基于CAN控制器P8xC591和傳感器實(shí)現(xiàn)車窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

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(yīng)用廣泛，汽車控制正由機(jī)電控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向以分布式網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的智能化系統(tǒng)。CAN總線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(yīng)用。作為目前最具應(yīng)用潛力的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，CAN總線技術(shù)為我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)、降低成本，擴(kuò)大市場(chǎng)占用率提供支持。

現(xiàn)在各中高檔轎車都安裝有電動(dòng)車窗，按鈕控制車窗玻璃的升降。如果車窗無(wú)智能，司機(jī)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，乘客容易被車窗夾傷。為了安全，很多乘車都采用電動(dòng)防夾車窗。在充分研究有關(guān)CAN總線在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用和電動(dòng)車窗防夾方案的基礎(chǔ)上，提出一種基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)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。

2、 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2．1 CAN總線通信實(shí)現(xiàn)原理

CAN總線屬于多路復(fù)用總線的一種，最早是由德國(guó)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(shù)，多主方式工作。直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，通信速率最高可達(dá)1 Mb／s，幀消息采用CRC校驗(yàn)和其他檢錯(cuò)措施，具有自動(dòng)關(guān)閉錯(cuò)誤嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)功能。CAN節(jié)點(diǎn)通過(guò)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，不同優(yōu)先級(jí)滿足不同實(shí)時(shí)要求，節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的總線以報(bào)文為單位傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的訪問(wèn)采用位仲裁方式。報(bào)文起始發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符分為功能標(biāo)識(shí)符和地址標(biāo)識(shí)符。CAN總線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分為不帶微控制器的非智能節(jié)點(diǎn)和帶微控制器的智能節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，轎車車窗按CAN總線結(jié)構(gòu)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(gè)節(jié)點(diǎn)單元。其中左前節(jié)點(diǎn)為主控制單元，除負(fù)責(zé)本地（左前）車窗的升降，還可以遠(yuǎn)程控制其他車窗。各節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立的帶CAN功能的微控制器設(shè)計(jì)，其CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．2 車窗的智能控制

電動(dòng)車窗系統(tǒng)每個(gè)車門都有一個(gè)車窗玻璃升降機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)的手搖機(jī)構(gòu)相似，只不過(guò)是采用直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)尺寸非常小，可以安裝在車門里面，并且?guī)в幸惶?u>減速機(jī)構(gòu)，用來(lái)增加輸出扭矩、減小輸出轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向（即車窗的上下移動(dòng)）通過(guò)改變輸入電壓的極性來(lái)實(shí)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(gè)小阻值（約1Ω）的電阻作為電流傳感器，傳感電阻與電機(jī)串聯(lián)，其壓降與電機(jī)的工作電流成正比，通過(guò)檢測(cè)電阻兩端的電壓檢測(cè)流過(guò)電機(jī)的電流。在傳感電阻上的電壓未到達(dá)設(shè)定的閾值前，電機(jī)一直工作，一旦傳感器的壓降達(dá)到閾值。電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)車窗位置。如果車窗位置未達(dá)到最終位置。說(shuō)明車窗遇到障礙，車窗將自動(dòng)退回初始位置。如果車窗到達(dá)行程終點(diǎn)，電機(jī)電路斷開(kāi)。為了完成該操作控制，需要實(shí)時(shí)控制車窗位置，為此在車窗導(dǎo)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(lái)判斷車窗是否到達(dá)預(yù)先設(shè)的極限位置。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了在正常情況下實(shí)現(xiàn)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(xiǎn)逃生等）時(shí)司機(jī)能夠控制車窗的強(qiáng)制關(guān)閉或打開(kāi)。系統(tǒng)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)單元都有3個(gè)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(gè)2值信號(hào)開(kāi)關(guān)；K2暫停／恢復(fù)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(yùn)動(dòng)；K3模式選擇按鍵，其默認(rèn)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(jí)，用于快速設(shè)定車窗上升或下降。主控節(jié)點(diǎn)單元即左前節(jié)點(diǎn)單元，除負(fù)責(zé)本地車窗的升降外，還控制所有節(jié)點(diǎn)單元的車窗同步動(dòng)作，在前3個(gè)控制按鍵基礎(chǔ)上，增加了本地／全局控制模式按鍵K4，默認(rèn)為本地控制模式，按鍵后切換控制模式。以主控節(jié)點(diǎn)單元按鍵動(dòng)作說(shuō)明車窗的智能控制過(guò)程，其結(jié)構(gòu)邏輯如圖2所示。

3、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)左前節(jié)點(diǎn)單元除具有全局控制外，其余節(jié)點(diǎn)單元只負(fù)責(zé)控制本地車窗，硬件設(shè)計(jì)僅多一個(gè)按鍵K4，主要在于軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制電路不僅支持節(jié)點(diǎn)單元間的CAN總線通信，還要檢測(cè)壓電傳感器和負(fù)載電流等模擬量，判斷各種邏輯，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器實(shí)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(diǎn)單元主控制器。P8xC591采用強(qiáng)大的80C51指令集；內(nèi)部集成有SJAl000 CAN控制器的PeliCAN功能；全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴(kuò)展的節(jié)電方式：振蕩器停止和恢復(fù)而不丟失數(shù)據(jù)；改進(jìn)的1：l內(nèi)部時(shí)鐘分頻器在12 MHz外部時(shí)鐘頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)500ns指令周期。

