帶記憶功能的汽車電動(dòng)座椅系統(tǒng)

容建壯

江門市興江轉(zhuǎn)向器有限公司，中國·廣東 江門 529050

1 引言

電動(dòng)座椅是指以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過傳動(dòng)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)座椅的各種位置，為駕駛員提供便于操作、舒適而又安全的駕駛位置；為乘客提供不易疲勞、舒適而又安全的乘坐位置。按人體工程學(xué)的要求，座椅必須具有良好的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)舒適性。其外形必須符合人體生理功能，在不影響舒適性的前提下，力求美觀大方。座椅應(yīng)采用最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)，盡可能地減少質(zhì)量。隨著人們生活水平的提高，對(duì)汽車座椅的舒適性要求也越來越高，要求調(diào)節(jié)能夠更加簡(jiǎn)單、方便、快捷，更簡(jiǎn)單更輕松地調(diào)整座椅位置，減輕駕駛疲勞，使人更舒適地操控汽車。汽車電動(dòng)座椅以駕駛者的座椅為主，從服務(wù)對(duì)象出發(fā)，電動(dòng)座椅必須要滿足便利性和舒適性兩大要求。也就是說駕駛者通過鍵鈕操縱，既可以將座椅調(diào)整到最佳的位置上，使駕駛者獲得最好視野，易于操縱方向盤、踏板、變速桿，還可以獲得最舒適和最習(xí)慣的乘坐角度。現(xiàn)代家庭大多數(shù)都只有一輛轎車，但是駕駛員又有兩名以上，這就使得每個(gè)駕駛員都要按照自己的習(xí)慣調(diào)整座椅的狀態(tài)，這對(duì)駕駛員帶來了很多不便。論文介紹的電動(dòng)座椅系統(tǒng)是帶記憶功能的電動(dòng)座椅，能夠把2 個(gè)駕駛員的座椅位置記錄下來，即使其他駕駛員調(diào)整過座椅的狀態(tài)，只要按一下記憶按鍵，座椅就可以恢復(fù)到記憶時(shí)的狀態(tài)，對(duì)于多個(gè)駕駛員駕駛同一輛汽車有很大的便利性。

2 電動(dòng)座椅執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)座椅大多采用永磁式電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，此類電動(dòng)機(jī)多采用雙向電動(dòng)機(jī)。其電樞的旋轉(zhuǎn)方向隨電流方向的改變而改變，從而使電動(dòng)機(jī)按照不同的電流方向進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。并通過裝在座位側(cè)板上或門扶手上的肘節(jié)式控制開關(guān)來控制電路通路和電流方向，使某一電動(dòng)機(jī)按所需的方向運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到調(diào)整座椅的目的。為了防止動(dòng)機(jī)過載，大多數(shù)永磁式電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有熱過載保護(hù)斷路器。有些電動(dòng)座椅采用直流電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，并裝有兩個(gè)磁場(chǎng)線圈，使其可以雙向運(yùn)轉(zhuǎn)。這種電動(dòng)機(jī)多使用繼電器控制電流方向。論文設(shè)計(jì)的電動(dòng)座椅系統(tǒng)就是使用電機(jī)內(nèi)部帶霍爾傳感器的直流電機(jī)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的霍爾信號(hào)把電機(jī)的位置記錄下來，當(dāng)駕駛員按下記憶按鍵時(shí)就可以讓座椅準(zhǔn)確的回到記憶時(shí)的位置[1]。

2.2 座椅調(diào)節(jié)器

座椅調(diào)節(jié)器實(shí)際上就是用來調(diào)整座椅的各種位置，實(shí)現(xiàn)座椅水平前后移動(dòng)、座椅上下移動(dòng)、座椅靠背的6 個(gè)方向角度旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)。當(dāng)按下此開關(guān)后，電控單元就會(huì)控制相應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，按照駕駛員的要求調(diào)整座椅的位置。

2.3 控制系統(tǒng)

論文設(shè)計(jì)的電動(dòng)座椅系統(tǒng)主要由主控微處理器、CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊、調(diào)節(jié)器模塊、記憶按鍵模塊、電機(jī)控制模塊等組成，如圖1所示。

圖1 電動(dòng)座椅控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊負(fù)責(zé)接收汽車CAN 總線上傳輸?shù)母鞣N信息數(shù)據(jù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)信息、開關(guān)門信息、車況信息等，并在接收各種信息的同時(shí)把這些數(shù)據(jù)有規(guī)律的傳輸給主控微處理器。

微處理器接收到CAN 數(shù)據(jù)后立即進(jìn)行CAN 的ID 過濾，當(dāng)報(bào)文數(shù)據(jù)過濾成功后，按照設(shè)定好的的控制策略對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并且將有用的信息保存到EEPROM 中，待有需要的時(shí)候可以讀取出來使用。

