基于嵌入式系統(tǒng)下汽車天窗智能控制的研究

成都信息工程大學(xué)通信工程學(xué)院 李 卓

引言

汽車天窗已經(jīng)有百年歷史，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私家車成為了居民出行時(shí)的首選交通工具，作為提高車輛舒適性的設(shè)備，汽車天窗因此得到了普及。傳統(tǒng)的汽車天窗需要依靠觸點(diǎn)開關(guān)與繼電器進(jìn)行控制，無(wú)論是在安全性還是在舒適性方面，都與消費(fèi)者的訴求相距甚遠(yuǎn)，單片機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，使得嵌入式系統(tǒng)成為了對(duì)汽車天窗進(jìn)行智能控制的主要工具，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)展開的研究，也越來(lái)越深入。本文便以此為基礎(chǔ)，圍繞著汽車天窗的智能控制展開了研究。

1 嵌入式系統(tǒng)的概述

1.1 設(shè)計(jì)原理

如果想要保證駕駛員在汽車行駛過(guò)程中的安全性，以及系統(tǒng)集成和管理的便捷性，控制天窗的按鈕就應(yīng)當(dāng)被設(shè)置在駕駛員能夠操控的范圍內(nèi)。在滿足上述要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)盡量提高汽車天窗工作具有的可靠性，并對(duì)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行異常以及正常的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，而想要達(dá)到這一目標(biāo)，還有以下幾個(gè)問(wèn)題需要解決：第一個(gè)，對(duì)天窗玻璃的狀態(tài)進(jìn)行判定，即天窗玻璃是關(guān)閉還是打開；第二個(gè)，對(duì)天窗玻璃的位置進(jìn)行確定；第三個(gè)，對(duì)天窗電機(jī)的實(shí)時(shí)負(fù)載加以確定；第四個(gè)，一旦有異常情況出現(xiàn)，應(yīng)在第一時(shí)間作出響應(yīng)；第五個(gè)，防夾功能算法計(jì)算。第一個(gè)問(wèn)題的解決方法如下：利用安檢監(jiān)測(cè)程序，對(duì)用戶按鍵輸入進(jìn)行檢測(cè)；第二個(gè)問(wèn)題的解決方法如下：利用電機(jī)軸上霍爾傳感器所對(duì)應(yīng)的霍爾脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算；第三個(gè)問(wèn)題的解決方法如下：利用采樣天窗所對(duì)應(yīng)電機(jī)的電樞電流對(duì)其進(jìn)行間接計(jì)算；第四個(gè)問(wèn)題的解決方法如下：利用微控制器對(duì)其加以保證；第五個(gè)問(wèn)題的解決方法如下：利用電機(jī)參數(shù)具有的穩(wěn)健性，以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率的快速響應(yīng)對(duì)其加以保證。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

適用于汽車天窗的智能控制系統(tǒng)，主要由以下四個(gè)部分構(gòu)成，分別是微處理器，電源模塊，電機(jī)與驅(qū)動(dòng)模塊，傳感器和天窗開關(guān)。數(shù)字輸入信號(hào)包括：雨滴傳感器對(duì)外面是否有下雨的情況進(jìn)行檢測(cè)；駕駛員通過(guò)手動(dòng)的方式對(duì)天窗開關(guān)進(jìn)行控制；利用霍爾傳感器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、天窗位置進(jìn)行檢測(cè)；利用空氣質(zhì)量傳感器對(duì)車內(nèi)的空氣進(jìn)行檢測(cè)。在微處理器中輸入這些信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算與判斷，再經(jīng)由微處理器將PWM信號(hào)向電機(jī)進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)利用手動(dòng)的方式打開天窗開關(guān)，或通過(guò)空氣質(zhì)量傳感器發(fā)現(xiàn)車內(nèi)空氣的質(zhì)量較差時(shí)，電機(jī)自動(dòng)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，此時(shí)天窗打開；當(dāng)利用手動(dòng)的方式關(guān)閉天窗開關(guān)，或通過(guò)雨滴傳感器發(fā)現(xiàn)外面下雨時(shí)，電機(jī)自動(dòng)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，此時(shí)天窗關(guān)閉[1]。需要注意的是，當(dāng)電機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，天窗關(guān)閉時(shí)，如果出現(xiàn)電機(jī)采用電流高于閾值的情況，代表有障礙物存在，此時(shí)，應(yīng)將電機(jī)更改為順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)順序，以便天窗順利打開。待天窗完全關(guān)閉或是完全打開后，在霍爾傳感器的控制下，電機(jī)自動(dòng)停轉(zhuǎn)。

