基于嵌入式系統(tǒng)軟硬件自動化的汽車電動座椅位置調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設計

李鑫 宣子旺 張雍斌 李國建 路林吉

（1國網(wǎng)上海市電力公司，上海，200335；2挪威船級社（中國）有限公司，上海，200336；3上海交通大學自動化系，上海，200240）

0 引言

汽車座椅是人們駕駛汽車時的必要配置。只有汽車座椅調(diào)節(jié)至恰當?shù)奈恢?，駕駛員才能更加舒適、方便地駕駛汽車。為了解決座椅調(diào)節(jié)的問題，汽車電動座椅應運而生。

汽車電動座椅是一種實現(xiàn)駕駛舒適性的可調(diào)節(jié)裝置，同時兼有一定程度的安全功能。電動座椅的發(fā)展過程經(jīng)歷了3個階段：無調(diào)整或簡單調(diào)整階段、電動調(diào)整階段，記憶存儲式調(diào)整階段。未來電動座椅將朝著兩個方向發(fā)展，一個是與汽車主動安全系統(tǒng)等其他電子控制系統(tǒng)更加緊密地聯(lián)系起來，在實現(xiàn)舒適和方便駕駛的功能下更能保護駕駛員的行車安全；另一個是更加智能化，不僅可以對記憶位置進行調(diào)節(jié)，還可以通過檢測周圍環(huán)境和駕駛員狀態(tài)智能地調(diào)節(jié)座椅位置，使駕駛員獲得更好地駕駛體驗。

在電動座椅控制系統(tǒng)的軟硬件設計過程中，因硬件設計工程師在設計上容易出現(xiàn)一些疏漏，而且不同的工程師設計思路也不一樣，同時為了能夠最大程度提高設計的標準化和可靠性，本文采用基于標準軟硬件模塊數(shù)據(jù)庫的設計方法來設計相關的控制系統(tǒng)軟硬件。具體操作過程是：在硬件設計方面，首先從標準模塊數(shù)據(jù)庫中選擇不同功能的模塊，然后按照既定規(guī)則組建成硬件電路，這樣不僅可以有效地降低硬件工程師在設計上的錯誤率，提高設計效率，也有利于設計的規(guī)范化和標準化；在軟件設計方面，工程師從標準模塊庫中調(diào)用需要的功能模塊，由于相應的功能模塊已經(jīng)封裝好相關的底層程序，只需要完成主程序的設計就可以實現(xiàn)所有功能，這樣便可以提高軟件的開發(fā)效率，實現(xiàn)搭積木式的編程。

1 技術要求

1.1 電動座椅外觀及電機組成

本文設計了一款汽車電動座椅，其電機由靠背肩部電機、靠背電機、高度電機、水平電機等組成，具體如圖1所示。

圖1 汽車座椅及相關電機運動方向

1.2 電動座椅模式

汽車電動調(diào)節(jié)座椅具有基本模式、舒服模式、復位模式3種方式。

1）基本模式：通過上位機指令可以控制座椅靠背電機、座墊高度調(diào)節(jié)電機、座墊傾角電機、座墊水平電機4個電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能。

2）舒服模式：通過上位機指令可以控制靠背肩部電機、腿托前后電機、腿托旋轉(zhuǎn)電機3個電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能。

3）復位模式：連續(xù)按兩次模式設置按鈕，系統(tǒng)進入復位模式，此時所有電機運行到設定的零點位置。

1.3 通信方式

電動座椅控制系統(tǒng)上位機和控制器之間可采用有線和無線兩種通信方式，具體為：

1）由于是近距離通信，故可以采用UART有線串口通信。

2）也可以采用無線藍牙通信方式。

1.4 電機保護功能

電動座椅控制系統(tǒng)采用無刷直流電動機作為動力驅(qū)動，可實現(xiàn)座椅靠背前后調(diào)節(jié)、腿托前后調(diào)節(jié)、座墊傾角位置調(diào)節(jié)等功能，駕駛員可根據(jù)自身的舒適程度進行相應的設置和調(diào)節(jié)。