調(diào)節(jié)器模塊可以喚醒睡眠的微處理器激活電動(dòng)座椅工作。通過調(diào)節(jié)器模塊可以調(diào)整座椅的工作模式。論文的座椅有初始化模式、記憶模式和正常模式。

電機(jī)控制模塊中包含了控制電機(jī)輸出模塊與電機(jī)霍爾脈沖信號(hào)接收模塊。微處理器接收到調(diào)節(jié)器模塊的信息后，控制相應(yīng)的繼電器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而使座椅移動(dòng)。電機(jī)霍爾脈沖信號(hào)接收模塊把電機(jī)的霍爾信號(hào)傳送到微控制器，微控制器通過計(jì)算霍爾脈沖數(shù)記錄電機(jī)所轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當(dāng)記憶按鍵模塊被按下時(shí)，微控制器就控制繼電器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，把電機(jī)恢復(fù)到當(dāng)時(shí)記憶狀態(tài)的圈數(shù)，實(shí)際上就是把座椅調(diào)整到記憶時(shí)的狀態(tài)[2]，從而記住座椅的位置。

3 CAN 總線介紹

CAN 是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network,-CAN）的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH 公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。論文提到的是CAN2.0B協(xié)議。

3.1 CAN 總線特點(diǎn)

①CAN 是到目前為止唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。

②CAN 為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。

③在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上，CAN 上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最多可在134us 內(nèi)得到傳輸。

④CAN 采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。

⑤CAN 節(jié)點(diǎn)只需通過對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。

⑥CAN 的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km；通信速率最高可達(dá)1Mbps。

⑦CAN 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110 個(gè)。在標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文標(biāo)識(shí)符有11 位，而在擴(kuò)展幀的報(bào)文標(biāo)識(shí)符有29 位。

⑧報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。

⑨CAN 的每幀信息都有CRC 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。

⑩CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，使得總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

3.2 CAN 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

在CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的過程中，有2 種不同的幀格式，不同之處為標(biāo)識(shí)符域的長(zhǎng)度不同：含有11 位標(biāo)識(shí)符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀；含有29 位標(biāo)識(shí)符的幀稱之為擴(kuò)展幀。報(bào)文傳輸有4 個(gè)不同類型的幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過載幀。此處主要提及數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀由以下7 個(gè)不同的位域組成：幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC 域、應(yīng)答域和幀結(jié)尾。其中仲裁域包含標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式，如圖2所示。

圖2 CAN 仲裁域結(jié)構(gòu)

4 電動(dòng)座椅ECU 系統(tǒng)

論文的電動(dòng)座椅ECU（Electronic Control Unit)系統(tǒng)主要由意法半導(dǎo)體公司（ST）的8 位微處理器STM8S207C8T6、Microchip 公司的MCP2561CAN 收發(fā)器、宏發(fā)繼電器HFKA012-2ZSPT、TI 公司的ULQ2003L 和LM2902AVQDRQ1等電子元器件組成。圖3為電動(dòng)座椅ECU 系統(tǒng)的完整原理圖。

圖3 電動(dòng)座椅ECU 系統(tǒng)原理圖

4.1 主控CPU

STM8S207C8T6 微處理器可配置16 位控制定時(shí)器、信號(hào)捕獲/比較功能模塊、PWM 控制器以及SCI、SPI、I2C 和CAN2.0B 總線接口。芯片內(nèi)置16MHz 高精度阻容振蕩器可以省去外部時(shí)鐘信號(hào)源，具有上電復(fù)位（POR）和欠壓復(fù)位（BOR）功能，可以節(jié)省外部復(fù)位電路。該微處理器是新一代基于STM8 內(nèi)核的STM8S 系列產(chǎn)品。新系列微控制器整合新一代內(nèi)核的高速度、處理性能和代碼效率，以及多用途外設(shè)接口，并具備多項(xiàng)特殊功能，可提高芯片的強(qiáng)軔度和可靠性。片內(nèi)集成的存儲(chǔ)器（包括真EEPROM）可以簡(jiǎn)化應(yīng)用仿真。在電子應(yīng)用中，可以降低系統(tǒng)成本，縮短應(yīng)用開發(fā)周期，提高處理性能。其引腳定義如圖4所示。

圖4 主控CPU 電路圖

4.2 MCP2561 CAN 收發(fā)器

MCP2561 是一款采用8 引腳封裝的高速CAN 收發(fā)器，并設(shè)有一個(gè)Vio 引腳。Vio 引腳可以連接輔助電源，以便在內(nèi)部對(duì)CAN 收發(fā)器的數(shù)字I/O 進(jìn)行電平調(diào)節(jié)，從而便于與單片機(jī)的連接。這對(duì)使用小于5V（例如1.8V 或3.3V）的Vdd單片機(jī)系統(tǒng)非常有利，而且消除了對(duì)外部電平轉(zhuǎn)換器的需求，降低了系統(tǒng)成本及復(fù)雜性。符合高達(dá)14 kV ESD 性能的全球EMC 要求，提供了行業(yè)的低待機(jī)電流，有多種外形尺寸小巧的器件可供選擇。具有業(yè)界的低待機(jī)電流功耗（典型值為5μA），有助于滿足汽車電子控制單元（ECU）的低功率預(yù)算要求。其硬件電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 CAN 收發(fā)器電路圖

