汽车CAN总线电动车窗控制系统的应用

汽车CAN总线电动车窗控制系统的应用指导教师：xxx摘要：为了减少汽车控制系统线束和降低成本，提出了以集成CAN控制器的PIC18F258单片机为核心，设计而成的汽车电动车窗控制系统，给出了系统主要硬件结构和软件设计流程并通过对时间和采样电流的处理，判断车窗是否遇到障碍物，从而实现车窗的防夹功能。相对于传统的点对点控制方式，不仅减少了车内的线束、降低成本，而且控制灵活、实时性强。试验表明，该系统工作正常、性能可靠，具有低成本、低功耗和易于维修等优点。关键词：CAN总,电动车窗,无传感器,车窗防夹,电子控制单元,汽车车载系统引言随着超大规模集成电路技术的发展和嵌入式微处理器（MCU）在现代汽车上的广泛应用，汽车上由电子控制单元（ECU）控制的电器设备越来越多，如电子燃油喷射装置（EFI）、防抱死制动装置（ABS）、防滑控制装置（ARS）、安全气囊装置（SRS）、电动门窗装置、GPS导航定位系统，主动悬架系统以及照明控制、车载电话、音响、DVD、仪表管理等。电器设备的增加极大地提高了汽车的动力性和舒适性，同时也增加了车身的布线度和成本，降低了汽车的可靠性。因此，现在很多汽车都采用了CAN（ControllerAreaNetwork）总线将这些控制设备联系起来，该技术具有结构紧凑、可靠性高、功能完善和成本低的优点，能够很好地满足汽车特殊工作的要求。在CAN系统设计中，使用最多的是单片机外挂独立的CAN控制器，如Philips公司的PCA82C200、SJA1000以及Intel公司的82526、82527等芯片［1］。采用此类芯片的设计方案不利于系统集成化。本文以Microchip公司的内部集成CAN模块PIC18F258单片机为核心，介绍CAN总线电动车窗控制系统的硬件电路结构及软件程序设计流程。在电动车窗的防夹控制方面，目前国内外大都是在车门的车窗电机上安装霍尔传感器来实现电动车窗防夹的［2］。本文提出一种时间与积分电流相结合的双重防夹判别方法，可提高系统的可靠性、降低误判率，较好地解决了电动车窗的防夹问题。难随着汽车行业的的迅猛发展和家庭汽车的普遍化，人们的日常出行越来越多的使用汽车代步。为方便驾驶员而设计的车载信息系统的重要性也越来越大，车载信息系统的开发也逐渐的成为了汽车车载系统领域的热点技术。1电动车窗控制系统通信网络的构成目前，绝大多数车用总线都被SAE(SocietyofAutomotiveEngineers美国汽车工程师协会)下属的汽车网络委员会按照协议划分为A，B，C，D四类：A类是面向传感器或执行器管理的低速网络，它传输数据的位速率通常小于10KB／s．主要用于调整后视镜、，电动窗和灯光照明等设备，以LIN(LocalInterconnectNetwork本地互联网)为代表；B类是面向独立控制模块中信息共享的中速网络，位速率一般在10KB／s～125KB／s之间，主要用于车身电子的舒适性模块和显示仪表等设备中，以低速容错CAN(ControllerAreaNetwork控制器局域网)为代表；C类是面向闭环实时控制的多路传输高速网络，位速率多在125KB／s-IMB／s之间主要服务于动力传动系统，以高速CAN为代表；D类网络则是面向多媒体设备，高数据流传输的高性能网络，位速率一般在2MB／s以上，主要用于液晶显示等设备，以MOST(MediaOrientedSystemsTransport面向媒体的系统传输网)为代表【I引。就目前车用总线的主流而言，由CAN规范所衍生出来的B类(低速容错CAN)和C类(高速CAN)车用总线系统覆盖了汽车中绝大部分可以用到网络的范围，而且由于CAN总线的网络特性与节点成本等特性在汽车行业中受到了人们的青睐Il4。。1989年，Intel公司率先开发出CAN总线协议控制器芯片。随后CAN总线技术逐渐的应用于各行各业，比如汽车制造生产行业。如今，世界上一些著名的汽车制造厂商，如奔驰、宝马、保时捷和美洲豹等都采用了CAN总线来实现汽车内部的控制系统和各检测和执行模块间的数据通信。