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Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．５　Ｍａｖ　２０１２　科技通报　ＢＵＬＬＥＴＩＮ　０Ｆ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ　第２８卷第５期　２０１２年５月　汽车ＣＡＮ总线电动车窗控制系统的应用　王　义　，邱云峰　（１．贵州师范大学物理与电子科学学院，贵州贵阳５５０００１；２．贵州大学理学院，贵州贵阳５５００２５）　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总线；电动车窗；无传感器；车窗防夹；电子控制单元　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—７１１９（２０１２）０５—０１１２—０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＡＮ　Ｂｕｓ　ｉｎ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｗｉｎｄｏｗ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＷＡＮＧ　Ｙｉ　，ＱＩＵｙｕｎｆｅｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ　５５０００１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ　５５０００２５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｉｒｉｎｇ　ｈａｒｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｅｃｌｉｎｉｎｇ　ｃｏｓｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｗｉｎｄｏｗ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ＰＩＣ１８Ｆ２５８　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ＣＡＮ　ｂｕｓ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ．Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｓａｍｐｌｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ，ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｊｕｄｇｅｄ　ｗｈｅｔｈｅｒ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｗｉｎｄｏｗ　ｍｅｅｔｓ　ａ　ｂａｒｒｉｅｒ，ｔｈｕｓ　ｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ—ｐｉｎｃｈ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｎｄｏｗ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｉｎｔ—ｔｏ—ｐｏｉｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅ　ｂｕｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｒｅｄｕｅｅｓ　ｔｈｅ　ｗｉｒｉｎｇ　ｈａｒｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｃｏｓｔ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｒｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｆａｓｔ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｏｐｅｒａｔｅ　ｎｏｒｍａｌｌｙ，ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｌｏｗ　ｃｏｓｔ，ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｍａｉｎｔａｉｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＡＮ　ｂｕｓ；ｐｏｗｅｒ　ｗｉｎｄｏｗ；ｗｉｔｈｏｕｔ　ｓｅｎｓｏｒ；ｃａｒ　ｗｉｎｄｏｗ　ａｎｔｉ—ｐｉｎｃｈ；ＥＣＵ　０　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　的动力性和舒适性，同时也增加了车身的布线难　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（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）总线　将这些控制设备联系起来，该技术具有结构紧　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　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、　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　收稿日期：２０１１－１０—１２　８２５２７等芯片Ⅲ　采用此类芯片的设计方案不利　基金项目：贵州省科技厅工业攻关资助项目（黔科合ＧＹ字［２００８］３０２３）　作者简介：王义（１９５７一），男，教授，博士，主要研究方向：控制理论与控制工程，汽车电子。　
第５期　王义等．汽车ＣＡＮ总线电动车窗控制系统的应用　１ｌ３　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　３。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。　１　电动车窗控制系统通信网络的构成　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。　／＾＼／＾、　左后门车窗电机　左前门车窗电机　主　窗　升　降　开　关　曼　三堡　［　垄堕　鳖　ＣＡＮ—Ｂｕｓ　ＰＣＡ８２Ｃ２５０　６Ｎ１３７　ＰＩＣ１８Ｆ２５８　ＢＴＳ７９６０Ｂ　图１　电动车冒ＣＡＮ总线网络结构图　Ｆｉｇ．１　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｗｉｎｄｏｗｓ　ＣＡＮ　ｂｕｓ　ｍｅｔｗｏｒｋ　ｓｆｎｅｃｔｕｒｅ　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Ｍｉ—　ｃｒｏｃｈｉｐ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。　一车窗升降开关一　■　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　　一鼹　一　和Ｈ桥集成ＩＣ驱动。本系统采甩两个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），一　　正常工作电流可达４３Ａ，具有过压欠压、过温、过　鼹　一　如　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２５　ｋＨｚ，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１　ｋｉ２　图２车窗电机驱动电路　Ｆｉｇ．２　Ｗｉｎｄｏｗ　ｍｏｆｏｒ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　
