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時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),，以其高性能和高可靠性在自動控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。作為目前最具應(yīng)用潛力的現(xiàn)場總線之一,，CAN總線技術(shù)為我國汽車產(chǎn)業(yè)升級,、降低成本，擴大市場占用率提供支持,。

　　現(xiàn)在各中高檔轎車都安裝有電動車窗,，按鈕控制車窗玻璃的升降。如果車窗無智能,，司機在沒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)計方案,，實現(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10 km，通信速率最高可達1 Mb／s,，幀消息采用CRC校驗和其他檢錯措施,，具有自動關(guān)閉錯誤嚴(yán)重的節(jié)點功能。CAN節(jié)點通過報文的標(biāo)識符濾波實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,，不同優(yōu)先級滿足不同實時要求,，節(jié)點數(shù)取決于總線驅(qū)動電路，通信介質(zhì)可為雙絞線,、同軸電纜或光纖,，選擇靈活。報文采用短幀結(jié)構(gòu),，傳輸時間短,，受干擾概率低，保證數(shù)據(jù)出錯率極低,。汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的總線以報文為單位傳輸數(shù)據(jù),，節(jié)點對總線的訪問采用位仲裁方式。報文起始發(fā)送節(jié)點標(biāo)識符分為功能標(biāo)識符和地址標(biāo)識符。CAN總線系統(tǒng)節(jié)點分為不帶微控制器的非智能節(jié)點和帶微控制器的智能節(jié)點,。該系統(tǒng)采用智能節(jié)點設(shè)計,，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個節(jié)點單元,。其中左前節(jié)點為主控制單元，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)點采用獨立的帶CAN功能的微控制器設(shè)計，其CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

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

　　2．2 車窗的智能控制

　　電動車窗系統(tǒng)每個車門都有一個車窗玻璃升降機構(gòu),，與傳統(tǒng)的手搖機構(gòu)相似，只不過是采用直流永磁電機驅(qū)動,。電機尺寸非常小,，可以安裝在車門里面，并且?guī)в幸惶诇p速機構(gòu),，用來增加輸出扭矩,、減小輸出轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)動方向（即車窗的上下移動）通過改變輸入電壓的極性來實現(xiàn),，車窗升降速度取決于輸入電壓的大小,。

　　系統(tǒng)使用一個小阻值（約1Ω）的電阻作為電流傳感器，傳感電阻與電機串聯(lián),，其壓降與電機的工作電流成正比,，通過檢測電阻兩端的電壓檢測流過電機的電流。在傳感電阻上的電壓未到達設(shè)定的閾值前,，電機一直工作,，一旦傳感器的壓降達到閾值。電機停止轉(zhuǎn)動,，檢測車窗位置,。如果車窗位置未達到最終位置。說明車窗遇到障礙,，車窗將自動退回初始位置,。如果車窗到達行程終點，電機電路斷開,。為了完成該操作控制,，需要實時控制車窗位置，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)生的電壓來判斷車窗是否到達預(yù)先設(shè)的極限位置,。

　　該系統(tǒng)設(shè)計除了在正常情況下實現(xiàn)自動防夾功能,，還要求在突發(fā)事件（如歹徒搶劫或乘客遇險逃生等）時司機能夠控制車窗的強制關(guān)閉或打開。系統(tǒng)對每個節(jié)點單元都有3個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2值信號開關(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)運動；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,，用于快速設(shè)定車窗上升或下降,。主控節(jié)點單元即左前節(jié)點單元，除負(fù)責(zé)本地車窗的升降外,，還控制所有節(jié)點單元的車窗同步動作,，在前3個控制按鍵基礎(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)點單元按鍵動作說明車窗的智能控制過程,，其結(jié)構(gòu)邏輯如圖2所示,。

　　3、 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)左前節(jié)點單元除具有全局控制外,，其余節(jié)點單元只負(fù)責(zé)控制本地車窗,，硬件設(shè)計僅多一個按鍵K4，主要在于軟件設(shè)計,。該系統(tǒng)設(shè)計的控制電路不僅支持節(jié)點單元間的CAN總線通信,，還要檢測壓電傳感器和負(fù)載電流等模擬量，判斷各種邏輯,，通過驅(qū)動器實現(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)點單元主控制器,。P8xC591采用強大的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),；改進的1：l內(nèi)部時鐘分頻器在12 MHz外部時鐘頻率時實現(xiàn)500ns指令周期,。

　　控制器P8xC2591讀取按鍵信息，驅(qū)動車窗電機按預(yù)先編制的軟件指令運行,，同時監(jiān)測傳感器的輸出電壓和負(fù)載電流,，作為車窗在上升（下降）過程中與障礙物夾持時的邏輯判斷,，然后驅(qū)動電機。為了防止車窗玻璃上升到頂部或下降到底部時,，電動機受到?jīng)_擊堵轉(zhuǎn)而降低電動車窗機械的使用壽命,，該系統(tǒng)設(shè)計具有軟停止功能，并且手動或自動上升,、下降時都有此功能,。當(dāng)玻璃上升（下降）快到頂（底）部時，在上升軟停止點切斷電動機的電源使其停止工作,，通過電動機的慣性使玻璃上升（下降）到頂（底）部,。

