基于LIN通信的汽車玻璃升降控制器的設(shè)計(jì)

阮耀梅

【摘 要】隨著科技的迅猛發(fā)展，汽車電子技術(shù)的發(fā)展也極為迅速，消費(fèi)者對汽車玻璃升降系統(tǒng)愈來愈關(guān)注，對其操作的可靠性和高效性提出了更高的要求。因此，玻璃升降控制系統(tǒng)需要向更加智能化的方向發(fā)展。文章就玻璃升降控制系統(tǒng)中的控制器進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，該控制器帶處理器和通信芯片，著重提高系統(tǒng)功能的高效性和可靠性，同時(shí)系統(tǒng)也更具易操作性，更人性化。

【關(guān)鍵詞】汽車玻璃升降系統(tǒng)；處理器；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；LIN通信

【中圖分類號】U467 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）06-0046-03

近年來，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車電子技術(shù)的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，除了多媒體音響等車載娛樂系統(tǒng)迅速發(fā)展外，汽車基礎(chǔ)的子系統(tǒng)，如車門、車燈、門窗玻璃的升降等的控制方式也由傳統(tǒng)的、簡單的、硬線的控制方式逐步更改為使用各類控制器、繼電器來實(shí)現(xiàn)控制。汽車車窗玻璃的升降系統(tǒng)是消費(fèi)者使用車輛過程中使用頻率非常高的零部件，其升降控制的易操作性、操作的可靠性和穩(wěn)定性極大地影響消費(fèi)者的用車體驗(yàn)。在汽車電子發(fā)展的過程中，其車窗玻璃的升降也經(jīng)歷由手搖式控制到電動(dòng)式控制的轉(zhuǎn)變。隨著汽車的普及，消費(fèi)者對汽車車窗玻璃的升降提出了更高的要求，要求其操作更便利，性能更人性化，系統(tǒng)運(yùn)行更可靠，故障率更低，所以對智能化的汽車車窗玻璃控制器的需求越來越大。鑒于此，文章就車窗玻璃的控制提出了新的方案。

1 基于LIN通信的車窗玻璃升降控制器的設(shè)計(jì)分析

玻璃升降系統(tǒng)是汽車操作系統(tǒng)的重要組成部分，在汽車智能化技術(shù)快速發(fā)展的過程中，汽車玻璃升降控制系統(tǒng)也朝著智能化的方向發(fā)展。如圖1所示，基于LIN通信的汽車車窗玻璃升降控制系統(tǒng)，主要由4個(gè)部分組成，包括車窗玻璃升降信號、玻璃升降控制器、車窗玻璃升降電機(jī)及其他的通信設(shè)備。其中，控制器是汽車車窗玻璃升降控制系統(tǒng)的核心部件，其內(nèi)部還包含很多不同的功能模塊，主要包括單片機(jī)（CPU）、繼電器和電流檢測電路，以及用于與外部設(shè)備進(jìn)行通信的LIN芯片。

1.1 處理器設(shè)計(jì)

作為智能化的基于LIN通信的汽車玻璃升降控制器的核心部件，處理器肩負(fù)重任，其主要的功能為接收玻璃升降開關(guān)信號、其他外部玻璃升降控制信號（如遙控鑰匙的遙控升/降玻璃信號），并對信號進(jìn)行處理，然后進(jìn)行邏輯運(yùn)算，再根據(jù)運(yùn)算結(jié)果給繼電器正確的輸出信號，繼電器通電來驅(qū)動(dòng)玻璃升降電機(jī)完成玻璃的上升/下降動(dòng)作，其功能的過程邏輯框圖如圖2所示。由圖2可知，處理器首先必須正確識別玻璃升降控制信號，去除無效的干擾信號，即處理器需要具備輸入信號的濾波功能；其次在正確識別輸入信號的前提下，處理器要進(jìn)行精確并且高速的邏輯運(yùn)算；最后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果給繼電器正確的輸出信號。玻璃升降處理器若要更好地滿足這些控制功能，就需具備極高的硬件配置與高精度的模擬水平，同時(shí)還需要具備高性能數(shù)字信號處理能力。鑒于此，在設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用ST系列芯片STM8S003，該處理器內(nèi)核為8位，主頻為16 MHz，F(xiàn)lash為8 K，是一款高性能的數(shù)字混合處理器，可以很好地處理各種外部信號，邏輯運(yùn)算精確且高速，能保證玻璃升降控制系統(tǒng)快速、可靠地進(jìn)行工作。

