基于CAN總線技術(shù)的轎車車窗智能控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

張軍

摘 要：在對(duì)關(guān)于CAN總線在車輛電子控制系統(tǒng)中的實(shí)踐運(yùn)用和電動(dòng)自動(dòng)升降車窗防夾功能的研究基礎(chǔ)上，探索出一種基于CAN總線控制技術(shù)的汽車車窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)車窗在工作正常狀態(tài)下的防夾控制功能和泊車后車窗關(guān)閉狀態(tài)自檢并自動(dòng)關(guān)閉未關(guān)車窗。

關(guān)鍵詞：CAN總線;防夾;智能控制;優(yōu)化方案

伴隨著微型計(jì)算機(jī)控制器的汽車電子技術(shù)在車輛控制系統(tǒng)中應(yīng)用，汽車控制技術(shù)正不斷的從過去的電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉植季W(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的智能化系統(tǒng)。汽車的智能化、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)能化成了汽車發(fā)展的大方向。汽車總線是實(shí)現(xiàn)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，常用的汽車四大總線：CAN、LIN、Flexray、MOST總線;其中CAN總線是一種支持分布式和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，以其高性能和高可靠性在自動(dòng)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 控制系統(tǒng)分析

1.1 功能及技術(shù)指標(biāo)要求

基于CAN總線的轎車車窗智能控制的基本要求：設(shè)計(jì)一個(gè)主模塊、一個(gè)分模塊的硬件和軟件，系統(tǒng)整體由1個(gè)主控模塊3個(gè)分模塊組成，利用CAN總線的技術(shù)實(shí)行模塊之間的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸，主控模塊設(shè)在駕駛座，當(dāng)司機(jī)泊車后主模塊通過CAN協(xié)議檢測(cè)到車窗的狀態(tài)，主模塊再將關(guān)閉車窗的信號(hào)發(fā)送到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的分模塊，實(shí)現(xiàn)泊車后車窗關(guān)閉狀態(tài)自檢并自動(dòng)關(guān)閉未關(guān)車窗。

車窗玻璃升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)限流設(shè)計(jì)的基本要求：設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的電路，給單片機(jī)編譯程序來控制電機(jī)過流反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車窗防夾功能。

1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

按設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行車窗防夾、泊車后車窗關(guān)閉狀態(tài)自檢并自動(dòng)關(guān)閉未關(guān)車窗的設(shè)計(jì)的思路。

1.3 設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)

主模塊：基于CAN總線技術(shù)的轎車車窗智能控制系統(tǒng)通過CAN協(xié)議將車窗控制的4個(gè)模塊作為4個(gè)節(jié)點(diǎn)掛在CAN總線上形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)確保模塊之間順利的溝通，該設(shè)計(jì)的硬件有CAN 控制器SJA10001塊、CAN總線的收發(fā)器CM1050T1快、單片機(jī)STC12C5A16AD1快、12M晶振1快、16M晶振1塊、30pf電容2個(gè)，22pf電容2個(gè)、1k電阻若干等組成。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能關(guān)鍵在于軟件，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編譯，對(duì)CAN技術(shù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)子程序編譯。

2 基于CAN總線技術(shù)的轎車車窗智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路

（1）汽車泊車后車窗狀態(tài)自檢：用按鍵S1和S2模擬點(diǎn)火鑰匙開關(guān)和車窗落鎖開關(guān)，單片機(jī)STC12C5A16AD監(jiān)控這兩個(gè)開關(guān)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火鑰匙和車門狀態(tài)的信號(hào)采集，最后完成泊車后車窗狀態(tài)的自檢。

（2）汽車泊車后車窗自動(dòng)關(guān)閉：在檢測(cè)到泊車后，系統(tǒng)通過CAN總線的技術(shù)發(fā)送所有模塊關(guān)閉車窗的信號(hào)。

（3）按鍵觸發(fā)車窗升降：按鍵觸發(fā)信號(hào)，單片機(jī)STC12C5A16AD1與 CAN 控制器SJA1000通信，CAN收發(fā)器CM1050T通過CAN協(xié)議向分模塊發(fā)出車窗升降的信號(hào)。

分模塊：一個(gè)完整的車窗玻璃升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)限流器通過晶體管導(dǎo)通路線的改變來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，該設(shè)計(jì)的硬件有4個(gè)大功率NPN三極管、4個(gè)小功率三極管、2個(gè)下拉電阻、4個(gè)保護(hù)電阻、1個(gè)減流電阻、電源、直流電機(jī)等組成。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能關(guān)鍵在于軟件，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編譯，單片機(jī)是集成的IC芯片，只需根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求選型。其他部分都需要根據(jù)應(yīng)用要求和性能指標(biāo)自行設(shè)計(jì)。

