基于汽車網(wǎng)絡(luò)的車門控制系統(tǒng)研究*

李步照，袁菁蕓，劉澤賢，常寶慶，王新宇

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

隨著汽車新四化“電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化”的快速發(fā)展，車身線束數(shù)量增多，質(zhì)量要求提高，整車控制電路愈加復(fù)雜，車輛電控系統(tǒng)的數(shù)量也不斷增加，系統(tǒng)間的信息交互、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性變得尤為重要，汽車網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)分布式控制的重要技術(shù)，在汽車上的應(yīng)用變得愈加廣泛[1]。汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用不僅可以減少車輛上線束的分布，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間高效的資源共享，提高了車輛整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

CAN總線作為標(biāo)準(zhǔn)化的汽車網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)之一，憑借其靈活性好、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)以及可靠性高等特點(diǎn)成為應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線[2]。車門控制系統(tǒng)作為車輛車身舒適系統(tǒng)的重要組成部分，不僅關(guān)系著車輛使用的便捷性和可靠性，更關(guān)乎車輛的行駛安全性，具有重要的研究意義。近年來(lái)，隨著車輛控制系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，車門控制系統(tǒng)的電路也愈加復(fù)雜。應(yīng)用汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)CAN總線，實(shí)現(xiàn)車門控制系統(tǒng)間的通信，不僅可以順利實(shí)現(xiàn)車門控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，還能提高各系統(tǒng)間的通信效率和可靠性[3]。筆者以汽車網(wǎng)絡(luò)總線CAN總線為基礎(chǔ)，進(jìn)行車門控制系統(tǒng)的研究，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和各項(xiàng)功能進(jìn)行介紹分析，為其他進(jìn)行車門控制系統(tǒng)的研究提供參考。

1 基于CAN總線的車門控制系統(tǒng)概述

筆者所研究的車門控制系統(tǒng)主要包括了中央門鎖系統(tǒng)、電動(dòng)車窗控制系統(tǒng)、電動(dòng)后視鏡控制系統(tǒng)等，共涵蓋車輛左前門、右前門、左后門和右后門4個(gè)相關(guān)的控制單元。其中，左前門駕駛員側(cè)為主控制單元，功能最多也最為復(fù)雜，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有4個(gè)車門的車窗升降以及車門鎖閉功能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)駕駛員側(cè)及副駕駛側(cè)后視鏡調(diào)節(jié)功能；其他3個(gè)單元為從控單元，其主要功能是實(shí)現(xiàn)各自車門升降及鎖閉。四車門各控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)，整個(gè)車門控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車門控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本研究的車門控制系統(tǒng)選用的是傳輸速率為125 Kbps的低速CAN總線網(wǎng)絡(luò)。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)車門控制系統(tǒng)通過(guò)分布并列式的CAN節(jié)點(diǎn)掛接形式進(jìn)行通信連接。左前車門為主控節(jié)點(diǎn)，中央集控門鎖以及對(duì)其余車門各執(zhí)行功能的控制均由該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令發(fā)布，其余各節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信號(hào)接收，并進(jìn)行相應(yīng)側(cè)控制命令的執(zhí)行。

2 基于CAN總線的車門控制系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn)

2.1 基于CAN總線的車門控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

本研究的車門控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)主要為：駕駛員側(cè)（前左）車門控制單元、前右車門控制單元、后左后右車門控制單元。如表1所示。

表1 車門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1.1 車門控制單元ECU

本研究的控制系統(tǒng)一共包含4個(gè)車門控制單元ECU，其中主駕駛室的車門控制單元ECU既包含本地控制又包含CAN總線報(bào)文控制，利用“ECU+CAN”的網(wǎng)絡(luò)智能控制方式，實(shí)現(xiàn)四車門電動(dòng)車窗升降、四車門一鍵鎖閉、車窗一鍵鎖閉以及左右后視鏡調(diào)節(jié)等功能。其余三側(cè)車門控制單元ECU功能較為簡(jiǎn)單，負(fù)責(zé)本地電動(dòng)車窗升降以及門鎖鎖閉任務(wù)，同時(shí)通過(guò)CAN總線的報(bào)文通信接收主控單元指令并執(zhí)行。

