1、個人資料整理僅限學習使用汽車 CAN 總線電動車窗控制系統的應用指導教師： xxx摘要： 為了減少汽車控制系統線束和降低成本，提出了以集成CAN 控制器的 PIC18F258 單片機為核心，設計而成的汽車電動車窗控制系統，給出了系統主要硬件結構和軟件設計流程并通過對時間和采樣電流的處理，判斷車窗是否遇到障礙物，從而實現車窗的防夾功能。相對于傳統的點對點控制方式，不僅減少了車內的線束、降低成本，而且控制靈活、實時性強。實驗表明，該系統工作正常、性能可靠，具有低成本、低功耗和易于維修等優點。b5E2RGbCAP關鍵詞 ：CAN 總 , 電動車窗 , 無傳感器 , 車窗防夾 , 電子控制單元, 汽車

2、車載系統引言隨著超大規模集成電路技術的發展和嵌入式微處理器<MCU）在現代汽車上的廣泛應用，汽車上由電子控制單元<ECU）控制的電器設備越來越多，如電子燃油噴射裝置<EFI ）、防抱死制動裝置<ABS）、防滑控制裝置<ARS）、安全氣囊裝置<SRS）、電動門窗裝置、GPS 導航定位系統，主動懸架系統以及照明控制、車載電話、音響、DVD、儀表管理等。電器設備的增加極大地提高了汽車的動力性和舒適性，同時也增加了車身的布線度和成本，降低了汽車的可靠性。因此，現在很多汽車都采用了CAN<Controller Area Network）總線將這些控制設備聯系起來

3、，該技術具有結構緊湊、可靠性高、功能完善和成本低的優點，能夠很好地滿足汽車特殊工作的要求。在CAN 系統設計中，使用最多的是單片機外掛獨立的CAN 控制器，如 Philips公司的 PCA82C200、 SJA1000 以及 Intel公司的 82526、 82527等芯片 1。采用此類芯片的設計方案不利于系統集成化。本文以Microchip公司的內部集成CAN 模塊 PIC18F258 單片機為核心，介紹 CAN 總線電動車窗控制系統的硬件電路結構及軟件程序設計流程。在電動車窗的防夾控制方面，目前國內外大都是在車門的車窗電機上安裝霍爾傳感器來實現電動車窗防夾的 2。本文提出一種時間與積分電流

4、相結合的雙重防夾判別方法，可提高系統的可靠性、降低誤判率，較好地解決了電動車窗的防夾問題。難隨著汽車行業的的迅猛發展和家庭汽車的普遍化，人們的日常出行越來越多的使用汽車代步。為方便駕駛員而設計的車載信息系統的重要性也越來越大，車載信息系統的開發也逐漸的成為了汽車車載系統領域的熱點技術。p1EanqFDPw1 電動車窗控制系統通信網絡的構成目前，絕大多數車用總線都被SAE(Society ofAutomotive Engineers美國汽車工程師協會>下屬的汽車網絡委員會按照協議劃分為 A， B， C，D四類： A類是面向傳感器或執行器管理的低速網絡，它傳輸數據的位速率通常小于 10KB

5、s主要用于調整后視鏡、，電動窗和燈光照明等設備，以LIN(LocalInterconnect Network本地互聯網 >為代表； B類是面向獨立控制模塊中信息共享的中速網絡，位速率一般在10KB s 125KB s之間，主要用于車身電子的舒適性模塊和顯示儀表等設備中，以低速容錯 CAN(Controller Area Network控制器局域網 >為代表； C類是面向閉環實時控制的多路傳輸高速網絡，位速率多在125KB s-IMB s之間主要服務于動力傳動系統，以高速CAN為代表； D類網絡則是面向多媒體設備，高數據流傳輸的高性能網絡，位速率一般在2MB s以上，主要用于液晶顯示

6、等設備，以 MOST(Media Oriented SystemsTransport面向媒體的系統傳輸網>為代表【 I 引。就目前車用總線的主流而言，由CAN規范所衍生出來的B類 ( 低速容錯 CAN>和 C類 ( 高速 CAN>車用總線系統覆蓋了汽車中絕大部分可以用到網絡的范圍，而且由于CAN總線的網絡特性與節點成本等特性在汽車行業中受到了人1 / 8個人資料整理僅限學習使用們的青睞 Il4 。 1989年， Intel公司率先開發出CAN總線協議控制器芯片。隨后CAN總線技術逐漸的應用于各行各業，比如汽車制造生產行業。如今，世界上一些著名的汽車制造廠商，如奔馳、寶馬、保時