1.2 玻璃升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在汽車使用的一般工況下，汽車玻璃升降過程中，玻璃升降控制電機(jī)中的電流為6～8 A，堵轉(zhuǎn)電流約10 A。而在一些比較惡劣的情況下，比如天氣寒冷，車門上膠條硬化，或者汽車玻璃升降系統(tǒng)使用時(shí)間較長，零部件老化、退化之后，玻璃升降過程阻力就會(huì)變大，玻璃升降控制電機(jī)中的電流也會(huì)隨之增加，堵轉(zhuǎn)電流有可能高達(dá)18 A。而控制器PCB板上的其他電子元器件的負(fù)載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這個(gè)需求，CPU的輸出電流也僅是毫安級別，無法驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；并且玻璃升降控制電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流足以將PCB板上的電子元器件全部燒毀。因此，控制器設(shè)計(jì)時(shí)必須有電流轉(zhuǎn)化模塊，將控制器輸出的毫安級的電流轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)玻璃升降電機(jī)的大電流?；诖耍恼略谠O(shè)計(jì)時(shí)使用了繼電器進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，選用的是全新“松下”的CT系列繼電器，該系列繼電器在額定狀態(tài)下，線圈端的動(dòng)作電流僅為66.7 mA，吸合時(shí)間和釋放時(shí)間均在10 ms以下，卻能夠提供20 A的額定電流輸出，能夠及時(shí)、可靠地將處理器的控制輸出傳送給玻璃升降器控制電機(jī)，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.3 電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)設(shè)計(jì)

由以上分析可知，非理想情況下，電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流相當(dāng)大，長時(shí)間的大電流對玻璃升降系統(tǒng)中的控制器、電機(jī)都極為不利，嚴(yán)重影響控制器和電機(jī)的使用壽命和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。所以，電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)需要一定的保護(hù)措施，即玻璃升降控制器需要具備電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能。要實(shí)現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)，首先，控制器需要有電流反饋電路，電路中有檢測回路電流的傳感器，以識別電機(jī)當(dāng)前是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；其次，當(dāng)識別到電機(jī)已經(jīng)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，需要快速地切斷輸出，以切斷回路電流，中斷當(dāng)前動(dòng)作。具體的工作邏輯如圖3所示。

由圖3可知，以下3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要明確。

（1）Ia-堵轉(zhuǎn)電流限值的設(shè)置。為控制器設(shè)置合理的堵轉(zhuǎn)電流限值，即當(dāng)采樣傳感器中的電流值大于或者等于這個(gè)電流限值時(shí)，處理器就認(rèn)為電機(jī)已經(jīng)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，會(huì)切斷輸出以中斷當(dāng)前工作，以保護(hù)玻璃升降系統(tǒng)中的各種零部件；當(dāng)采樣傳感器中的電流值小于這個(gè)電流限值時(shí)處理器就認(rèn)為當(dāng)前玻璃上升或者下降還未到位，要保持當(dāng)前輸出狀態(tài)。因此，電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流限值的設(shè)置影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，設(shè)置過大，會(huì)對系統(tǒng)造成損傷；設(shè)置過小，系統(tǒng)不能可靠運(yùn)行。

那么如何正確地設(shè)定電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流限值（Ia）呢？需要針對不同的車型進(jìn)行具體設(shè)置，同時(shí)對玻璃升降系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，即通過對系統(tǒng)在不同工況下電機(jī)的工作電流、堵轉(zhuǎn)電流進(jìn)行標(biāo)定，從而設(shè)置合理的堵轉(zhuǎn)保護(hù)電流值。具體的標(biāo)定過程如下：{1}低溫工況——在低溫（-10 ℃、-30 ℃）環(huán)境下，電機(jī)在實(shí)際車門系統(tǒng)上的電流變化曲線，包括電機(jī)啟動(dòng)電流、正常工作時(shí)電流、堵轉(zhuǎn)電流；{2}常溫工況——在常溫（20 ℃）環(huán)境下，電機(jī)在實(shí)際車門系統(tǒng)上的電流變化曲線，包括電機(jī)啟動(dòng)電流、正常工作時(shí)電流、堵轉(zhuǎn)電流；{3}高溫工況——在高溫（85 ℃）環(huán)境下，電機(jī)在實(shí)際車門系統(tǒng)上的電流變化曲線，包括電機(jī)啟動(dòng)電流、正常工作時(shí)電流、堵轉(zhuǎn)電流。

（2）控制器需要對電機(jī)電流進(jìn)行精確的識別，本文在設(shè)計(jì)時(shí)采用了A/D采樣對當(dāng)前電機(jī)的電流進(jìn)行采樣，采樣電流精度高。

（3）切斷時(shí)間的設(shè)置。當(dāng)處理器檢測到電機(jī)當(dāng)前處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，需要快速地切斷回路電流的時(shí)間，文章設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合玻璃升降系統(tǒng)實(shí)際使用狀況和控制器的CPU晶振頻率，設(shè)置時(shí)間為1 s。

1.4 通信設(shè)計(jì)