1.4.1 堵轉(zhuǎn)保護

當電機空載運行電流為4A時，若電流大于額定電流的3.5倍以上，則認為是電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此時可利用電流互感器，對電機電流值進行采集，并對采集的數(shù)據(jù)進行判斷。對于電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)，需要采取的措施是關閉電機轉(zhuǎn)動，查找故障原因。這樣可以保護電機，使其不會因為過載而被燒毀。

電機軸上裝有永久磁鐵，通過電機軸的旋轉(zhuǎn)，給供電的霍爾元件輸出高低電平變化脈沖，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動圈數(shù)計數(shù)。當電機正常運行時，其霍爾傳感器位置檢測輸出規(guī)則的高低電平方波（高電平5V，低電平0V）。當電機處于堵轉(zhuǎn)時，霍爾傳感器位置檢測輸出高或低電平，因此單片機可以通過電平變化的狀態(tài)，判斷電機是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。

1.4.2 控制系統(tǒng)電壓保護

電動座椅控制器采用12V的電源電壓供電。當供電電壓跌落到8.0V時或大于15.5V時，單片機停止工作，同時發(fā)出不同聲響的報警音。

1.4.3 輸出端口隔離保護

座椅控制器對信號的采集和輸出，均采用小型雙向隔離光耦，其具有抗干擾能力強、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，同時光耦控制板采用容錯設計，即使控制線斷開，繼電器也不會發(fā)生任何動作。

2 硬件設計方案

2.1 硬件總體設計

圖2所示為電動座椅控制系統(tǒng)總體框圖。其中，上位機（計算機）采用無線藍牙或USB通信線與下位機（嵌入式座椅控制器）連接，上位機軟件采用C#語言來設計相關界面。上位機操作界面上有M1（基本模式）、M2（舒服模式）、M3（復位模式）3種狀態(tài)的設置按鈕，其初始設定值在出廠時已設置好，分別點擊M1、M2、M3按鈕，座椅便會自動進行相應的運行。此外，上位機操作界面上還有一個復位按鈕，按下該按鈕，座椅上的7個電機同時轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。

圖2 電動座椅控制系統(tǒng)硬件總體設計框圖

座椅控制器采用具有51內(nèi)核的單片機STC8H8K64U,其可提供豐富的數(shù)字外設(串口、定時器、高級PWM以及RC、SPI、USB)接口與模擬外設(超高速ADC、比較器)端口，便于實現(xiàn)各種輸入/輸出控制。電機的正反轉(zhuǎn)可利用16路12V單刀雙擲繼電器進行切換來實現(xiàn)。

2.2 藍牙通信模塊

為了簡化系統(tǒng)上位機和下位機的編程，降低難度，本文設計上位機和下位機之間采用藍牙串口透傳模塊通信，這樣二者之間的通信編程就轉(zhuǎn)化為串口編程。本文選擇HC-08藍牙模塊，這是目前行業(yè)內(nèi)采用的一款主流的藍牙模塊，具有低功耗、操作簡單、通信效果好等優(yōu)點。

2.3 主控單元模塊

根據(jù)硬件設計原理框圖分析，電動座椅控制系統(tǒng)需要16個輸出口控制繼電器、8個輸入口檢測轉(zhuǎn)動圈數(shù)、8個輸入口檢測堵轉(zhuǎn)過流、2個串口連接藍牙模塊，因此本文選用STC8H8K64U開發(fā)板，其端口數(shù)量足夠多，可滿足使用要求。

2.4 繼電器模塊

當駕駛員通過上位機上的按鈕調(diào)節(jié)座椅模式時，座椅控制器對上位機發(fā)來的命令字進行解析，以便控制端口的電壓變化，達到開啟或關閉繼電器、實現(xiàn)電流方向變化的目的。電動座椅的驅(qū)動電機連接在兩個繼電器的動靜觸點上，可利用兩個繼電器的常開與常閉觸點電源的流向變換，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。