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

　　電機驅(qū)動電路采用汽車電子專用的電機驅(qū)動器MC33486,。該器件帶有兩個雙高端開關(guān)和兩個預(yù)驅(qū)動低端開關(guān)，其低端開關(guān)可外接兩個MOSFET管,，可連續(xù)輸出10 A的電流,。同時能夠采集電機電流，利用它反饋給單片機A／D轉(zhuǎn)換采樣模塊得到電機電流值,，完成電機控制,，實現(xiàn)車窗堵轉(zhuǎn)和防夾功能。系統(tǒng)通過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,。

　　4,、 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計目主要包括CAN控制器初始化、節(jié)點發(fā)送接收報文和主控程序3個模塊,。

　　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、驗收濾波器,、總線位定時,、中斷和配置TXDC輸出引腳。

　　4．2 節(jié)點發(fā)送／接收報文

　　報文的發(fā)送由CAN控制器遵循CAN協(xié)議規(guī)范自動完成,。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文,，進入CAN控制發(fā)送緩沖器中，并置位命令寄存器中的發(fā)送請求標(biāo)志,，發(fā)送處理可通過中斷請求或查詢狀態(tài)標(biāo)志進行控制,。其發(fā)送程序分發(fā)送遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀兩種，遠(yuǎn)程幀無數(shù)據(jù)場,。

　　報文的接收程序負(fù)責(zé)節(jié)點報文的接收以及總線關(guān)閉,、錯誤報警,、接收溢出等其他情況處理。報文的收發(fā)主要有中斷接收方式和查詢接收方式,。軟件設(shè)計采用報文接收的查詢中斷控制方式和報文發(fā)送的中斷控制方式,。報文的發(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)點單元中,，左前節(jié)點單元功能最復(fù)雜,，具有最高控制優(yōu)先權(quán)。這里以左前節(jié)點單元為例,，詳細(xì)介紹其主控程序設(shè)計,。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，還要將電機堵轉(zhuǎn)時的最大電流和車窗到頂（底）時傳感器的電壓閾值寫入EPROM,。P8xC591將實測電流與EPROM中的標(biāo)定值比較,，實現(xiàn)防夾功能，比較電壓閾值與測得的傳感器電路電壓值判斷車窗到達極限位置,。初始化完成后,，讀取組合按鍵信息，根據(jù)按鍵動作實施具體操作,，同時發(fā)送CAN報文,，完成各節(jié)點單元間的CAN通信和智能化控制。圖5為左前節(jié)點單元主控程序流程,。

　　5 ,、系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)和功能

　　電動車窗控制系統(tǒng)除了具有車窗自動上升、下降和手動暫停,、恢復(fù)功能外,，還有以下功能：

　　（1）防夾功能 初始化后,，手動和自動上升時都具有防夾功能,，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的測量儀測量時,，玻璃上升的防夾力小于100 N。

　?。?）省電模式 在輸入信號消失120 ms后,。且電動機溫度接近室溫25℃時，系統(tǒng)自動進入省電模式．靜態(tài)電流小于300μA,。當(dāng)電動機控制單元一旦得到輸入指令就被喚醒,。

　　（3）軟停止功能 上升軟停止點為上極限位置約2 mm處,，下降軟停止點為下極限位置上約12 mm處,。

　　（4）電動機保護功能對電動機采取保護措施,，提高電動機和電動車窗系統(tǒng)的使用壽命,。在電動機堵轉(zhuǎn)的250 ms內(nèi)，控制單元切斷電動機電源,，電動機停止工作,。在控制單元接通電源后，如果沒有初始化,，則電動機的初始溫度定為80℃,；如果初始化，則電動機初始溫度定為160~C,。正常情況下,，如果電動機溫度達到170℃，則輸入的指令無效,，一旦電動機溫度降低后就恢復(fù)功能,；如果電動機溫度到190℃，則立即停止電動機的工作,，一旦電動機溫度降低后就恢復(fù)功能,。

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

　?。?）系統(tǒng)抗干擾設(shè)計技術(shù)軟件抗干擾以其設(shè)計靈活、節(jié)省硬件資源,、成本低等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用,。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計嵌入看門狗，進一步提高系統(tǒng)的可靠性,。

　　6,、 結(jié)語

　　設(shè)計了基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統(tǒng),，節(jié)點單元以P8xC591單片機為核心，將車窗電機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)，實現(xiàn)分布式控制,。與傳統(tǒng)汽車電器手動操作和點對點式互聯(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)簡單,，系統(tǒng)可靠性高,，更易于維護。同時,，系統(tǒng)通過監(jiān)測車窗電機的電流實現(xiàn)電動車窗的防夾功能,，并針對人身安全隱患設(shè)計了強制車窗“動作”功能，使整車的智能化,、人性化和安全性得到進一步提高,。目前，該系統(tǒng)設(shè)計已在國內(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的可移植性和可擴展性,，同樣也適用于汽車電氣系統(tǒng)的智能化升級，開發(fā)其他功能更為強大的CAN總線智能產(chǎn)品,。