7、捷和美洲豹等都采用了CAN總線來實現汽車內部的控制系統和各檢測和執行模塊間的數據通信。目前為止，世界上已經擁有20多家 CAN總線控制器芯片生產商，僅在歐洲地區銷售的帶有CAN的器件數量就過億件【 15】。 CAN總線己被公認為最有前途的現場總線之一。DXDiTa9E3d而電動車窗控制系統通信網絡共有4 個 CAN 節點電子控制器，分別是：左前門主控制器、右前門子控制器、左后門子控制器、右后門子控制器。采用CAN 總線通信技術可以實現四個車門控制器之間的通信，如圖 1 所示。 RTCrpUDGiT圖 1 電動車窗 CAN 總線網絡結構圖操作主控制器除了可以控制駕駛員側的車窗玻璃升降外，還可以通

8、過CAN 總線控制其余乘客側的車窗玻璃的升降，同時子控制器也可控制各自位置車窗玻璃的升降。主控制器由Microchip 公司的內部集成了 CAN 模塊的 PIC18F258 單片機、 6N137 高速光電耦合器、PCA82C250 總線收發器等三個主要部分所組成。考慮到設計成本和軟件編程的方便性，子控制器選用了與主控制器相同的芯片，且具有相同的硬件電路結構。5PCzVD7HxA2 功率驅動芯片及其應用電路車窗電機驅動方式目前主要是利用繼電器和H 橋集成 IC 驅動。本系統采用兩個Infineon 公司的BTS7960B 半橋功率驅動芯片組成一個H橋來驅動車窗電機。BTS7960B 為半橋結構，

9、芯片內部有一個高端 MOSFET 驅動管和一個低端MOSFET 驅動管，直流工作電壓范圍廣<043V ），正常工作電流可達 43A ，具有過壓欠壓、過溫、過流、負載短路保護功能，工作時自身功耗小，使用溫度范圍廣，具有很強的抗電磁干擾能力。PWM 輸出頻率可達 25 kHz ，可以很容易的實現車窗電機PWM 軟啟動，提2 / 8個人資料整理僅限學習使用高電機壽命。該器件性能完善，可以減小電動車窗控制器的體積，提高EMS 特性。 jLBHrnAILg下圖 2 為基于 CAN 總線技術電動車窗控制器中電機驅動電路。在圖2 中U2 、U3 分別為汽車專用半橋驅動芯片 BTS7960B 。 BTS

10、7960B 的OUT 為高端輸出引腳，直接驅動車窗電機。INH 、 IN 為MOSFET 管開關控制引腳，兼容TTL 電平可以直接與微控制器輸出引腳相連，當INH 為高電平 IN 為低電平時低端 MOSFET 管導通，當 INH 、 IN 都為高電平時高端MOSFET 管導通。 IS 為負載電流鏡像輸出端，利用 IS 端的電流鏡像功能可方便地實現過流保護和車窗的防夾功能。R3 為 1 k 采樣電阻，C1、 C2 為去耦電容，濾除高頻干擾。 U1 為 Microchip 公司的 PIC18F258 微控制器。為了減小電源間的相互干擾，車窗電機驅動電路的低端應與小信號地端分開。此車窗電機驅動電路結

11、構簡單，可靠性高，進一步提高了整個車窗控制器的可靠性。xHAQX74J0X圖 2 車窗電機驅動電路Fig2 Window mofor drive circuit3 CAN 控制器硬件電路設計汽車上各種儀器根據功能、車身位置和數據傳輸速率等組成各個車身子網( 信息娛樂子網；動力傳動子網；車身電子子網；故障診斷子網>，然后各個子網通過網關并聯組成了整體車身網絡。可以看到CAN總線的網絡覆蓋范圍較其他總線更廣。隨著CAN總線技術的進步，高速CAN總線網絡的發展，當高速 CAN總線技術的傳輸速率可以適用f 信息娛樂子網時，汽車內部網絡只需要增設高低速CAN驅動轉換功能就可實現車輛整體信息的 CA

