摘  要： 提出了一種采用LIN作總線為控制網(wǎng)絡(luò)的電動車窗設(shè)計,，通過駕駛員側(cè)主節(jié)點對4個車窗從節(jié)點進行升降集中控制。闡述了車窗升降的工作模式和功能需求,，給出了硬件和軟件設(shè)計方案,。通過使用邏輯分析儀測試，車窗控制模塊的通信要求達到了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),。
關(guān)鍵詞： LIN總線,；電動車窗；PIC16F887

    車窗控制系統(tǒng)是汽車的重要組成部分,，傳統(tǒng)的車窗控制采用的是線束控制,，較為簡單，并且線束和相關(guān)的設(shè)備都比較龐大,。為了擺脫這種局面,，汽車電子技術(shù)逐步向整車集成電子化、智能化方向發(fā)展,，而總線式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)正是目前汽車網(wǎng)絡(luò)控制所采用的主要方式,。
    根據(jù)美國SAE（汽車工程師協(xié)會）劃分的汽車數(shù)據(jù)傳輸分類，汽車車窗控制系統(tǒng)屬于A類的面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò),。數(shù)據(jù)傳輸位速率通常只有1 b/s～10 kb/s,。而在這種速率上采用LIN總線方式的網(wǎng)絡(luò)控制，正好可以滿足其要求,，并且LIN總線能節(jié)省大量的線束,、便于維護和實現(xiàn)汽車診斷功能。本文提出了一種將LIN總線運用到車窗控制系統(tǒng)中的設(shè)計方案,，并給出系統(tǒng)硬件及軟件的實現(xiàn)方法,。
1 車窗控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計
    本設(shè)計主要實現(xiàn)4個車窗的升降功能及車窗防堵轉(zhuǎn)。駕駛員側(cè)車窗開關(guān)總成可以控制全車4個車窗的手動升降和自動升降,，駕駛員側(cè)車窗安全鎖開關(guān)可以使能或禁止其他車窗的升降,，其他3個車窗的分開關(guān)也可以控制各自車窗的升降。
    車窗控制系統(tǒng)采用了LIN總線構(gòu)建的控制網(wǎng)絡(luò),，并按照LIN2.0協(xié)議規(guī)范來編寫控制程序,。網(wǎng)絡(luò)框架如圖1所示。一個駕駛員側(cè)主節(jié)點通過LIN總線和4個車窗從節(jié)點進行通信,，通信速率為19 200 b/s,，4個車窗從節(jié)點上帶有電機驅(qū)動電路,，可以驅(qū)動車窗電機的運行。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    從LIN總線的通信方式來說,，對硬件的要求并不高,，它由基于UART接口的低成本硬件實現(xiàn)，幾乎所有的微控制器都具有LIN通信的條件,，但對于芯片的選擇還需要考慮到性價比和穩(wěn)定性,，這在實際的產(chǎn)品制造中相當(dāng)重要。
2.1 微控制器的選擇
    主節(jié)點微控制器的功能主要是對按鍵進行檢測,，并按LIN2.0協(xié)議的幀格式發(fā)送相應(yīng)控制命令，同時還需具有休眠功能,，在無操作時最大限度地節(jié)省汽車能源,。在本次設(shè)計中選擇了Microchip公司的PIC16F系列微控制器PIC16F887，具有8 KB Flash,、368 B SAM,、256 B ROM、增強型USART 模塊（支持RS-485,、RS-232和LIN 2.0,，自動波特率檢測，遇到起始位時自動喚醒）,、節(jié)能休眠模式,。其抗干擾能力完全能在汽車復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作[1]。
    從節(jié)點選用PIC16F883,，其主要性能和PIC16F887相同,，片內(nèi)容量和引腳數(shù)要少于PIC16F887，為28個引腳,，不過能滿足從節(jié)點車窗控制的要求,。
2.2 LIN通信接口及電源系統(tǒng)
    LIN總線驅(qū)動電路采用了Microchip公司的MCP2021，該器件遵循LIN1.3,、LIN2.0和2.1總線規(guī)范,，并符合SAE J2602規(guī)范。寬供電電壓,，連續(xù)情況下可為6.0 V～18.0 V,，擴展的溫度范圍為-40 ℃~+125 ℃，可以與標(biāo)準(zhǔn)的UART器件接口,。MCP2021內(nèi)部包含一個電壓調(diào)整電路,，在溫度范圍內(nèi)，可輸出電壓為5.0 V,，50 mA電源,，誤差為±3%,。穩(wěn)壓器采用LDO設(shè)計，具有短路保護功能,，在輸出電壓降到3.5 V以下時將關(guān)閉輸出,。MCP2021還具有熱關(guān)斷保護功能。經(jīng)過特別設(shè)計的穩(wěn)壓器可在汽車環(huán)境下工作,，在電池反向連接,、+43 V瞬變負載突降和雙電池啟動情況下不至毀壞[2]。
    MCP2021在單片機和LIN半雙工總線之間提供了物理接口,，它針對的是串行總線速度達20 kb/s的汽車及工業(yè)應(yīng)用,。MCP2021在單片機和串行網(wǎng)絡(luò)總線之間提供了半雙工、雙向通信接口,。將CMOS/TTL電平轉(zhuǎn)換為LIN邏輯電平,。
    LIN2.0規(guī)范要求系統(tǒng)中所有節(jié)點的收發(fā)器通過LIN引腳連接。以地為參考,，從LIN總線到供電電池間的外部終端電阻最大為510Ω,。510 Ω電阻對應(yīng) 1個主節(jié)點和 16個從節(jié)點。
    LIN接口及電源系統(tǒng)如圖2所示,。二極管D2用于防止系統(tǒng)電源反接輸入對器件產(chǎn)生的破壞,，二極管D3和電阻R31構(gòu)成上拉以滿足LIN2.0規(guī)范中對主節(jié)點的要求，從節(jié)點則不需要D3和R31構(gòu)成上拉,。24 V瞬態(tài)抑制二極管TVS3和TVS4可對器件進行保護,，C3、C4為外部電源濾波電容,，C6是負載電容,。