目前为止，世界上已经拥有20多家CAN总线控制器芯片生产商，仅在欧洲地区销售的带有CAN的器件数量就过亿件【15】。CAN总线己被公认为最有前途的现场总线之一。而电动车窗控制系统通信网络共有4个CAN节点电子控制器，分别是：左前门主控制器、右前门子控制器、左后门子控制器、右后门子控制器。采用CAN总线通信技术可以实现四个车门控制器之间的通信，如图1所示。图1电动车窗CAN总线网络结构图操作主控制器除了可以控制驾驶员侧的车窗玻璃升降外，还可以通过CAN总线控制其余乘客侧的车窗玻璃的升降，同时子控制器也可控制各自位置车窗玻璃的升降。主控制器由Microchip公司的内部集成了CAN模块的PIC18F258单片机、6N137高速光电耦合器、PCA82C250总线收发器等三个主要部分所组成。考虑到设计成本和软件编程的方便性，子控制器选用了与主控制器相同的芯片，且具有相同的硬件电路结构。2功率驱动芯片及其应用电路车窗电机驱动方式目前主要是利用继电器和H桥集成IC驱动。本系统采用两个Infineon公司的BTS7960B半桥功率驱动芯片组成一个H桥来驱动车窗电机。BTS7960B为半桥结构，芯片内部有一个高端MOSFET驱动管和一个低端MOSFET驱动管，直流工作电压范围广（0~43V），正常工作电流可达43A，具有过压欠压、过温、过流、负载短路保护功能，工作时自身功耗小，使用温度范围广，具有很强的抗电磁干扰能力。PWM输出频率可达25kHz，可以很容易的实现车窗电机PWM软启动，提高电机寿命。该器件性能完善，可以减小电动车窗控制器的体积，提高EMS特性。下图2为基于CAN总线技术电动车窗控制器中电机驱动电路。在图2中U2、U3分别为汽车专用半桥驱动芯片BTS7960B。BTS7960B的OUT为高端输出引脚，直接驱动车窗电机。INH、IN为MOSFET管开关控制引脚，兼容TTL电平可以直接与微控制器输出引脚相连，当INH为高电平IN为低电平时低端MOSFET管导通，当INH、IN都为高电平时高端MOSFET管导通。IS为负载电流镜像输出端，利用IS端的电流镜像功能可方便地实现过流保护和车窗的防夹功能。R3为1kΩ采样电阻，C1、C2为去耦电容，滤除高频干扰。U1为Microchip公司的PIC18F258微控制器。为了减小电源间的相互干扰，车窗电机驱动电路的低端应与小信号地端分开。此车窗电机驱动电路结构简单，可靠性高，进一步提高了整个车窗控制器的可靠性。图2车窗电机驱动电路Fig．2Windowmofordrivecircuit3CAN控制器硬件电路设计汽车上各种仪器根据功能、车身位置和数据传输速率等组成各个车身子网(信息娱乐子网；动力传动子网；车身电子子网；故障诊断子网)，然后各个子网通过网关并联组成了整体车身网络。可以看到CAN总线的网络覆盖范围较其他总线更广。随着CAN总线技术的进步，高速CAN总线网络的发展，当高速CAN总线技术的传输速率可以适用f信息娱乐子网时，汽车内部网络只需要增设高低速CAN驱动转换功能就可实现车辆整体信息的CAN总线网络控制。随着人们对汽车各方面提出更高的要求和汽车制造业的各种技术不断的提高和发展，车载网络的市场规模必然会不断的发展壮大。就目前而言，市场上不可能在短时间内出现一套统一的解决方案能完全满足人们针对车载网络在性能成本上所提的一切要求。车载总线领域仍将长期保持目前这种多协议规范互相竞争共存的态势，甚至还会出现在同_二国际标准下并存有多种兼容总线的格局。相比国外的汽车生产行业，国内对车载总线的研究还处于发展阶段，车载总线技术方面并未形成较为完善的系统，围绕车载总线技术的相关汽车电子产品也比较缺乏，现有的相关应用技术远远落后于国外同行业ll训。部分汽车总线的重要技术只能采用国外的现有技术，从而限制了我国汽车行业的发展速度，使我国汽车行业处在一个较弱势的地位。