12、N總線網絡控制。隨著人們對汽車各方面提出更高的要求和汽車制造業的各種技術不斷的提高和發展，車載網絡的市場規模必然會不斷的發展壯大。就目前而言，市場上不可能在短時間內出現一套統一的解決方案能完全滿足人們針對車載網絡在性能成本上所提的一切要求。車載總線領域仍將長期保持目前這種多協議規范互相競爭共存的態勢，甚至還會出現在同_二國際標準下并存有多種兼容總線的格局。相比國外的汽車生產行業，國內對車載總線的研究還處于發展階段，車載總線技術方面并未形成較為完善的系統，圍繞車載總線技術的相關汽車電子產品也比較缺乏，現有的相關應用技術遠遠落后于國外同行業ll訓。部分汽車總線的重要技術只能采用國外的現有技術，從而

13、3 / 8個人資料整理僅限學習使用限制了我國汽車行業的發展速度，使我國汽車行業處在一個較弱勢的地位。因此，在國內汽車行業蓬勃發展的今天，加大車載總線技術方面的研發力度，多自主創造符合國際總線技術類的產品，不僅能從根本上提升我國汽車行業的高端產品研發能力，還對我國發展高端汽車電子相關技術有著重要的意義，從而從根本上提升我國汽車行業的整體實力。LDAYtRyKfE而動車窗控制器硬件電路設計的總體要求是系統簡單、容易實現、性能穩定可靠，在滿足要求的情況下盡量降低成本。CAN 通信系統硬件電路主要由3 部分組成： PIC18F258 單片機、 6N137 高速光電耦合器、 PCA82C250 總線收發

14、器。電路原理如圖3 所示。 Zzz6ZB2Ltk圖3 PIC18F258 通信系統電路原理圖Fig 3 CAN bus communication system circuit diagramPIC18F258 是美國 Microchip 公司生產的內部嵌有CAN 總線控制器的高性能PIC 系列單片機，由于其超小型、低功耗、低成本、多品種的特點，其應用范圍十分廣泛。PCA82C250 是 Philips 公司的CAN 總線接口芯片， 是 CAN 控制器與物理總線之間的接口，提供對總線的差分發送和接收的能力，它與 ISO11898 標準完全兼容，有 3 種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機，可

15、以根據實際情況加以選擇，在本方案中選擇高速工作方式。該芯片引腳少，使用簡單。CAN 總線采用 PCA82C250 芯片作為與總線之間的接口， PCA82C250的 CANH、CANL 的引腳各自通過一個電阻與 CAN 總線相連， 電阻可以起到一定的限流作用，保護PCA82C250 免受過流的沖擊。另外，CANH和 CANL 與地之間并聯兩個小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的能力。并聯兩個穩壓二極管可以防止CAN 總線因電磁干擾或其他原因產生的瞬間高壓脈沖燒毀CAN 收發器。光電耦合器采用的是GeneralInstrument公司生產的高速邏輯門輸出光電耦合器6N137，它的最大

16、傳輸延遲時間是75 ns ，典型值是 46 ns ， 采用 6N137 高速光電耦合電路可以很好地實現總線上節點之間的電氣隔離。同時可提高系統的抗干擾能力和傳輸信號的能力。使用時，光電耦合器的兩個電源VCC 和VCC必須采用電源隔離電路進行完全隔離。 dvzfvkwMI14 無傳感器防夾功能的實現由于電動車窗的防夾功能只是在車窗自動上升的過程中才發揮作用，在其他情況下<自動下降、手動上升、手動下降）不需要防夾。因此，需要研究電動車窗在上升階段的電機電流特性。在車窗上升運動的過程中，車窗的電機電流在不同階段表現的特征是不同的，圖4給出了車窗上升過程中工作電壓 12 V ，采樣電阻 20 m

17、 實驗條件下車窗上升遇到阻力時的電機電流的波形。rqyn14ZNXI4 / 8個人資料整理僅限學習使用圖 4 車窗上升過程中遇到障礙時電流波形Fig 4 The current waveform when window meet obstacleEmxvxOtOco during rise從圖中可以看出，車窗在上升過程中遇到阻力時直流電機的運行電流將增大<圖3 中的 A、B、C 三點）且電流的大小與所受到的阻力成正比關系<A 點阻力 B 點阻力 C 點阻力）；電機在啟動時有一較大的瞬間脈沖電流，車窗到頂后有一很大的堵轉電流，堵轉電流大于啟動時的脈沖電流。由此可見，車窗電機工作電流的