2 軟件系統(tǒng)

作為嵌入式系統(tǒng)的子系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)主要由以下兩個(gè)模塊構(gòu)成，分別是初始化以及自動(dòng)控制，下面分別針對(duì)這兩個(gè)模塊展開敘述。

2.1 初始化模塊

初始化模塊所涉及數(shù)據(jù)，具體如下：輸入端口為PTA0-7初始化，和空氣質(zhì)量傳感器的輸出相連接的為PA0，和雨滴傳感器的輸出相連接的為PA1；輸入端口為PH0-3初始化，手動(dòng)開啟天窗的按鈕為PH1，手動(dòng)關(guān)閉天窗的按鈕為PH3；PWM的信號(hào)輸出為PTP0-7，其中，使用頻率較高的為PP4、PP5兩個(gè)，二者主要用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速，正反轉(zhuǎn)和停止進(jìn)行控制。除此之外，

2.2 自動(dòng)控制模塊

自動(dòng)控制模塊需要具備的功能主要包括：首先，若檢測(cè)到車內(nèi)空氣較差，自動(dòng)開啟天窗，若檢測(cè)到外面下雨，則自動(dòng)關(guān)閉天窗；其次，天窗關(guān)閉時(shí)，對(duì)是否存在障礙物、是否有物品被夾住進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，若檢測(cè)到有障礙物存在，則自動(dòng)轉(zhuǎn)換為開啟天窗；最后，在對(duì)天窗進(jìn)行開啟和關(guān)閉時(shí)，對(duì)天窗開啟以及關(guān)閉的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，若檢測(cè)結(jié)果為開啟或關(guān)閉完全，電機(jī)旋轉(zhuǎn)自動(dòng)停止。

3 硬件系統(tǒng)

3.1 微控制器

本文所研究嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的微控制器具有以下特征：第一點(diǎn)，工作頻率的最高值為80MHz；第二點(diǎn)，所應(yīng)用外部晶振為05～16HMz；第三點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)Flash為8KB，RAM為12KB，ROM為256KB；第四點(diǎn)，脈沖寬度調(diào)至為8通道8位；第五點(diǎn)，A/D采集模塊擁有16個(gè)通道和12位精度；器六點(diǎn)，計(jì)數(shù)器擁有8個(gè)通道和16位精度[2]。除此之外，用戶能夠根據(jù)個(gè)人需求對(duì)中斷模塊所對(duì)應(yīng)的優(yōu)先中斷等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)優(yōu)先中斷等級(jí)的數(shù)量最多為7個(gè)。正是因?yàn)樯鲜鎏卣鞯拇嬖?，才使得該微控制器能夠最大限度的滿足人們?cè)谄囂齑翱刂铺岢龅囊蟆?/p>

3.2 傳感器

本文所研究嵌入式系統(tǒng)所包含傳感器的數(shù)量為三個(gè)，分別是雨滴傳感器，空氣質(zhì)量傳感器以及馬達(dá)測(cè)速傳感器，三者均有數(shù)字輸出，且無(wú)需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換便能夠和單片機(jī)對(duì)應(yīng)的數(shù)字端口進(jìn)行連接。除此之外，該嵌入式系統(tǒng)還將永磁電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化率，視為對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)和判斷的主要指標(biāo)。