當駕駛員按下座椅高度電機朝上的箭頭時，上位機發(fā)出高度電機正轉(zhuǎn)的指令，座椅控制器對指令進行解析后，K1的標號輸出高電平，三極管Q1輸出高電平，K1繼電器吸合，此時12V電源的電流經(jīng)過K2繼電器常閉點到直流電機的正極，電機的負極與K1的常開點相連，K1觸點另一端接地，實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)到限位點時，上位機的按鍵顯示紅色。當駕駛員按下座椅高度電機向下的箭頭時，則K1和K2功能互換。電機正反轉(zhuǎn)控制控制原理如圖3所示。

圖3 電機正反轉(zhuǎn)控制原理

2.5 基于標準模塊數(shù)據(jù)庫的硬件自動化設計實現(xiàn)方案

電動座椅系統(tǒng)整個硬件電路主要由主控模塊、藍牙通信模塊、電機驅(qū)動模塊（繼電器模塊）、霍爾電流檢測模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊（12V轉(zhuǎn)5V）、USB轉(zhuǎn)串口模塊、復位模塊等組成。其中，每種類型的模塊都可以重復調(diào)用，尤其是電機驅(qū)動模塊和霍爾電流檢測模塊。因此每一類硬件模塊可以設計出一種典型的應用電路增添到模塊數(shù)據(jù)庫中，然后在硬件設計過程中直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應的硬件模塊，應用基于硬件與主控模塊之間的連接規(guī)則的硬件電路自動連線算法，最終自動生成系統(tǒng)的整體硬件電路。

系統(tǒng)硬件設計的具體步驟如下：

1）根據(jù)需求確定硬件的總體設計框圖；

2）根據(jù)設計框圖確定各個硬件功能模塊的類型和數(shù)量；

3）從標準數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應類型的功能模塊；

4）根據(jù)基于權重優(yōu)先的硬件連接算法實現(xiàn)各功能模塊之間的自動連接功能；

5）檢查確認整體硬件電路設計是否正確。

3 軟件設計方案

3.1 軟件主程序框圖

電動座椅控制器用來控制座椅電機運動，其核心在于主控程序。主控程序由有線通信、藍牙通信、霍爾計數(shù)、堵轉(zhuǎn)檢測、位置記憶、電機控制等子程序模塊組成。每個模塊可以實現(xiàn)不同的功能，統(tǒng)一由主控程序控制。電動座椅控制器主控程序框圖如圖4所示。

圖4 電動座椅控制器主控程序框圖

1）有線通信模塊：上位機和下位機之間的通信采用波特率為9600、無校驗、4個字符的通信協(xié)議，字符格式為ASCII代碼。

2）藍牙模塊：上位機和下位機之間采用藍牙串口透傳模塊通信，上位機按相關協(xié)議發(fā)送命令字。

3）霍爾計數(shù)模塊：單片機采用外部中斷計數(shù)方式計數(shù)，當霍爾由低到高變化1次，數(shù)值上加1，這樣可有效計算電機旋轉(zhuǎn)角度。

4）堵轉(zhuǎn)檢測模塊：單片機利用外部中斷來監(jiān)測霍爾傳感器的輸出電平變化，從而判斷電機是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。

5）位置存儲模塊：通過I2C串行總線，可對EEPROM存儲器的數(shù)據(jù)進行讀出和寫入，從而保存相應的電機位置數(shù)據(jù)。

6）復位模塊：通過上位機的復位按鈕，可恢復到出廠設置狀態(tài)。

7）電機控制模塊：通過繼電器的觸點變換，改變電流的流向，從而實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。

3.2 主程序通信解析流程

座椅控制器主程序是一個一直在循環(huán)的過程，只要開機，軟件系統(tǒng)將按照圖5所示的流程一直運行。當座椅控制器檢測到上位機通過USB或者藍牙發(fā)來的通信數(shù)據(jù)時，便會按照相關通信協(xié)議進行解析，從而控制相關電機進行動作。

