基于重型卡車的分布式車門控制系統(tǒng)設(shè)計

毛甲琦，鐘艷如，黃用華，孫永厚，覃松闖

（桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004）

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基于重型卡車的分布式車門控制系統(tǒng)設(shè)計

毛甲琦，鐘艷如，黃用華，孫永厚，覃松闖

（桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004）

摘要：針對重型卡車車門控制系統(tǒng)中對減少線束、降低成本和智能化控制的要求，提出了一種基于Freescale芯片的智能分布式車門控制系統(tǒng)解決方案。詳細(xì)介紹了分布式控制系統(tǒng)在車門模塊中的硬件電路設(shè)計，并給出了軟件設(shè)計思想。經(jīng)實驗表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠的實現(xiàn)預(yù)期控制效果，驗證了該控制系統(tǒng)的可行性以及智能化。

關(guān)鍵詞：分布式控制；車門控制系統(tǒng)；電機(jī)控制

汽車是現(xiàn)代化高速發(fā)展社會中人們普遍使用的交通工具，也是技術(shù)密集和資本密集的工業(yè)產(chǎn)品?，F(xiàn)代的汽車電子技術(shù)不再是簡單地對汽車中某些機(jī)械零部件進(jìn)行電子控制，而是根據(jù)汽車實際使用條件多變的需要，對汽車性能進(jìn)行優(yōu)化綜合控制[1]。目前因為控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性造成了許多車輛損毀、人員傷亡事故，控制系統(tǒng)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢。重型卡車與轎車在工作環(huán)境上有著極大的區(qū)別，重型卡車工作環(huán)境更為復(fù)雜，駕駛?cè)藛T操作習(xí)慣更為復(fù)雜，各種因素影響著車門控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這決定了電子控制單元還應(yīng)具備自學(xué)習(xí)自適應(yīng)功能，根據(jù)不同工作環(huán)境卡車車門玻璃實際的運(yùn)行情況，自動調(diào)整玻璃升降器的性能參數(shù)，從而達(dá)到適應(yīng)各種類型的車門目的。本項目針對這兩個方向進(jìn)行研制與開發(fā)。

1　系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能分布式車門網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用CAN總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整個網(wǎng)絡(luò)初步共有三個CAN節(jié)點，分別是中央控制器、左前門控制器、右前門控制器。圖1為車門控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖1　車門控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

中央控制器可接收來自EMS和ECU的信號，在接收到外部信號后，能把這些信號經(jīng)過CAN收發(fā)器通過總線傳遞給其它幾個控制器。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在控制器和收發(fā)器TJA1040之間增加了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的隔離電路[2]。

右前門控制器可以控制右前門的后視鏡、門鎖以及車窗的動作。左前門控制器除了控制左前門的后視鏡、門鎖、車窗的動作外，還有駕駛員集中控制的主控開關(guān)，可以對左右前門的后視鏡、副駕駛員側(cè)車門的車窗門鎖進(jìn)行控制，并且可以使其車門的操作開關(guān)不起作用。

在電機(jī)驅(qū)動過程中，把電流值適時地轉(zhuǎn)換成電壓信號反饋給控制器，可用來判斷電機(jī)工作中的位置以及故障情況。電動車窗系統(tǒng)主要由車窗、電動機(jī)、電動玻璃升降器、ECU和開關(guān)等組成。通過對開

關(guān)信號的采集，經(jīng)過門窗控制器的處理，通過驅(qū)動芯片的作用能改變電動機(jī)的電流方向來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)車窗的升降。電動玻璃升降器在按動相應(yīng)開關(guān)后可使相應(yīng)的升降器自動上升或下降，自動上升還未到頂時有防夾反轉(zhuǎn)；防夾手功能即在玻璃升到中途遇到障礙物時會反轉(zhuǎn)下降至底部，以防止夾傷用戶，而在玻璃運(yùn)動到上止點時，又會關(guān)緊玻璃，停止電機(jī)運(yùn)行。后視鏡的背后裝有三組電動機(jī)和驅(qū)動器，可以操縱其上下、左右運(yùn)動或折疊操作。當(dāng)在霧天或雨天行駛時，可能會造成駕駛員對側(cè)后方的視線不清。采用加熱除霜裝置，駕駛員可方便開啟加熱除霜按鈕進(jìn)行除霜以保證駕駛的安全性。

2　硬件設(shè)計

汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件設(shè)計的總體要求是系統(tǒng)要簡潔、易實現(xiàn)、穩(wěn)定可靠和具有較好的通用性，在可能的情況下盡量降低成本。