3.3 電路板

本文所研究嵌入式系統(tǒng)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)天窗開閉的部件為永磁式的直流電機(jī)。選擇該直流電機(jī)的原因，主要是它具有噪音小、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和安全可靠的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)電機(jī)電樞繞組所對(duì)應(yīng)電流的方向進(jìn)行改變，就能夠達(dá)到控制電機(jī)，使其正反轉(zhuǎn)或停止的效果，汽車天窗開閉功能由此得以實(shí)現(xiàn)。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，負(fù)責(zé)控制汽車電動(dòng)天窗電流方向的部件均是觸點(diǎn)開關(guān)和繼電器，嵌入式系統(tǒng)則利用單片機(jī)對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行輸出，以此來(lái)達(dá)到對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度或是正反轉(zhuǎn)進(jìn)行直接控制的目的，觸電開關(guān)及繼電器被精簡(jiǎn)。這樣做不僅減少了需要應(yīng)用到的電子元件的數(shù)量，節(jié)約的成本，還提高了對(duì)汽車天窗進(jìn)行控制時(shí)具有的安全水平和自動(dòng)響應(yīng)相率，無(wú)論是從駕駛員還是從乘客的角度出發(fā)，乘坐舒適性自然會(huì)得到改善。該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)板所應(yīng)用IR2104S的數(shù)量為2片，也正是因?yàn)檫@2片IR2104S的存在，才組成了控制汽車天窗所必須的全橋，由于文中討論的集成電路板兼具邏輯電平輸出和輸入兩個(gè)功能，因此，將其和最小系統(tǒng)板進(jìn)行連接的過(guò)程就變得十分簡(jiǎn)單。當(dāng)然，此集成電路具有的特性還包括調(diào)整轉(zhuǎn)換率，檢測(cè)并診斷電流，欠壓保護(hù)等。除此之外，為了避免掉電導(dǎo)致電路系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓的可能，還應(yīng)當(dāng)將隔離保護(hù)芯片設(shè)置在單片機(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)芯片之間。

3.4 報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)這一功能需要在人體靠近傳感器以及玻璃破碎傳感器的輔助下才能夠?qū)崿F(xiàn)，具體來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)上文提到的傳感器對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再經(jīng)由主控芯片進(jìn)行計(jì)算，一旦高于報(bào)警提示閾值，立即啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，完成報(bào)警。人體靠近傳感器所遵循的原理如下：對(duì)人體的紅外光譜進(jìn)行探測(cè)，一旦有人進(jìn)入到傳感器的感應(yīng)范圍內(nèi)，該傳感器便會(huì)接通報(bào)警系統(tǒng)，若3秒后入侵者沒(méi)有離開，或有后續(xù)的入侵動(dòng)作，則對(duì)整車報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)[3]。玻璃破碎傳感器所遵循的原理如下：以振動(dòng)傳感器為依托，對(duì)由于破碎而產(chǎn)生的聲響和振蕩進(jìn)行檢測(cè)，一旦玻璃在破碎過(guò)程中發(fā)出了2KHz這一頻率，便對(duì)整車報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)，以此來(lái)達(dá)到提醒車主并對(duì)入侵者進(jìn)行驅(qū)趕的目的。

3.4 天窗防夾系統(tǒng)

對(duì)電動(dòng)天窗而言，防夾功能的實(shí)現(xiàn)往往需要借助霍爾傳感器的力量。作為嵌入式系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集的主要部件，霍爾傳感器內(nèi)部往往裝有施密特觸發(fā)器，將單片機(jī)輸入捕獲端口和輸出端口進(jìn)行連接，便可以實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的高質(zhì)量輸出。除此之外，該系統(tǒng)所應(yīng)用單片機(jī)對(duì)應(yīng)的 I/O 端口，可與A3187EU接地端進(jìn)行直接連接，這樣做的好處是，如果直流電機(jī)沒(méi)有處于工作狀態(tài)，那么，就可以通過(guò)關(guān)斷傳感器的方式，達(dá)到降低電流消耗的效果。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的適用于汽車天窗智能控制的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均與設(shè)計(jì)要求相符。由于該系統(tǒng)舍棄了觸點(diǎn)開關(guān)、繼電器等傳統(tǒng)部件，轉(zhuǎn)而選擇單片機(jī)作為實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車天窗進(jìn)行智能控制的主要工具，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比較而言，該嵌入式系統(tǒng)具有反應(yīng)靈敏，可操作性強(qiáng)以及響應(yīng)速度較快等諸多優(yōu)點(diǎn)，所具有的市場(chǎng)價(jià)值自然不言而喻。

[1]李全民.基于嵌入式系統(tǒng)的汽車天窗智能控制[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(專業(yè)版),2017(27):77-79.

[2]徐玉榮.嵌入式系統(tǒng)在汽車電動(dòng)天窗硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù),2015(08):167-168.

[3]張志敏,陶永琴.基于嵌入式系統(tǒng)的智能汽車天窗的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2013(09):111-113.