微處理器STM8S207C8T6 首先對(duì)內(nèi)部的CAN 模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，其中包括CAN 通信的波特率、采樣時(shí)間、標(biāo)識(shí)符濾波寄存器、屏蔽寄存器、錯(cuò)誤中斷寄存器和中斷使能寄存器等配置。初始化完成后，微處理器打開CAN 接收中斷使能，并通過IO 輸出控制RS 引腳腳將MCP2561 置于Normal 模式與其進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交換。微處理器實(shí)時(shí)接收汽車的CAN 總線傳輸給MCP2561 的數(shù)據(jù)，通過設(shè)置CAN 通信的波特率、標(biāo)識(shí)符濾波寄存器與屏蔽寄存器過濾出對(duì)電動(dòng)座椅系統(tǒng)有用的CAN 數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。當(dāng)汽車處于熄火或工作時(shí)，判斷汽車CAN 總線的活躍狀態(tài)，控制電動(dòng)座椅控制器進(jìn)入睡眠模式或者喚醒電動(dòng)座椅控制器；從而降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

4.3 電動(dòng)座椅執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制

論文的帶記憶功能的電動(dòng)座椅系統(tǒng)具有6 向調(diào)節(jié)的功能，實(shí)現(xiàn)座椅水平前后移動(dòng)、座椅上下移動(dòng)、座椅靠背6 個(gè)方向的角度旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)；通過3 個(gè)帶霍爾信號(hào)輸出的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的功能。控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式有兩種，一種是使用4 個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成的H 橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，一種是通過控制繼電器的線圈使電機(jī)工作。前者成本比較貴，電路較為復(fù)雜，不符合市場(chǎng)的要求。論文的電動(dòng)座椅系統(tǒng)采用第二種控制方式，具有電機(jī)功率小、功耗較低、堵轉(zhuǎn)電流小等特點(diǎn)，可以進(jìn)行全功率輸出，既滿足了安全可靠的要求，同時(shí)也降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本[3]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

座椅水平前后移動(dòng)、座椅上下移動(dòng)、座椅靠背的角度旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，論文中的繼電器控制電機(jī)電路采用的是廈門宏發(fā)電聲股份有限公司的HFKA012-2ZSPT 雙胞繼電器，繼電器驅(qū)動(dòng)芯片采用德州儀器公司（TI）公司的ULQ2003 芯片。微處理器通過IO 口輸出控制信號(hào)給繼電器驅(qū)動(dòng)芯片ULQ2003，然后ULQ2003 輸出相應(yīng)的電平給HFKA012-2ZSPT 繼電器的線圈，使得繼電器的觸點(diǎn)吸合，這樣電機(jī)就開始轉(zhuǎn)動(dòng)了。

4.4 記憶座椅位置原理

電動(dòng)座椅的位置根據(jù)駕駛員的調(diào)節(jié)而定，每個(gè)駕駛員的位置都不一樣。要準(zhǔn)確記錄每個(gè)駕駛員的舒適位置就需要有帶霍爾信號(hào)輸出的電機(jī)。霍爾信號(hào)需要經(jīng)過一些硬件電路的處理才可以給微控制器使用，電機(jī)霍爾信號(hào)處理電路如圖7所示。電動(dòng)座椅的電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中一直輸出霍爾信號(hào)，這些霍爾信號(hào)就可以作為座椅位置的依據(jù)。微處理器控制電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)一直采集電機(jī)的霍爾信號(hào)，直到電機(jī)停止為止，然后通過公式計(jì)算得出一個(gè)相對(duì)的位置，并把數(shù)據(jù)存放在EEPROM 中。當(dāng)按下記憶按鍵后，微控制器就讀取EEPROM 中的值，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的位置，從而實(shí)現(xiàn)了記憶座椅位置的功能。