2.1系統(tǒng)基本構(gòu)成

中央處理器：本系統(tǒng)中所選取的中央處理器為Freescale公司的MC9S12XS128芯片，該芯片可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，是適用于汽車的專用芯片，內(nèi)含128kB閃存的16位微處理器，其內(nèi)部集成了CAN的控制器[3]。該芯片中所嵌入的MSCAN模塊設(shè)計符合CAN2.0A/B協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，選用此控制器作為中央控制器，無論在硬件設(shè)計還是在軟件編程上都比較簡單方便，而且在可靠性和抗干擾方面都有一定的優(yōu)勢。CAN總線收發(fā)器選用的TJA1040是PHILIPS公司的CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差分發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。它與J1939標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，有三種不同的工作方式，即高速、斜率控制和待機(jī)，可根據(jù)實際情況選擇。

2.2硬件電路設(shè)計電路設(shè)計

主要分兩部分：一是控制器的設(shè)計；二是每個車門單元對相應(yīng)電機(jī)驅(qū)動部分的設(shè)計。中央處理器通過PTC0和PTC1這兩個引角收發(fā)CAN信號。由于CAN總線的多主機(jī)工作方式，中央控制器以及每個車門單元的控制器電路設(shè)計基本相同。電機(jī)驅(qū)動部分MC33486驅(qū)動門鎖和車窗電機(jī)，其原理圖如圖2所示。MOTO0+和MOTO0-分別接在電機(jī)的兩端，通過控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)就可以達(dá)到控制車窗升降的目的。選用的MC33486為H橋雙高端開關(guān)驅(qū)動芯片，芯片具有連續(xù)10 A電流輸出的能力，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)的電流值，能夠完成電機(jī)的控制和實現(xiàn)車窗堵轉(zhuǎn)和防夾功能。輸出具有對地短路、對電池短路、負(fù)載短路、過電壓、欠電壓、過熱以及交叉導(dǎo)通等故障的保護(hù)功能。電路板如圖3所示。

圖2　車門車窗驅(qū)動電路原理圖

圖3　玻璃升降器控制電路板

使用L9949作為后視鏡電機(jī)的功率驅(qū)動芯片，一個負(fù)載能力為6 A的全橋驅(qū)動后視鏡折疊電機(jī)，三個負(fù)載能力為1.6 A的半橋使后視鏡上下或左右轉(zhuǎn)動。另有一個6 A的高端輸出實現(xiàn)加熱除霜功能[4]。其原理圖如圖4所示。

圖4　后視鏡驅(qū)動電路原理圖

3　軟件設(shè)計

本設(shè)計所需實現(xiàn)的功能是各節(jié)點發(fā)送接收數(shù)據(jù)，由CodeWarrior編寫。軟件主要由主程序、系統(tǒng)初試化子程序、中斷服務(wù)子程序、A/D采樣子程序和電機(jī)控制子程序等構(gòu)成。主程序完成數(shù)據(jù)的處理和收發(fā)。軟件主要由主程序、系統(tǒng)初試化子程序、中斷服務(wù)子程序、A/D采樣子程序、門鎖控制子程序、電機(jī)控制子程序和后視鏡控制子程序等構(gòu)成。

左前門單元是所有控制單元中最復(fù)雜的單元，它不僅要接收多個按鍵和多個狀態(tài)信息的輸入，而且還要控制所有的門鎖電機(jī)、車窗電機(jī)以及后視鏡的動作。因為左前門控制器單元最具有代表性，把它作為研究的重點。

左前門控制器單元的軟件主要由主程序、系統(tǒng)初試化子程序、中斷服務(wù)子程序、A/D采樣子程序、門鎖控制子程序、電機(jī)控制子程序和后視鏡控制子程序等構(gòu)成。其中左前門控制器單元主程序流程圖如圖5所示。

圖5　左前門控制器單元主程序流程圖

初始化時，對電機(jī)堵轉(zhuǎn)的最大電流和車窗防夾算法的最大積分值進(jìn)行標(biāo)定，實際上就是在系統(tǒng)第一次運(yùn)行時，通過使電機(jī)自動往復(fù)運(yùn)行幾次（本系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中運(yùn)行了5次），將幾次運(yùn)行過程中電流的最大值作為電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流，同時還需要將防夾積分值進(jìn)行標(biāo)定，然后將標(biāo)定值寫入EPROM.這樣，在此后的運(yùn)行過程中，只需將EPROM中的標(biāo)定值與實際運(yùn)行值比較，按照相應(yīng)的算法即可實現(xiàn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)與車窗防夾功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)自適應(yīng)不同車門玻璃升降器的功能。