2.3 從節(jié)點電機驅(qū)動及A/D采樣電路
    目前汽車上的車窗電機可以采用電機驅(qū)動IC來實現(xiàn)控制，但成本相對較高,。因此,，在從節(jié)點電機驅(qū)動中采用兩個單刀雙擲繼電器組成一個閉合回路，以控制直流電機的正反轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)開閉窗操作,。具體電機驅(qū)動電路如圖3所示,。通過微控制器的RB2和RB3輸出控制信號，以導(dǎo)通三極管來推動繼電器動作實現(xiàn)開啟和閉合,。二極管D3和D4用于保護繼電器不被電感釋放的反向電流沖擊,，電阻R4為電流采樣電阻，用于車窗上升到頂或下降到底的情況下,，電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時采樣電機的堵轉(zhuǎn)電流,。微控制器通過A/D采樣值的變化量來判斷是否停止電機動作。

    圖4為從節(jié)點主控芯片的復(fù)位電路及A/D采樣電路,，電阻R1和R2為分壓電阻,，D1和D2為鉗制二極管,，將輸入電壓范圍鉗制在-0.7 V～+5.7 V，以防止芯片端口電壓過高損壞,。C6,、D9和R15構(gòu)成復(fù)位保護電路，AD IN為A/D采樣輸入通道,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計采用C語言在MPLAB集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā),，軟件的調(diào)試和下載采用ICD3下載器實現(xiàn)。
    根據(jù)實際車窗設(shè)計的要求,，其主要的功能需求如下：
    (1)車窗升降控制功能,，又分為點動和自動。
    點動：車窗升降按鍵按下時間(100 ms<t<600 ms),。
    自動：車窗升降按鍵按下時間(t>600 ms),。
    同時按下則無效，按鍵動作間隔200 ms,，若開關(guān)在電機自動運行時又發(fā)出手動信號，則電機停止,。
    (2)門窗鎖止功能,，駕駛員側(cè)門窗開關(guān)總成鎖止按鈕按下后，只有駕駛員側(cè)門窗開關(guān)總成可以控制車窗升降,，從節(jié)點不能控制升降,。
    (3)按鍵無操作時，60 s后微控制器進入休眠狀態(tài),，通過按鍵中斷喚醒微控制器,。
    其主程序流程圖如圖5所示。其中按鍵防抖采用了軟件延時的設(shè)計思想,，通過10 ms的延時時間去抖,，防止誤操作[3]。

4 傳輸信號分析
    在完成硬件及軟件的設(shè)計后,，需要對模塊的傳輸信號延時及相關(guān)的協(xié)議幀是否滿足協(xié)議規(guī)范進行分析測試,。通過邏輯分析儀對LIN總線的信號傳輸進行分析測試，如圖6所示,。
    從圖6可以看出,，其發(fā)送的信號完全是按照LIN2.0協(xié)議規(guī)范來進行的。其中幀頭部分包括了13位0的發(fā)送間隔,，0X55同步字符,，受保護標(biāo)識符0X14，幀響應(yīng)部分為數(shù)據(jù)字節(jié)和校驗和,，其響應(yīng)間隔時間滿足LIN2.0協(xié)議的規(guī)范要求[4],。

    采用LIN總線設(shè)計了車窗控制系統(tǒng),，在車窗的升降控制方面表現(xiàn)出很好的性能優(yōu)勢，完全符合汽車在復(fù)雜環(huán)境中的正常使用,，同時能節(jié)省大量的線束,，便于維護和制造?？偩€式的汽車控制網(wǎng)絡(luò)是汽車電子工業(yè)的一個發(fā)展趨勢,，在未來的汽車電子市場有很好的發(fā)展前景。
參考文獻
[1] PIC16F883/887 datasheet[A].Microchip Technology Inc.2006.
[2] MCP202X datasheet[A].Microchip Technology Inc.2009.
[3] 夏彬彬,，任明全,，屈金學(xué).PIC單片機常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[4] LIN Specification package revision 2.0,Motorola.