2.1.2 閉鎖器開(kāi)關(guān)及總成

車門閉鎖器開(kāi)關(guān)通常位于駕駛員側(cè)車門內(nèi)把手處，用于集中開(kāi)啟和鎖閉車輛的4個(gè)車門，通過(guò)對(duì)閉鎖器開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作，傳遞相應(yīng)的指令給車門控制單元，并通過(guò)CAN總線進(jìn)行報(bào)文傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他車門的控制。車門閉鎖器是車輛中央集控門鎖的主要組成部分，是車輛門鎖鎖止的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)車輛門鎖開(kāi)閉以及位置狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。車門閉鎖器受車門ECU控制，通過(guò)改變閉鎖器執(zhí)行機(jī)構(gòu)中電流的流向，對(duì)門鎖進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉控制。

2.1.3 車窗升降開(kāi)關(guān)及總成

車窗升降開(kāi)關(guān)位于每個(gè)車門的內(nèi)門側(cè)，駕駛員側(cè)車窗升降開(kāi)關(guān)最為復(fù)雜，通過(guò)汽車CAN總線的報(bào)文傳輸，可同時(shí)控制4個(gè)車窗玻璃的升降，并可實(shí)現(xiàn)一鍵車窗鎖止功能。車窗玻璃升降總成是實(shí)現(xiàn)車窗玻璃升降的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常由直流減速電機(jī)和玻璃升降機(jī)構(gòu)組成。通過(guò)對(duì)直流減速電機(jī)施以正向或反向的電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而執(zhí)行玻璃上升和下降動(dòng)作。由于直流減速電機(jī)的工作電流較大，因此選用雙胞型繼電器對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車窗玻璃的升降功能。

2.1.4 后視鏡調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)及總成

后視鏡是車輛用于觀察周圍行車情況的重要結(jié)構(gòu)，后視鏡角度是否適宜，對(duì)車輛的行車安全具有至關(guān)重要的影響。后視鏡調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)是調(diào)節(jié)駕駛員側(cè)和副駕駛側(cè)后視鏡鏡片角度的控制開(kāi)關(guān)。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)輸入控制，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)左右后視鏡的調(diào)節(jié)或者對(duì)某一后視鏡進(jìn)行上下左右4個(gè)方向的調(diào)節(jié)。后視鏡調(diào)節(jié)總成的主要結(jié)構(gòu)是后視鏡調(diào)節(jié)減速電機(jī)，鏡片上下左右4個(gè)方向的調(diào)整由兩個(gè)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)減速電機(jī)受駕駛員側(cè)車門控制單元ECU的控制，由于其工作電流較小，無(wú)需繼電器驅(qū)動(dòng)，直接通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

2.2 基于CAN總線的車門控制系統(tǒng)的功能及控制方法

2.2.1 車門控制原理

駕駛員側(cè)中央門鎖控制單元中的中央閉鎖開(kāi)關(guān)（E150）、左前車窗升降開(kāi)關(guān)（E40）、左后車窗升降開(kāi)關(guān)（E53）、右后車窗升降開(kāi)關(guān)（E55）的信號(hào)經(jīng)過(guò)控制單元中的U4芯片傳輸給微處理器MCU，右前車窗升降開(kāi)關(guān)（E81）和駕駛員側(cè)車窗升降鎖止開(kāi)關(guān)（E39）的信號(hào)直接傳輸給微處理器MCU，微處理器MCU把相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成報(bào)文，通過(guò)CAN收發(fā)器發(fā)送到CAN總線上。其他車門控制單元通過(guò)CAN總線接收到相應(yīng)報(bào)文后，分別控制相應(yīng)的門鎖電機(jī)及車窗玻璃升降電機(jī)。如圖2所示。

圖2 駕駛員側(cè)車門控制原理圖

駕駛員側(cè)車門控制單元中的U4芯片把后視鏡調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)總成的相關(guān)信號(hào)傳輸給微處理器MCU，微處理器MCU把這些信號(hào)處理后，分別通過(guò)本地U2芯片的SPI接口通信，驅(qū)動(dòng)左側(cè)后視鏡內(nèi)電機(jī)，把報(bào)文傳送到CAN總線上，右側(cè)車門控制單元接收到后視鏡調(diào)節(jié)相關(guān)報(bào)文后，通過(guò)本地U2芯片的SPI接口通信，驅(qū)動(dòng)右側(cè)后視鏡內(nèi)電機(jī)。