圖5 座椅控制器主程序流程圖

3.3 電機同步控制算法

同步控制是指一個坐標的運動指令能夠驅(qū)動多個電機同時運行，通過對多個電機移動量的檢測，將位移偏差反饋到數(shù)控系統(tǒng)獲得同步誤差補償。

1）基本模式：座椅靠背電機、座墊高度調(diào)節(jié)電機、座墊傾角電機、座墊水平電機的機械運動角度和行程各不相同，而且這些電機都需要同步控制。因此，把霍爾傳感器信號作為反饋計數(shù)信號，利用單片機對霍爾傳感器計數(shù)，其相關數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為運動行程，確保多個電機同步控制的穩(wěn)定性、控制精度和運行狀況平穩(wěn)。

2）舒適模式：靠背肩部電機、腿托前后電機、腿托旋轉(zhuǎn)電機的行程各不相同，利用霍爾計數(shù)數(shù)據(jù)和電機行程長度的對應關系，將計數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運動行程。其控制方式和基本模式相似。

3）復位模式：在運行該模式時，需要以基本模式和舒適模式的最后數(shù)據(jù)為起始數(shù)據(jù)，同步控制7個電機運動，采用PID控制算法，以霍爾傳感器為位置檢測反饋信號，確保每一個電機運行穩(wěn)定可靠，座椅系統(tǒng)整體運行到駕駛員最初設置的位置。

3.4 基于設計自動化的座椅控制器嵌入式軟件實現(xiàn)方案

由于主程序控制框圖中各個模塊的底層驅(qū)動程序與系統(tǒng)相關硬件是關聯(lián)的，而且所采用的PID控制算法等多種算法的實現(xiàn)程序結(jié)構不變，所以可將各個模塊的底層驅(qū)動程序和算法的實現(xiàn)程序封裝成標準子程序，做成軟件模塊數(shù)據(jù)庫。這樣在進行系統(tǒng)軟件設計時，就可以直接調(diào)用軟件子程序數(shù)據(jù)庫中相應的子程序，有效減少軟件編程的工作量，提高設計效率，也能進一步優(yōu)化軟件架構，降低調(diào)試難度。

系統(tǒng)軟件設計的具體步驟如下：

1）在硬件設計完成的基礎上，編寫相應模塊的底層驅(qū)動程序，如電機驅(qū)動程序、藍牙模塊驅(qū)動程序、PID控制算法程序等，將其封裝成標準子程序，導入子程序數(shù)據(jù)庫中；

2）設計主程序的總體軟件流程圖，梳理控制邏輯；

3）根據(jù)總體軟件流程圖自動生成相關的全局變量和主程序；

4）在主程序的后面，根據(jù)流程圖的順序依次調(diào)入相關的標準子程序模塊；

5）判斷流程圖中標準子程序是否多次調(diào)用，如果屬于多次調(diào)用，則只在源程序中出現(xiàn)一次；

6）進行程序測試與優(yōu)化。

4 實驗結(jié)果及分析

電動座椅控制系統(tǒng)設計完成后，本文對其進行了驗證，整個系統(tǒng)累計測試次數(shù)達5000次，并未發(fā)生一次故障。測試結(jié)果表明：電動座椅可實現(xiàn)基本模式、舒適模式、復位模式等功能，而且控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、控制精度高、運行狀況良好。

5 結(jié)論

本文設計的基于嵌入式軟硬件自動化的汽車電動座椅控制系統(tǒng)，具備基本模式、舒適模式、復位模式等功能，不僅解決了因工程師技術水平參差不一而導致的達不到客戶要求的情況，同時還避免了設計過程中要反復修改、工期拉長的情況。采用自動化設計方案，可使嵌入式控制系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)模塊化、標準化以及設計的快速化。自動化設計方法正在得到越來越多的研發(fā)工程師的認可，在嵌入式控制系統(tǒng)的研發(fā)中使用也越來越廣泛。