窗位置、主控的觸摸輸入，控制ACT212實(shí)現(xiàn)車窗的升降，在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)對(duì)電樞電流進(jìn)行采集，與閾值電流進(jìn)行比較，同時(shí)要確定車窗的位置是否在防夾區(qū)域內(nèi)，由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電樞的瞬時(shí)電流可能會(huì)高于閾值電流，在啟動(dòng)檢測(cè)電流時(shí)，需要一定的時(shí)間延時(shí)。若車窗的電流>Ion，車窗又在防夾區(qū)域內(nèi)，則控制繼電器實(shí)施防夾。在車窗升降的過程中，MM912F634需要對(duì)霍爾脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)量車窗位置，在防夾過程結(jié)束后，子控制器需要將當(dāng)前的車窗狀態(tài)參數(shù)通過LIN總線反饋給主控器并進(jìn)行顯示，子系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
    完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)校正，測(cè)試出系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，然后進(jìn)行整體的防夾功能檢測(cè)。圖6所示為車窗在上升過程中，由電樞電流轉(zhuǎn)變的電壓變化曲線，在啟動(dòng)時(shí)，電樞電流會(huì)有個(gè)瞬時(shí)增高，經(jīng)過一段時(shí)間平穩(wěn)后，車窗遇到了障礙物，電樞電流已超過閾值電流，并持續(xù)了一段時(shí)間，當(dāng)車窗進(jìn)入到防夾區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)防夾功能將車窗關(guān)閉，此時(shí)電流為零。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)防夾功能。

5 結(jié)束語(yǔ)
    闡述了電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過霍爾傳感器、電流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車窗智能防夾功能，并將其接入LIN網(wǎng)絡(luò)，通過主控液晶進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，提高了系統(tǒng)的集成度、降低了成本、方便駕駛員控制。通過安全實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)防夾功能。