智能化汽車玻璃升降控制器除了能在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行工作，還能與外部的設(shè)備，如車身控制器或者其他信號的發(fā)射器/接收器進(jìn)行通信，從而對玻璃的上升和下降進(jìn)行更智能化的控制。本文中，結(jié)合各個(gè)總線通信模式使用的可靠性和系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際需求，為控制器選用了LIN通信。LIN收發(fā)器使用的是“恩智浦”（NXP）的TJA1028，該收發(fā)器帶集成穩(wěn)壓器，其總線輸出采用耐高壓設(shè)計(jì)，可提供較強(qiáng)的靜電放電（ESD）和電磁兼容性（EMC），同時(shí)為了降低電流消耗，其還提供休眠模式，可以通過LIN總線提供喚醒功能，從而使設(shè)計(jì)更可靠和智能化。

1.5 其他設(shè)計(jì)

基于LIN通信的智能化玻璃升降控制器的設(shè)計(jì)還包括很多細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，比如穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)，將汽車電器提供的13 V的工作電壓轉(zhuǎn)換成5 V的CPU工作電壓，同時(shí)可以消除整車電源波動(dòng)時(shí)對玻璃升降控制造成影響。還有其他的外圍電路，如復(fù)位電路、時(shí)鐘信號電路、存儲擴(kuò)展電路等，這些硬件電路都對智能玻璃升降控制系統(tǒng)的運(yùn)行起著關(guān)鍵性的作用，保證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全面性，是系統(tǒng)的重要組成部分。

2 基于LIN通信的玻璃升降控制器的其他設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

前面對基于LIN通信玻璃升降控制器的處理器設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)和通信設(shè)計(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了論述，除此之外，基于LIN通信玻璃升降控制器還有很多亮點(diǎn)。

2.1 按鈕濾波功能

如前文所述，智能化汽車玻璃升降控制器需要具備對輸入信號的濾波功能。文章在設(shè)計(jì)時(shí)，軟件上設(shè)置了按鈕濾波，只有處理器接收到玻璃升降開關(guān)信號或遙控升降信號，并且信號的持續(xù)時(shí)間大于或者等于100 ms時(shí)，即判定玻璃升降信號輸入有效，否則視為無效輸入信號，不執(zhí)行玻璃的上升/下降動(dòng)作。這樣可以有效地避免一些特殊狀況下汽車玻璃的升降誤動(dòng)作，如車輛行駛時(shí)路況很差時(shí)，汽車震動(dòng)過大，玻璃升降開關(guān)按鈕抖動(dòng)導(dǎo)致觸點(diǎn)瞬時(shí)接通后馬上斷開；或者當(dāng)駕駛員或者乘客不小心按壓到玻璃升降開關(guān)或者遙控鑰匙時(shí)，信號輸入觸點(diǎn)瞬時(shí)接通后馬上斷開。這2種情況都會(huì)導(dǎo)致控制器接收到極短時(shí)間的玻璃升降控制信號輸入，但因?yàn)榇溯斎氤掷m(xù)時(shí)間過短（不足100 ms），控制器則認(rèn)為玻璃升降輸入信號無效，不執(zhí)行任何動(dòng)作，使用系統(tǒng)的功能更可靠，也保證了消費(fèi)者的用車安全。

2.2 延時(shí)保護(hù)功能

通過對不同的汽車在不同的使用工況下，汽車玻璃升降過程研究和統(tǒng)計(jì)，在汽車正常使用的一般工況下（常溫22 ℃左右），基本3～4 s汽車玻璃就可以實(shí)現(xiàn)上升到位或者下降到位，在極端惡劣的情況下（如低溫—30 ℃左右），需要6～7 s方能完成。玻璃上升或者下降到位后，電機(jī)就處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了增加系統(tǒng)的保護(hù)措施，本文在設(shè)計(jì)時(shí)為系統(tǒng)設(shè)置了延時(shí)保護(hù)功能。當(dāng)玻璃已經(jīng)持續(xù)上升或者下降時(shí)間一段時(shí)間后，處理器將直接切斷輸出，中斷系統(tǒng)當(dāng)前正在進(jìn)行的動(dòng)作，從而有效地保護(hù)系統(tǒng)中的零部件，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全級別。

3 結(jié)語

隨著社會(huì)科技的快速發(fā)展，智能化技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)中，各種電器功能的擴(kuò)展將是今后消費(fèi)者對汽車使用功能的重點(diǎn)關(guān)注對象，成為汽車行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一。智能化的汽車玻璃升降控制系統(tǒng)更是汽車電子的重要內(nèi)容，其設(shè)計(jì)的有效性、合理性和可靠性將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，從而影響消費(fèi)者的使用。本文結(jié)合工作實(shí)踐，分析了汽車玻璃升降控制系統(tǒng)中的各個(gè)零部件及其之間的相互關(guān)系，從處理器設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)和通信設(shè)計(jì)方面進(jìn)行論述，對汽車玻璃升降控制器進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]