智能化车窗升降控制系统的设计

1、1111摘要. 关键词. 1111 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1总线控制系统31.1基于LIN总线控制系统3LIN总线的技术特点 3 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document LIN总线协议4 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 1.4车窗控制系统的硬件设计5 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 1.5LIN节点设计5 HYPERLINK l bookmark34 o Cu

2、rrent Document 2分电路设计和论证6 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 2.1电源模块设计6 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.2电机驱动模块设计7 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 2.3温度传感器模块设计8A/D转换模块设计9 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 2.5汽车车窗系统智能控制实现102.5.1车窗系统防夹功能的实现1011 HYPERLINK l bookmark

3、58 o Current Document 2.6系统硬件抗干扰设计12 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 3软件设计133.1系统主程序流程图 LIN主机程序LIN从机程序A/D转换程序 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 3.5温度控制模块程序17 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 3.6系统软件抗干扰设计18 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document 4软硬件系统的调试20

4、LDF文件的配置20LlN节点软件设计5展望21参考文献致谢智能车窗升降控制系统的设计摘要：随着汽车电子技术的迅猛发展，消费者对汽车的舒适性和安全性要求也在不断提高。车窗系 统是汽车车身的重要组成部分，大多数消费者都把电动车窗作为不可缺少的舒适功能，它能使人们 更好地保护和驾驶汽车，因此汽车制造商都将其看作一种基本功能。当前车窗系统正朝着模块化、 智能化、人性化的方向发展。本设计是基于温差和车速的车窗控制算法，能够提高驾驶员快速行驶 时的舒适性和安全性，在此基础上，构建了采用LIN总线技术的车窗和LIN网络控制系统。关键词：LIN总线；车窗智能控制；安全性；舒适性Design of Intel

5、ligent Window Control SystemAbstract： With the rapid development of the automobile electronic technology, peoples demands on automobiles safety and comfort requirements are also rising. Window system as an important part of automobile body, Most of the purchaser will be considered power windows as n

6、ecessary comfort features, It makes people driving and protecting automobile much better, therefore， automobile manufacturers considered it as a basic function. At present, the window system is developing along the direction of modular, intelligent and humane. In this paper, a window control algorit

7、hm based on the driving speed and temperature difference was given, which can improve the drivers safety and comfort at high speed. On this basis, constructing windows LIN network control system was constructed based on LIN-bus technology.Keywords : LIN bus; automobile windows intelligent control; s

8、afety; comfort引言近年来随着我国汽车行业的快速发展，汽车电子市场也迅速扩大，整个市场以超 过40%的比例高速增长，其中车身电子产品占到所有汽车电子产品的35%40%。目 前，车身电子的热点应用排名前三的是车窗控制、车载空调和车灯控制。在车身电子 中，对半导体需求量排名前三位的应用领域分别是：车载空调，大约占44% ；车窗控 制，大约占22% ；车灯控制，大约占10%，排名第四位的是电动车门控制。根据汽车 电子专业调研公司的数据，去年中国汽车市场车身电子的半导体器件需求量约为19 亿美元，而中国本地设计的比例大约在10%15%之间，预计未来几年这一比例将会 快速增长。综上所述，车窗

9、控制产品已成为车身电子产品重要的组成部分1。随着汽车的普及，人们越来越重视汽车的安全性方面。在车窗控制系统中，汽车 电动车窗具有防夹功能成为系统的必备要求。这样当车窗上升遇到障碍物（如头、手等） 时能够自动后退到底，从而可以有效避免事故的发生，车窗防夹功能对汽车的安全性 能来说是一种十分人性化的设计。一般来说在驾驶员高速行驶过程中，如果手动控制 车窗升降速度，就会使驾驶员分心，而且很有可能在调控车窗时发生安全事故，因此 汽车高速行驶过程中一般使用车窗自动升降。而在车窗自动升降过程中，如果车内外 温度差异过大则会在车窗开关的过程中产生较大气流，从而影响到汽车的稳定性，与 此同时也会引起人体的不适

10、，导致安全事故的发生。由此可见，温度因素是影响驾驶 员身体不适、导致安全事故的重要原因之一。基于以上原因，本设计在温差控制方面 做出了改进，使得车窗系统更人性化和智能化。本设计在车窗控制系统上增加了温度传感器模块，可以在驾驶员行车速度超过标定 车速时，通过温度传感器检测测得车内外温度，再由A/D转换电路把温度数据传到微控 制器，使用新的车窗控制算法控制车窗电机智能实现车窗升降器的升降，从而提高驾驶 员行车过程中的舒适性和安全性，更进一步改善了车窗控制系统的安全性能。与此同时，在我国国外企业垄断了利润丰厚、技术含量高的发动机电子、车身电子 和底盘电子等产品的汽车电子市场，国内企业仍局限于低端产品