１　１４　科技通报　第２８卷　采样电阻，Ｃ１、Ｃ２为去耦电容，滤除高频干扰。ｕｌ　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　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Ｇｅｎｅｒａｌ　端应与小信号地端分开。此车窗电机驱动电路结　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司生产的高速逻辑门输ｊＬ｛＿｛光电耦合　器６Ｎ１３７，它的最大传输延迟时间是７５　ｎｓ．典型　构简单，可靠性高，进一步提高了整个车窗控制　器的可靠性　３　ＣＡＮ控制器硬件电路设计　对电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。　ＰＩ（Ｉ￣ＦＩ￥１１　图３　ＰｌＣｌ８Ｆ２５８通信系统电路原理图　Ｆｉｇ．３　ＣＡＮ　ｂｕｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｉａｇｒａｍ　ＰＩＣ１８Ｆ２５８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　不同的丁作方式即高速、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　值是４６　ｎｓ，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ｌ２　Ｖ．采样电阻２０　ｍＱ实验条件　下车窗上升遇到阻力时的电机电流的波形。　２５　—２０　《　Ｉ５　避；　ｌ０　５　图４车冒上升过程中遇到障碍时电流波形　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｗｈｅｎ　ｗｉｎｄｏｗ　ｍｅｅｔ　ｏｂｓｔａｃｌｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｒｉｓｅ　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３ｌ。但是，仅仅依靠电机电流这一个参　
第５期　王义等．汽车ＣＡＮ总线电动车窗控制系统的应用　１ｌ５　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＿。　／　』　ＲＢ　ＲＢ３为ｃＡＮ接口ｌ　设置接收、发送控制寄存器ｌ　ｌ　’　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　．　设置配置模式　设置标准模式　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　＼　苎　／　Ｙ　一　窗从开始运行一直上升到顶部所用的时间为　，　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Ｓ幽　，　然后通过算法求出在一段固定时间　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　（ｔ）（ｔｏ＜ｔ＜ｔ　），可求出在固定时间短　Ｔｓ＝ｔ，一ｔ。内电机电流曲线Ｉ（ｔ）下与该矩形所围成　ｒ　的面积：ｓ＝Ｊ［，（　）一　（　）］ｄｔ。如果此时，ｔ＜Ｔ且有　ｔ０　Ｓ＞Ｓ　，则可判定车窗受阻。通过调节车窗受堵时　的面积阈值Ｓ　的大小，可调节上升防夹力的大小。　５　车窗控制单元的软件设计　软件设计是系统设计的关键。使用开发软件　ＭＰＬＡＢ　ＩＤＥ．仿真器ＩＣＤ２。以及灵活简便的Ｃ语　言可以很容易的实现控制单元的软件设计¨５］。为　了提高可靠性和可理解性。采用模块化程序设计　思想，把整个程序分为４个部分：（１）主程序。包　括系统初始化程序和监控程序；（２）ＣＡＮ通信程　序。包括报文发送程序、报文接收程序和ＣＡＮ出　错管理程序等；（３）外围接口程序。主要包括一些　外围接口芯片的驱动程序、开关信号识别程序、　对接收到的报文进行分析的程序和显示程序等：　（４）中断服务调用程序。其中ＣＡＮ接口的初始化　程序设计是一个重点，如果设计的不好，系统将　不能正常工作。ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机的ＣＡＮ接口初　始化首先要在配置模式下将控制寄存器、状态寄　存器、波特率寄存器、Ｉ／Ｏ控制寄存器、接收掩码　寄存器和滤波寄存器按照系统要求设置好，以保　证ＣＡＮ总线的畅通。初始化程序流程图如图５所　示［　设置波特率　设置发送标识符、　长度、数据寄存器　设置接收寄存器和　接收屏蔽寄存器　（初始化、配制结　　ｌ图５初始化流程图　Ｆｉｇ．５　Ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｌｏｗ　ｄｉａｇｒａｍ　６　结束语　网络化控制是现代汽车电子控制的发展趋　势。相对于传统的控制方式，采用ＣＡＮ总线的电　动车窗控制系统可以减少车内的线束。同时可以　通过软件编程在不改变原有网络硬件结构的前　提下。增加许多功能。ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机内部集成　了ＣＡＮ控制器，可以在线编程。用该芯片设计而　成的电动车窗控制系统性能稳定、工作可靠，经　实际装车试验，系统的各项功能都得到了很好的　实现，为系统的产业化实施奠定了基础。　参考文献：　［１］　王黎明，夏立，邵英．ＣＡＮ现场总线系统的设计与应用　『Ｍ］．电子工业出版社，２００８．３　『２１马伟泽，张申科，江宏杰．采用霍尔传感器的汽车电动　车窗防夹设计［Ｊ］．汽车工程，２００８，３０（１２）：１１２２—１１２４　ｆ３］王华平．基于低速ＣＡＮ总线的电动车车门控制系统的　研制［Ｄ］．天津工业大学硕士学位论文，２００４（１２）：ｌ９—　２１　［４］刘晓明，邵亚辉，吴浩威，仲元红．无传感器汽车车窗防　夹设计［Ｊ］．微电机，２００７（４）：４８—４９　［５］　Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｂａｒｎｅｔｔ，Ｌａｒｒｙ　０’Ｃｕｌ１．Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｃ　Ｐｒｏｇｒａｍ—　ｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　ＰＩＣ［Ｍ］．Ｔｈｏｍｓｏｎ　ｌｅａｒｎｉ２００４　［６］Ｄａｉ