控制器P8xC2591讀取按鍵信息，驅(qū)動(dòng)車窗電機(jī)按預(yù)先編制的軟件指令運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的輸出電壓和負(fù)載電流，作為車窗在上升（下降）過(guò)程中與障礙物夾持時(shí)的邏輯判斷，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為了防止車窗玻璃上升到頂部或下降到底部時(shí)，電動(dòng)機(jī)受到?jīng)_擊堵轉(zhuǎn)而降低電動(dòng)車窗機(jī)械的使用壽命，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)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(jī)的電源使其停止工作，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的慣性使玻璃上升（下降）到頂（底）部。

各節(jié)點(diǎn)單元相關(guān)命令和狀態(tài)通過(guò)CAN控制器以報(bào)文格式由CAN總線完成與其他節(jié)點(diǎn)單元信息間的傳輸和共享。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)單元硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用汽車電子專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MC33486。該器件帶有兩個(gè)雙高端開(kāi)關(guān)和兩個(gè)預(yù)驅(qū)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(xù)輸出10 A的電流。同時(shí)能夠采集電機(jī)電流，利用它反饋給單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換采樣模塊得到電機(jī)電流值，完成電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)車窗堵轉(zhuǎn)和防夾功能。系統(tǒng)通過(guò)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(hào)。

4、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)目主要包括CAN控制器初始化、節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收?qǐng)?bào)文和主控程序3個(gè)模塊。

4．1 CAN控制器初始化

CAN控制器上電或硬件復(fù)位后必須初始化，包括操作模式、驗(yàn)收濾波器、總線位定時(shí)、中斷和配置TXDC輸出引腳。

4．2 節(jié)點(diǎn)發(fā)送／接收?qǐng)?bào)文

報(bào)文的發(fā)送由CAN控制器遵循CAN協(xié)議規(guī)范自動(dòng)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(bào)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(qǐng)求標(biāo)志，發(fā)送處理可通過(guò)中斷請(qǐng)求或查詢狀態(tài)標(biāo)志進(jìn)行控制。其發(fā)送程序分發(fā)送遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀兩種，遠(yuǎn)程幀無(wú)數(shù)據(jù)場(chǎng)。

報(bào)文的接收程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收以及總線關(guān)閉、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等其他情況處理。報(bào)文的收發(fā)主要有中斷接收方式和查詢接收方式。軟件設(shè)計(jì)采用報(bào)文接收的查詢中斷控制方式和報(bào)文發(fā)送的中斷控制方式。報(bào)文的發(fā)送／接收程序流程如圖4所示。

4．3 主控程序

在各車窗節(jié)點(diǎn)單元中，左前節(jié)點(diǎn)單元功能最復(fù)雜，具有最高控制優(yōu)先權(quán)。這里以左前節(jié)點(diǎn)單元為例，詳細(xì)介紹其主控程序設(shè)計(jì)。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(shí)模塊、看門狗模塊、A／D轉(zhuǎn)換器模塊和設(shè)置全局變量，還要將電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的最大電流和車窗到頂（底）時(shí)傳感器的電壓閾值寫入EPROM。P8xC591將實(shí)測(cè)電流與EPROM中的標(biāo)定值比較，實(shí)現(xiàn)防夾功能，比較電壓閾值與測(cè)得的傳感器電路電壓值判斷車窗到達(dá)極限位置。初始化完成后，讀取組合按鍵信息，根據(jù)按鍵動(dòng)作實(shí)施具體操作，同時(shí)發(fā)送CAN報(bào)文，完成各節(jié)點(diǎn)單元間的CAN通信和智能化控制。圖5為左前節(jié)點(diǎn)單元主控程序流程。

5 、系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)和功能

電動(dòng)車窗控制系統(tǒng)除了具有車窗自動(dòng)上升、下降和手動(dòng)暫停、恢復(fù)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(shù)不受限制；從車窗上極限下沿40mm往下，車窗上極限上沿40 mm往上的區(qū)間為防夾區(qū)間：在室溫（22±5）℃、80 mΩ的線間電阻、15 V的工作電壓，以10 N／mm的測(cè)量儀測(cè)量時(shí)，玻璃上升的防夾力小于100 N。

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

（4）電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能對(duì)電動(dòng)機(jī)采取保護(hù)措施，提高電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)車窗系統(tǒng)的使用壽命。在電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)的250 ms內(nèi)，控制單元切斷電動(dòng)機(jī)電源，電動(dòng)機(jī)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(jī)的初始溫度定為80℃；如果初始化，則電動(dòng)機(jī)初始溫度定為160~C。正常情況下，如果電動(dòng)機(jī)溫度達(dá)到170℃，則輸入的指令無(wú)效，一旦電動(dòng)機(jī)溫度降低后就恢復(fù)功能；如果電動(dòng)機(jī)溫度到190℃，則立即停止電動(dòng)機(jī)的工作，一旦電動(dòng)機(jī)溫度降低后就恢復(fù)功能。

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

（6）系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)軟件抗干擾以其設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省硬件資源、成本低等優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)嵌入看門狗，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

6、 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)單元以P8xC591單片機(jī)為核心，將車窗電機(jī)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(shí)現(xiàn)分布式控制。與傳統(tǒng)汽車電器手動(dòng)操作和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式互聯(lián)方式相比．采用CAN總線技術(shù)，布線明顯減少，車身系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高，更易于維護(hù)。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)車窗電機(jī)的電流實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車窗的防夾功能，并針對(duì)人身安全隱患設(shè)計(jì)了強(qiáng)制車窗“動(dòng)作”功能，使整車的智能化、人性化和安全性得到進(jìn)一步提高。目前，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)已在國(guó)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(qiáng)的可移植性和可擴(kuò)展性，同樣也適用于汽車電氣系統(tǒng)的智能化升級(jí)，開(kāi)發(fā)其他功能更為強(qiáng)大的CAN總線智能產(chǎn)品。