圖7 霍爾信號(hào)處理電路

5 電動(dòng)座ECU 控制原理

5.1 控制方法

論文中設(shè)計(jì)的電動(dòng)座椅控制器是采用標(biāo)志位輪詢的方法；當(dāng)微處理器的系統(tǒng)初始化完后，微處理器就進(jìn)入CAN 總線的狀態(tài)查詢模式；當(dāng)CAN 總線上有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，微處理器就根據(jù)自身內(nèi)置的CAN 濾波寄存器與屏蔽寄存器的配置，識(shí)別正確的CAN 報(bào)文。正確的CAN 報(bào)文會(huì)引起CAN 接收中斷，并根據(jù)控制策略對(duì)接收的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如ACC_ON 點(diǎn)火標(biāo)志、中控門鎖信號(hào)標(biāo)志等信號(hào)標(biāo)志；再根據(jù)接收到的座椅調(diào)節(jié)器信號(hào)和記憶按鍵信號(hào)判定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和時(shí)間，從而控制電機(jī)工作[4]。電動(dòng)座椅ECU 控制原理圖如圖8所示。

圖8 電動(dòng)座椅ECU 控制原理圖

5.2 控制器的功能

①當(dāng)ACC_ON 點(diǎn)火標(biāo)志且車速大于5km/h 標(biāo)志成立時(shí)，電動(dòng)座椅不工作，保證高安全性。

②中控門鎖信號(hào)標(biāo)志、移動(dòng)按鍵信號(hào)標(biāo)志、組合按鍵信號(hào)標(biāo)志成立時(shí)，均打開定時(shí)計(jì)時(shí)中斷程序和霍爾脈沖信號(hào)捕捉程序。中控門鎖信號(hào)標(biāo)志成立時(shí)，表示車主離開汽車，此時(shí)電動(dòng)座椅將自動(dòng)回到初始位置，而當(dāng)中控門鎖被打開后，若前一次狀態(tài)為關(guān)門，則電機(jī)驅(qū)動(dòng)座椅去到上一次記憶位置。

③移動(dòng)按鍵信號(hào)成立時(shí)，表示手動(dòng)控制調(diào)節(jié)座椅位置，電機(jī)驅(qū)動(dòng)座椅移動(dòng)到相應(yīng)的位置，同時(shí)開啟定時(shí)中斷、捕捉中斷程序，記錄座椅的運(yùn)行軌跡，以便進(jìn)行記憶存儲(chǔ)。另外，由于電機(jī)的差異和電動(dòng)初始起動(dòng)霍爾不穩(wěn)定，會(huì)造成霍爾脈沖數(shù)的數(shù)據(jù)有差異，為解決此問題，在軟件設(shè)計(jì)方面通過電機(jī)輸出控制的初始50ms 的霍爾脈沖數(shù)不納入計(jì)數(shù)范圍，以避免上述情況的干擾，保證了記數(shù)穩(wěn)定。

④記憶按鍵信號(hào)成立時(shí)，立即進(jìn)行按鍵計(jì)時(shí)，若按下按鍵小于1 秒，則表示進(jìn)行當(dāng)前座椅位置記憶，并存儲(chǔ)到微處理器的EEPROM 中。若按下按鍵大于5 秒，則表示調(diào)用當(dāng)前按鍵的記憶位置，此時(shí)電機(jī)將驅(qū)動(dòng)座椅移動(dòng)。

⑤組合按鍵信號(hào)成立時(shí)，表示標(biāo)定座椅初始位置。此功能主要方便調(diào)試人員在初裝座椅時(shí)進(jìn)行一次初始位置標(biāo)定。另外，基于CAN 總線傳輸，實(shí)時(shí)讀取整車信號(hào)狀態(tài)還有以下幾個(gè)主要功能：在安全模式下，通過座椅下的壓力傳感器，實(shí)時(shí)判斷駕駛員是否配帶安全帶；舒適模式下，在冬天季節(jié)可通過按鍵選擇對(duì)座椅靠背進(jìn)行加熱；在鎖車模式下，根據(jù)CAN 總線的傳輸狀態(tài)，適當(dāng)使電動(dòng)座椅控制器進(jìn)入睡眠狀態(tài)，降低功耗。

6 結(jié)語

論文帶記憶功能的汽車電動(dòng)座椅系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了座椅水平前后移動(dòng)、座椅上下移動(dòng)、座椅靠背6 個(gè)方向的角度旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。同時(shí)可以把座椅的位置記錄下來，通過記憶按鍵把座椅的位置恢復(fù)到記憶時(shí)的狀態(tài)。主要通過由意法半導(dǎo)體公司（ST）的8 位微處理器STM8S207C8T6、Microchip 公司的MCP-2561CAN 收發(fā)器、宏發(fā)繼電器HFKA012-2ZSPT、TI 公司的ULQ2003L 和LM2902AVQDRQ1 等電子元器件組成的電路圖和通過微控制器軟件編程實(shí)現(xiàn)上述功能。使用CAN 總線可以有效減小與汽車之間的連接線、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃?。這個(gè)系統(tǒng)成本低、實(shí)用性功能多、產(chǎn)品質(zhì)量可靠，市場(chǎng)上類似產(chǎn)品相比具有一定的優(yōu)勢(shì)。