基于CAN總線的電動(dòng)車窗控制研究

散曉燕

（寧波大紅鷹學(xué)院，寧波 315175）

0 引言

隨著消費(fèi)者對(duì)汽車功能和性能要求的日益提高，汽車的電子化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化已成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志。電子技術(shù)的迅速發(fā)展和汽車電子設(shè)備的增多，特別是微控制器進(jìn)入汽車領(lǐng)域后，大量的控制信號(hào)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)交換，這些產(chǎn)品之間的通信也變得越來(lái)越重要。CAN總線作為一種新型的串行數(shù)據(jù)通信總線，以其良好的可靠性，實(shí)時(shí)性及靈活性，給汽車帶來(lái)了劃時(shí)代的變化，各項(xiàng)性能得到全面提升。

1 CAN總線技術(shù)

對(duì)機(jī)動(dòng)車輛總線來(lái)說(shuō)，CAN總線屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范疇，它能夠以較低的成本、較高的實(shí)時(shí)處理能力在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠地工作，也因此可廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域中的過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制，特別是工業(yè)自動(dòng)化的底層監(jiān)控等等。

CAN總線以多主方式工作，它們之間的信息通過(guò)唯一的標(biāo)識(shí)符（ID）做上標(biāo)記，在CAN網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的報(bào)文分為數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀和超載幀，任何節(jié)點(diǎn)任何時(shí)刻都可以發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器，是網(wǎng)絡(luò)信息的主體。從原理和實(shí)現(xiàn)的角度，只要有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)和將它們連接成一體的通信媒體（如雙絞線）就可以構(gòu)成一個(gè)CAN總線系統(tǒng)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)通信媒體相互之間交換信息，CAN作為控制局域網(wǎng)還可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)和其它網(wǎng)如以太網(wǎng)互聯(lián)構(gòu)成大型復(fù)雜的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)完成復(fù)雜的控制功能。用CAN總線系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)，從控制的角度來(lái)看，以CAN總線為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)也可以由多個(gè)互不相關(guān)的控制回路組成，而它們共享一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)—CAN總線。從現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的概念來(lái)說(shuō)，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)都可以集成控制器，也即是智能節(jié)點(diǎn)，這樣就形成了真正分布式分散的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2 車窗電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到方便、舒適和安全性的要求，現(xiàn)代轎車普遍采用了電動(dòng)車窗系統(tǒng)，以此完成人性化的可靠的智能控制功能。

2.1 方案設(shè)計(jì)

汽車電動(dòng)車窗控制系統(tǒng)的目的是改變?cè)械能嚧翱刂频牟季€方式，使之更方便有效。這里采用電力線與信號(hào)線結(jié)合的方法，把為車窗電機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源的電力線與電源連接，由CAN總線提供電機(jī)開(kāi)關(guān)控制的信號(hào)線，CAN總線的核心是采用串行總線，在系統(tǒng)中組成一個(gè)局域網(wǎng)，PC機(jī)通過(guò)CAN適配卡連接到CAN總線上，和兩個(gè)帶有微處理器的控制單元和CAN機(jī)構(gòu)成一個(gè)CAN network，可以完成整個(gè)通信，大大地提高了信息化水平。

2.2 硬件規(guī)劃

圖1是硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)中共有六個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別是：中央控制節(jié)點(diǎn)、PC機(jī)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、左前車窗電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)、右前車窗電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)、左后車窗電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)和右后車窗電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是由單片機(jī)、SJA1000CAN控制器和82C250收發(fā)器組成。其中AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，用于進(jìn)行信息的處理與計(jì)算；SJA1000CAN控制器負(fù)責(zé)接收微處理器中的數(shù)據(jù)并傳送給CAN收發(fā)器，同時(shí)，它也用于接收收發(fā)器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理后傳給微處理器；82C250收發(fā)器是發(fā)送器和接收器的組合，負(fù)責(zé)將SJA1000提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并通過(guò)數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，同時(shí)還接收數(shù)據(jù)并傳送到CAN的終端。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 電路設(shè)計(jì)

對(duì)于電源，我們需要將蓄電池的12V轉(zhuǎn)化到5V，給需要5V電源的MCU和其他器件使用。如圖2所示，LM2576的ON/OFF和MC33486的WAKE引腳相連，外部開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)WAKE引腳為低，使LM2576恢復(fù)正常工作，當(dāng)無(wú)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，LM2576停止工作，從而減少整個(gè)節(jié)點(diǎn)的損耗。