4　系統(tǒng)調(diào)試與實驗

首先，控制左右車鎖執(zhí)行開啟動作，這時，左右車門同時進(jìn)入可開關(guān)狀態(tài)。進(jìn)入車內(nèi)后，可以通過按下或提起左右車門的中央門鎖開關(guān)控制車鎖的鎖定或開啟。當(dāng)任何一個車門處于打開狀態(tài)時，中央門鎖系統(tǒng)不可鎖定任何一個車門。

當(dāng)駕駛員側(cè)車門控制器單元，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，后視鏡進(jìn)入可操作狀態(tài)。當(dāng)后視鏡的選擇開關(guān)處于選定左側(cè)后視鏡時，向前、后、左、右扳起后視鏡旋轉(zhuǎn)開關(guān)可以使左側(cè)后視鏡進(jìn)行上（下、左、右）轉(zhuǎn)動，松開開關(guān)，后視鏡停止轉(zhuǎn)動；向左（右）扳動后視鏡折疊開關(guān)可以使左側(cè)后視鏡進(jìn)行折疊轉(zhuǎn)動，松開開關(guān)，后視鏡停止折疊運(yùn)動；當(dāng)后視鏡的選擇開關(guān)處于選定右側(cè)后視鏡時，向前（后、左、右）扳起后視鏡旋轉(zhuǎn)開關(guān)可以使右側(cè)后視鏡進(jìn)行上（下、左、右）轉(zhuǎn)動，松開開關(guān)，后視鏡停止轉(zhuǎn)動；向左（右）扳動后視鏡折疊開關(guān)可以使右側(cè)后視鏡進(jìn)行折疊轉(zhuǎn)動，松開開關(guān)，后視鏡停止折疊運(yùn)動；按動加熱按鈕，可對當(dāng)前選定鏡片進(jìn)行加熱除霜。

在運(yùn)行狀態(tài)下，拉起或按下對應(yīng)側(cè)車門的車窗控制開關(guān)超過1 s，玻璃升降器進(jìn)入手動模式，車窗進(jìn)行上升或下降至預(yù)期位置；松開開關(guān)，車窗停止動作；拉起或按駕駛員側(cè)車門的車窗控制開關(guān)迅速（不超過一秒鐘）松開，玻璃升降器進(jìn)入自動模式，車窗將自動上升至車窗上限位或自動下降至車窗下限位；在車窗自動上升運(yùn)行的過程中，如果人的手、頭或其他物體阻擋了車窗，車窗將停止上升動作并自動下降至車窗下限位處停止。

圖6為實驗室調(diào)試系統(tǒng)場景，圖7中的波形圖是車窗電機(jī)在上升過程中的電流曲線，圖8中的波形圖是車窗電機(jī)在下降過程中的電流曲線，圖9中的波形圖是車窗上升過程中在有阻尼但未達(dá)到最大值情況下的電流曲線。

圖6　實驗室調(diào)試系統(tǒng)

圖7　車窗電機(jī)上升過程電流曲線

圖8　車窗點擊下降過程電流曲線

圖9　車窗電機(jī)有阻尼狀態(tài)下上升過程電流曲線

經(jīng)過不斷的調(diào)試和測試，最終整個系統(tǒng)工作正常，性能良好，滿足本次設(shè)計的功能要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙鵬舒，王旭東.基于CAN總線的車門控制系統(tǒng)設(shè)計[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2008，13（1）:77-80.

[2]沈會，徐青菁，葉子晟，等.基于CAN總線的電動車窗控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2011，45（12）:84-86.

[3]張薇，王旭.基于CAN總線監(jiān)控模塊設(shè)計與實現(xiàn)[J].裝備制造技術(shù)，2015，（12）:41-44.

[4]張昱，魯睿婷，唐厚君，等.基于CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)的車門控制系統(tǒng)[J].電氣自動化，2013，35（3）:36-38.

中圖分類號:TP336

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0086-04

收稿日期：2016-01-11

作者簡介：毛甲琦（1991-），男，安徽淮北人，在讀碩士研究生，研究方向：汽車電子。

Design of Distributed Door Control System based on Heavy Truck

MAO Jia-qi，ZHONG Yan-ru，HUANG Yong-hua，SUN Yong-hou，QIN Song-chuang
（Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract:According to the requirement of reducing wiring harness，lower cost and intelligent control in the vehicle door control system，a new intelligent distributed door control system based on Freescale chip is proposed. This paper introduces the hardware circuit design of the distributed control system in the car door module，and gives the design idea of the software.The experimental results show that the system can achieve accurate and reliable expected control effect，and it verify the feasibility and intelligent of the control system.

Key words:distributed control；vehicle door control system；motor control