3 基于車窗玻璃升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)限流器設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)思路

（1）車窗的正常升降：用兩個(gè)按鍵s2和s3來控制三極管的工作路線實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

（2）車窗遇到障礙物下降：用兩個(gè)按鍵s2和s3來控制三極管的工作路線實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，當(dāng)車窗上升的過程中遇到障礙物，電機(jī)的電流值會(huì)上升，上升到我預(yù)先設(shè)定的門檻值時(shí)，電機(jī)馬上反轉(zhuǎn)車窗下降。

（3）車窗停止運(yùn)動(dòng)：用P3.4的高低電平控制電機(jī)工作和停止。

4 方案的確立

汽車上大多部分控制器都是由電子裝置控制的，在電動(dòng)汽車內(nèi)為了將整個(gè)各系統(tǒng)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和相互之間協(xié)同工作，利用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞是一個(gè)必然的趨勢(shì);CAN總線傳遞信息的方式，用一串高低電平表示的字符編碼，表達(dá)某個(gè)特定含義，采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運(yùn)行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。目前網(wǎng)絡(luò)連接在汽車上的主要方式采用的是高速CAN和低速CAN兩條，高速CAN速率可達(dá)到500kb/s，主要用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的;低速CAN速率一般為為100kb/s，主要用于車身系統(tǒng);隨著車電氣電子設(shè)備的使用越來越多，無論是在發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)到底盤傳動(dòng)控制系統(tǒng)，還是在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)的控制，以及車輛安全舒適系統(tǒng)，都在運(yùn)用CAN-BUS系統(tǒng)，使汽車電子系統(tǒng)形成一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，并且都集中在駕駛室控制。

車身系統(tǒng)CAN（CAN-Low，也稱舒適總線）主要連接和控制中控與防盜系統(tǒng)、車輛儀表與室內(nèi)外照明輔助系統(tǒng)、車身電動(dòng)裝置、車身信號(hào)裝置和故障報(bào)警系統(tǒng)以及其它輔助電器等;車輛經(jīng)常因線束長(zhǎng)容易產(chǎn)生故障，總線控制系統(tǒng)減少線束的長(zhǎng)度，車身布線集約化，進(jìn)一步節(jié)省成本，減少車輛故障率。由于采用總線技術(shù)，K線和L線信號(hào)線數(shù)據(jù)作為共享基線，模塊之間的信號(hào)傳遞都是通過這兩條線進(jìn)行傳遞。此外，在某些車型上還采用了輔助CAN總線作為第3條信息線，即信息娛樂總線，該總線適用于衛(wèi)星導(dǎo)航及智能通訊傳輸系統(tǒng)中的信息傳輸;舒適和信息娛樂總線都設(shè)有位于系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)控制單元中不同阻值的終端電阻，因此可實(shí)現(xiàn)單線傳輸。其整車管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

智能車窗系統(tǒng)主要應(yīng)用CAN總線技術(shù)對(duì)轎車的四個(gè)車窗模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，四個(gè)車窗模塊相當(dāng)于四個(gè)節(jié)點(diǎn)分掛在CAN總線上，左前車窗作為主控模塊檢測(cè)泊車信號(hào)和按鈕信號(hào)，并且將信號(hào)掛在網(wǎng)絡(luò)上，向其他模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)主控的功能。其他三個(gè)模塊都作為分模塊接收主模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，除此之外分模塊也具有開關(guān)自我控制升降的功能。在整個(gè)系統(tǒng)工作的過程中貫穿車窗防夾的功能。

設(shè)計(jì)步驟

（1）查閱手動(dòng)車窗、電動(dòng)車窗以及如今智能車窗的發(fā)展過程，收集CANBUS技術(shù)在汽車中應(yīng)用的相關(guān)材料。在了解設(shè)計(jì)背景的前提下展開畢業(yè)設(shè)計(jì)。

（2）硬件的設(shè)計(jì)。硬件電路的設(shè)計(jì)。繪制智能車窗系統(tǒng)的硬件電路圖，計(jì)算電路圖中相關(guān)硬件的參數(shù)并且選用。硬件電路板的焊接。參照硬件電路將元器件焊接在焊板上，并且合理的布線，最終形成硬件實(shí)物。

（3）軟件的設(shè)計(jì)。CAN通訊主程序的設(shè)計(jì)、CAN節(jié)點(diǎn)子程序的設(shè)計(jì)、車窗防夾程序的設(shè)計(jì)。