圖2 電源設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)而言，根據(jù)其要求，結(jié)合CAN接口電路硬件設(shè)計(jì)原理，可以看出系統(tǒng)只要把各個(gè)節(jié)點(diǎn)掛到CAN總線上，系統(tǒng)就可以正常工作。82C250與CAN總線的接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。前者的CANH和CANL引腳分別通過(guò)一個(gè)5歐的限流電阻與CAN總線相連，以免受到?jīng)_擊，同時(shí)在兩腳分別并聯(lián)了小電容，用以抗干擾和防電磁輻射。對(duì)于電動(dòng)車窗最重要的部件電機(jī)如何驅(qū)動(dòng)，是本課題研究的重點(diǎn)。車窗電機(jī)的額定工作電流通常小于8A，堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)到20A，可正反轉(zhuǎn)動(dòng)，針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，這里的車窗電控系統(tǒng)使用了摩托羅拉專用于車身電子的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33486，它帶有兩個(gè)雙高端開(kāi)關(guān)和兩個(gè)預(yù)驅(qū)動(dòng)低端開(kāi)關(guān)，兩個(gè)低端開(kāi)關(guān)外接兩個(gè)MOSFET管，形成兩個(gè)全橋?qū)嚧吧惦姍C(jī)進(jìn)行正反方向的驅(qū)動(dòng)，而且能夠采集電機(jī)的電流，利用它反饋給單片機(jī)A/D采樣模塊得到電機(jī)電流值，能夠完成電機(jī)的控制和實(shí)現(xiàn)車窗堵轉(zhuǎn)和防夾功能。工作溫度范圍寬，直流脈沖寬度調(diào)節(jié)PWM頻率最高達(dá)30KHZ，額定直流工作電流10A，最大峰值電流35A，具有對(duì)地或?qū)﹄娫炊搪贰⑦^(guò)溫、過(guò)流保護(hù)功能，具有很高的實(shí)用性，電路圖如下圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè) 計(jì)與算法研究

系統(tǒng)能否正?？煽康墓ぷ鳎擞布暮侠碓O(shè)計(jì)外，還需要軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，結(jié)合硬件設(shè)計(jì)，這里的CAN通訊程序分為初始化、發(fā)送驅(qū)動(dòng)和接收?qǐng)?bào)文三部分。

3.1 程序流程

主程序往往是一個(gè)順序執(zhí)行的無(wú)限循環(huán)程序，車窗控制系統(tǒng)也不例外。程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)上電后CAN控制器得到一個(gè)復(fù)位脈沖使它進(jìn)入復(fù)位模式，運(yùn)行自己的特殊復(fù)位程序，在復(fù)位模式下對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化，包括工作模式設(shè)置、接收濾波方式設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置、接收代碼寄存器設(shè)置、接收屏蔽寄存器設(shè)置和中斷允許寄存器設(shè)置等等。初始化后，SJA1000就可以進(jìn)入到操作者模式狀態(tài)，進(jìn)行正常的通信任務(wù)。緊接著對(duì)CPU進(jìn)行初始化，設(shè)置外部中斷，判斷是發(fā)送還是接受狀態(tài)，如果AT89C51要負(fù)責(zé)判斷信號(hào)發(fā)送之后，如果沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，就可以進(jìn)行P1口的數(shù)據(jù)讀取，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的發(fā)送，而下一個(gè)控制單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)報(bào)文的接收，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)部分相互間的通信過(guò)程。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程

在系統(tǒng)第一次運(yùn)行時(shí)，讓電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行3次，將電流的最大值作為電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流，然后將防夾積分值標(biāo)定值寫(xiě)入EEPROM，以后系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，只需比較標(biāo)定值與實(shí)際運(yùn)行值，就可以判斷車窗是否夾住，然后采取相應(yīng)的措施，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)車窗防夾功能。

3.2 電流特性與算法分析

電動(dòng)玻璃升降器的一種主要形式就是使用柔韌性齒條和小齒輪，車窗連在齒條的一端，電機(jī)帶動(dòng)軸端小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒條移動(dòng)，以帶動(dòng)車窗升降。電機(jī)通過(guò)克服來(lái)自傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻力使車窗玻璃升降，一般是通過(guò)做功來(lái)反映電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的影響，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