車門控制單元微處理器MCU接收到車窗玻璃升降開(kāi)關(guān)的信號(hào)后，通過(guò)U1芯片的SPI接口通信，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的玻璃升降電機(jī)。車門控制單元微處理器MCU接收到車門閉鎖器控制單元的信號(hào)后，通過(guò)U2芯片的SPI接口通信，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的門鎖電機(jī)。

2.2.2 車門系統(tǒng)控制方法

1）駕駛員側(cè)車門ECU。

①接收：采集開(kāi)關(guān)信號(hào)，直接輸出控制駕駛員側(cè)車門閉鎖器、駕駛員側(cè)車窗升降總成、駕駛員側(cè)后視鏡總成。

②發(fā)送：CAN總線報(bào)文控制其他3個(gè)車門閉鎖器/車窗升降總成動(dòng)作。儀表、車內(nèi)閱讀燈、車內(nèi)頂燈。

2）右前側(cè)車門ECU。

①接收：采集開(kāi)關(guān)信號(hào)，直接輸出控制右側(cè)車門閉鎖器、右側(cè)車窗升降總成、右側(cè)后視鏡總成。駕駛員側(cè)車門ECU報(bào)文。

②發(fā)送：車門關(guān)/開(kāi)狀態(tài)報(bào)文給儀表、車內(nèi)左閱讀燈、車內(nèi)頂燈。

3）左（右）后側(cè)車門ECU。

①接收：采集開(kāi)關(guān)信號(hào)，直接輸出控制左（右）后側(cè)車門閉鎖器、左（右）后側(cè)車窗升降總成。駕駛員側(cè)車門ECU報(bào)文。

②發(fā)送：車門關(guān)/開(kāi)狀態(tài)報(bào)文給儀表、車內(nèi)左（右）后閱讀燈、車內(nèi)頂燈。

中控鎖開(kāi)關(guān)本地控制駕駛員側(cè)車門閉鎖器，并發(fā)送CAN報(bào)文控制其他3個(gè)車門的閉鎖器。在操作控鎖時(shí)，由于各個(gè)門鎖的機(jī)械安全機(jī)制和結(jié)構(gòu)的原因，不同的操作將會(huì)出現(xiàn)不同的機(jī)械執(zhí)行情況。閉鎖時(shí)，按動(dòng)第一次閉鎖按鈕，車外的開(kāi)鎖機(jī)械機(jī)構(gòu)將會(huì)失效，車內(nèi)開(kāi)鎖機(jī)械機(jī)構(gòu)依然有效；按第二次閉鎖按鈕，將同時(shí)禁止車內(nèi)外開(kāi)鎖機(jī)械機(jī)構(gòu)動(dòng)作。在兩次按動(dòng)閉鎖按鈕鎖閉車門后，如果第一次按動(dòng)開(kāi)鎖按鈕，則僅可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)操作機(jī)構(gòu)的開(kāi)鎖功能；只有兩次按動(dòng)開(kāi)鎖按鈕，才可從車外操作機(jī)構(gòu)打開(kāi)門鎖。

無(wú)線遙控器開(kāi)鎖操作時(shí)，第一次按動(dòng)按鈕僅打開(kāi)駕駛員側(cè)車門門鎖，5 s內(nèi)第二次按動(dòng)按鈕才可打開(kāi)其他3個(gè)車門門鎖[4-5]。

需要注意的是，由于電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)原因，在操作車窗升降開(kāi)關(guān)時(shí)，當(dāng)車窗升/降到最高/低位置后不能再持續(xù)相同動(dòng)作操作升降開(kāi)關(guān)，否則會(huì)造成車窗升降電機(jī)堵轉(zhuǎn)，引起電機(jī)過(guò)熱，燒毀電機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)基于汽車網(wǎng)絡(luò)的車門控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，利用ECU及CAN-BUS網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車窗、電控門鎖和后視鏡的智能控制，減少了汽車線束的數(shù)量，使控制變得更加智能，功能擴(kuò)展變得更加容易。