因此，在国内汽车行业蓬勃发展的今天，加大车载总线技术方面的研发力度，多自主创造符合国际总线技术类的产品，不仅能从根本上提升我国汽车行业的高端产品研发能力，还对我国发展高端汽车电子相关技术有着重要的意义，从而从根本上提升我国汽车行业的整体实力。而动车窗控制器硬件电路设计的总体要求是系统简单、容易实现、性能稳定可靠，在满足要求的情况下尽量降低成本。CAN通信系统硬件电路主要由3部分组成：PIC18F258单片机、6N137高速光电耦合器、PCA82C250总线收发器。电路原理如图3所示。图3PIC18F258通信系统电路原理图Fig．3CANbuscommunicationsystemcircuitdiagramPIC18F258是美国Microchip公司生产的内部嵌有CAN总线控制器的高性能PIC系列单片机，由于其超小型、低功耗、低成本、多品种的特点，其应用范围十分广泛。PCA82C250是Philips公司的CAN总线接口芯片，是CAN控制器与物理总线之间的接口，提供对总线的差分发送和接收的能力，它与ISO11898标准完全兼容，有3种不同的工作方式即高速、斜率控制和待机，可以根据实际情况加以选择，在本方案中选择高速工作方式。该芯片引脚少，使用简单。CAN总线采用PCA82C250芯片作为与总线之间的接口，PCA82C250的CANH、CANL的引脚各自通过一个电阻与CAN总线相连，电阻可以起到一定的限流作用，保护PCA82C250免受过流的冲击。另外，CANH和CANL与地之间并联两个小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和防电磁辐射的能力。并联两个稳压二极管可以防止CAN总线因电磁干扰或其他原因产生的瞬间高压脉冲烧毁CAN收发器。光电耦合器采用的是GeneralInstrument公司生产的高速逻辑门输出光电耦合器6N137，它的最大传输延迟时间是75ns，典型值是46ns，采用6N137高速光电耦合电路可以很好地实现总线上节点之间的电气隔离。同时可提高系统的抗干扰能力和传输信号的能力。使用时，光电耦合器的两个电源VCC和VCC’必须采用电源隔离电路进行完全隔离。4无传感器防夹功能的实现由于电动车窗的防夹功能只是在车窗自动上升的过程中才发挥作用，在其他情况下（自动下降、手动上升、手动下降）不需要防夹。因此，需要研究电动车窗在上升阶段的电机电流特性。在车窗上升运动的过程中，车窗的电机电流在不同阶段表现的特征是不同的，图4给出了车窗上升过程中工作电压12V，采样电阻20mΩ实验条件下车窗上升遇到阻力时的电机电流的波形。图4车窗上升过程中遇到障碍时电流波形Fig．4Thecurrentwaveformwhenwindowmeetobstacleduringrise从图中可以看出，车窗在上升过程中遇到阻力时直流电机的运行电流将增大（图3中的A、B、C三点）且电流的大小与所受到的阻力成正比关系（A点阻力＞B点阻力＞C点阻力）；电机在启动时有一较大的瞬间脉冲电流，车窗到顶后有一很大的堵转电流，堵转电流大于启动时的脉冲电流。由此可见，车窗电机工作电流的变化能够反映出车窗的运动状况，可作为判断车窗是否受到阻力的依据［3］。但是，仅仅依靠电机电流这一个参数是不能区分检测到的是车窗运行过程中的防夹电流还是车窗运行到顶时的堵转电流，容易产生误判［4］。为了减少误判，提高系统的稳定性和可靠性可以采用时间判别法和积分判别法来增强判断的准确性，降低误判率。时间判别法的主要依据是车窗从开始运行一直上升到顶和车窗在上升过程中遇到阻力所需要的时间是不同的，假设车窗从开始运行一直上升到顶部所用的时间为T，车窗上升运行的时间为t。当t≥T时车窗上升到顶并且电机遇堵；而当t≤T时，车窗上升且有可能遇到阻力。积分判别法首先是用通过多次实验取平均值的方法求出车窗受堵时的面积阈值Sobst，然后通过算法求出在一段固定时间TS内电机电流曲线下的面积S，并利用该面积作为判断依据的方法。例如，在图3中的A点矩形框下的最小电流值为Imin（t）（t0tt1），