18、變化能夠反映出車窗的運動狀況，可作為判斷車窗是否受到阻力的依據 3。但是，僅僅依靠電機電流這一個參數是不能區分檢測到的是車窗運行過程中的防夾電流還是車窗運行到頂時的堵轉電流，容易產生誤判 4。為了減少誤判，提高系統的穩定性和可靠性可以采用時間判別法和積分判別法來增強判斷的準確性，降低誤判率。時間判別法的主要依據是車窗從開始運行一直上升到頂和車窗在上升過程中遇到阻力所需要的時間是不同的，假設車窗從開始運行一直上升到頂部所用的時間為 T， SixE2yXPq5車窗上升運行的時間為t 。當 t T 時車窗上升到頂并且電機遇堵；而當t T 時，車窗上升且有可能遇到阻力。積分判別法首先是用通過多次實驗取

19、平均值的方法求出車窗受堵時的面積閾值Sobst ，然后通過算法求出在一段固定時間TS內電機電流曲線下的面積S， 并利用該面積作為判斷依據的方法。例如，在圖 3 中的 A 點矩形框下的最小電流值為Imin <t） <t0<t<t1），可求出在固定時間短TS t1 t0 內電機電流曲線I<t ）下與該矩形所圍成的面積：S t1t0乙 I<t ） Imin<t ） dt 。如果此時， t<T且有 S Sobst ，則可判定車窗受阻。通過調節車窗受堵時的面積閾值Sobst 的大小，可調節上升防夾力的大小。6ewMyirQFL5 車窗控制單元的軟件設計基于

20、 CAN總線的車身信息檢測系統的信息采集由多個檢測模塊共同完成，檢測模塊的設計是基于采樣對象的特點來進行的，采用的傳感技術和傳感器都有相應的針對性，因而各模塊之間的硬件電路設計大都不相同。影響車輛長時間行車的因素眾多，本系統從中選擇了幾個較為重要的，設計了相應的車身信息檢測模塊，分別為電池電量檢測模塊、雙電池隔離模塊、水位檢測模塊、溫度檢測模塊和濕度檢測模塊。 kavU42VRUs但是系統設計的關鍵。使用開發軟件MPLAB IDE ，仿真器 ICD2 ，以及靈活簡便的C 語言可以很容易的實現控制單元的軟件設計5。為了提高可靠性和可理解性，采用模塊化程序設計思想，把整個5 / 8個人資料整理僅限

21、學習使用程序分為 4 個部分： <1）主程序。包括系統初始化程序和監控程序；<2 ） CAN 通信程序。包括報文發送程序、報文接收程序和CAN 出錯管理程序等；<3）外圍接口程序。主要包括一些外圍接口芯片的驅動程序、開關信號識別程序、對接收到的報文進行分析的程序和顯示程序等；<4）中斷服務調用程序。其中 CAN 接口的初始化程序設計是一個重點，如果設計的不好，系統將不能正常工作。PIC18F258 單片機的 CAN 接口初始化首先要在配置模式下將控制寄存器、狀態寄存器、波特率寄存器、 I/O 控制寄存器、接收掩碼寄存器和濾波寄存器按照系統要求設置好，以保證CAN 總線的

22、暢通。初始化程序流程圖如圖5 所示 6 y6v3ALoS896 結束語網絡化控制是現代汽車電子控制的發展趨勢。相對于傳統的控制方式，采用CAN 總線的電動車窗控制系統可以減少車內的線束。同時可以通過軟件編程在不改變原有網絡硬件結構的前提下，增加許多功能。 PIC18F258 單片機內部集成了 CAN 控制器，可以在線編程。用該芯片設計而成的電動車窗控制系統性能穩定、工作可靠，經實際裝車實驗，系統的各項功能都得到了很好的實現，為系統的產業化實施奠定了基礎。 M2ub6vSTnP參考文獻 ： 1王黎明，夏立，邵英 . CAN 現場總線系統的設計與應用 M . 電子工業出版社， 2008， 3 2馬

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25、，IEEE Press Piscataway， 2009： 242-245 TIrRGchYzgApplication of CAN Bus in Automobile Power Window Control7EqZcWLZNXSystemFangFkeng(School of Physics and Electrical Engineering of AnqingNormalCollege, Anqing 24601>lzq7IGf02EAbstract ： Aimed at the demand of reducing the wiring harness and declining cost in the automobile control system ， electr