W=W1+W2+W3+W4+W5+W6

其中各個(gè)變量占有一定的百分比。顯然在各個(gè)階段，車窗所受的阻礙是不同的，也就是說(shuō)電機(jī)電流在不同的階段表現(xiàn)出的特征是不同的，它的大小能夠反映其運(yùn)動(dòng)狀況?？傮w來(lái)說(shuō)它具有如下特性：

1）電機(jī)電流在車窗上升或下降過(guò)程中的形態(tài)不同。車窗上升過(guò)程中所需的電流在逐步增大，而下降過(guò)程電流值則比較恒定。

2）在外部阻尼不同的條件下，電機(jī)電流的變化趨勢(shì)是相同的，不同的是它要上下波動(dòng)，且波動(dòng)時(shí)間不一。

3）電源電壓對(duì)電機(jī)電流值的大小有一定的影響。

實(shí)驗(yàn)表明，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與工作電流成正比，電機(jī)的電流值完全能夠真實(shí)反映出電機(jī)的受力情況，可以作為判斷車窗是否堵轉(zhuǎn)、遇堵的主要依據(jù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)電流有很寬的工作范圍，這也就意味著電流幅值不能作為判斷車窗運(yùn)動(dòng)是否受到阻礙的依據(jù)，要實(shí)現(xiàn)車窗的防夾功能只能從對(duì)電流波形進(jìn)行相應(yīng)處理的角度考慮，通過(guò)對(duì)車窗電機(jī)受阻時(shí)電流的變化進(jìn)行分析。移動(dòng)窗口積分法就是在一段固定的時(shí)間T，內(nèi)求出電流曲線的面積S，利用該面積S作為判斷依據(jù)的方法。首先假定有一底邊固定為TS，高度可變能沿時(shí)間軸移動(dòng)的矩形框，它底邊的位置是由TS時(shí)間段內(nèi)最小的電流值確定的, 如圖中矩形框1的底邊方程I=Imin(t) (T0＜t＜T0|TS)。積分法積分所求面積S就是指電流曲線與該矩形框的底邊和兩條高三條邊所圍成的面積。

圖1中分別顯示了在遇堵、正常和邊緣這三種不同的情況下電機(jī)電流曲線與矩形框圍成的面積是S1，S2和S3?？梢钥闯?，在這三種情況中，車窗“遇堵”時(shí)面積S1比其他兩種情況的面積值(S1和S2)要大許多，驗(yàn)證了使用積分法的正確性。為求面積值S，需要做如下假設(shè)：

1）假設(shè)在TS時(shí)間段內(nèi)，電流的最小值為Im；

2）假設(shè)遇堵時(shí)，車窗電機(jī)的電流閡值為Ib；

3）假設(shè)兩次電流采樣之間的時(shí)間為Δt，由此可以得出時(shí)間T以及這段時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)n=Ts/Δt。

做了以上假設(shè)后，根據(jù)積分的定義就可以求出面積值S，即:

算出面積值S后，值與遇堵的面積值Sb相比較，當(dāng)S＞Sb，且Ic＞Ib兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)就可以斷定為車窗遇堵。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于CAN總線的汽車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)成為現(xiàn)代汽車與現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的標(biāo)志之一，相對(duì)于傳統(tǒng)的汽車系統(tǒng)布線工作量很大，故障診斷工作難度較大，可靠性，實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。CAN總線依靠其可靠性高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等特點(diǎn)成為解決這一問(wèn)題的新選擇。同時(shí)我們也應(yīng)該看到，汽車車窗控制系統(tǒng)使用CAN總線是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域，從設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，要將電路設(shè)計(jì)、硬件的布置與實(shí)驗(yàn)充分結(jié)合起來(lái)驗(yàn)證了其可行性，相信隨著這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)提高中國(guó)汽車工業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力將有重大的意義。

[1] 秦明華.汽車電器與電子技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2003.

[2] 鄔寬明.總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1996.

[3] SAE Standard.Recommended Practice for a Serial Control and Communication Vehicle Network T1939 Tussled,2000.4.

[4] 李直,黃河.CAN總線在汽車電動(dòng)車窗和集控門鎖系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2002,9.

[5] 陸前鋒,劉波,陳明昭.基于SJA1000總線智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2003,22.