11、，如车载音响等。国内 的汽车公司大多数没有建立自己的总线网络技术标准，更多的还是主要开发支持 CAN/LIN的车载设备，配合某种车型的CAN/LIN网络使自己的产品支持这种总线通信协 议。目前我们的研发工作还处于向国外学习的阶段，但许多与汽车电子技术相关的外国 文献都是讲其优势而不讲其缺陷。结果使我国许多从事汽车电子技术的研发人员在进行 研发的过程中，不能取长补短，使研发陷入困境。突破技术封锁也是我国面临的巨大挑 战2。本设计旨在提出一种基于LIN总线技术的汽车车窗智能控制系统，使得该系统具有 低功耗、低成本、易于维护和稳定性好等优点。首先对LIN总线协议进行了研究，制定 了相应的LIN总线协

12、议规范，然后完成了车窗控制系统软硬件功能的实现，包括汽车车 窗防夹系统与温控车窗舒适系统的实现，改进了车窗控制系统的舒适性和安全性，使得 车窗控制系统的设计更加人性化。1总线控制系统1.1基于LIN总线控制系统车载网络可分为舒适网络和驱动网路。一般来说CAN协议用于驱动网络，而LIN 协议用于舒适网络。相对于开发高速CAN网络所需要的成本，LIN网络更加适合用 于性能要求不高的舒适网络，因此在车门，车灯，车窗等部件中，引入了 LIN总线， 这样既可以满足系统正常运行的需要，又可以使整个车的成本得以减少。本次车窗控 制系统总体框架图如图1-1所示。图1-1车窗升降控制系统总体框图当驾驶员按下车窗

13、的按键开关时，车速传感器把信号传到微控制器，如果车速超 过设定的标定车速时，通过温度传感器检测测得车内外温度，再由A/D转换电路把温 度数据传到微控制器，使用新的车窗控制算法来控制车窗电机智能实现车窗升降器的 升降。在车窗的升降过程中，智能功率驱动器件MC33486通过监测电机的电流变化， 通过相关的防夹算法来实现车窗的防夹功能，实现了车窗系统的智能化控制过程，提 高了驾驶员行车过程中的舒适性和安全性。1.2 LIN总线的技术特点LIN总线是一种成本低的串行通讯网络，用来实现汽车中的分布式电子系统控制。 LIN总线的目标是为现有汽车网络提供辅助功能。LIN总线协议是建立在通用的UART(Uni

14、versal Asynchronous Receiver/Transmitter，即异步串行通信)硬件接口上，实现 起来比较简单，只要具有UART功能模块的单片机都可以作为LIN网络的节点。在物理 上仅仅使用一根12V信号线，采用单主多从的结构，避免了总线报文的竞争。通常情况下，一个LIN网络上的节点数量不应超过16,最大标示符的数量为64。否 则，节点的增加将减少网络阻抗，会导致环境条件变差。用户不需要改变现有的LIN从 节点的硬件和软件就可以在LIN网络上增加节点。LIN总线的目标是为现有的汽车网络 提供辅助功能，LIN网络作为现有网络的补充提高了汽车总体网络的性能，降低了汽车 电子控制装

15、置的开发以及生产成本。在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合，比如车 窗控制系统制动装置和智能传感器之间的通讯，使用LIN总线可以大大节约成本。LIN 总线的出现使人们可以采用更低成本的解决方案来补充汽车高端CAN总线的不足4。LIN总线的主要特性有以下几点：单主多从的结构，无需总线仲裁，由主节点控制总线访问。低成本单线12V数据传输，线的驱动特性符合改进的IS09141标准。基于通用的UART接口，几乎所有微控制器都具备LIN必需的硬件。从机节点不需石英或陶瓷谐振器可以实现自同步，减少了硬件成本。(5)传输速率最高达20Kbit/s。从LIN协议通讯的角度来看，一个LIN网络由一个主机任务模

16、块(master task)和若干 个从机任务模块(slave task)组成。主机节点中既有主机任务模块又有从机任务模块，其 它的节点都只有从机任务模块。在LIN网络中，由主机任务模块来决定什么时候在总线 上传输什么报文帧，而从机任务模块则提供每一帧需要传送的数据。从机任务模块和主 机任务模块都是帧处理层的组成部分4。本次车窗控制系统把驾驶室侧作为主节点，其 他的作为从节点构成了车窗系统的LIN. 0网络，如图2-2所示。在车窗LIN网络中，主节 点的主要功能是用来采集车窗升降信号和温度传感器信号，同时控制整个网络通信的发 起；从节点的主要功能是来通过判断由主节点发来的控制信息和本身所采集的

17、状态，控 制相应的车窗电机工作。如图1-2所示。图1-2 LIN总线网络结构图LIN总线最初是为汽车电子控制系统设计的，也可以用于工业控制或者家用电子产 品如冰箱中、洗衣机。对车载网络的典型应用是在汽车中的联合装配单元，如车门、车 灯、座椅、温度传感器等。对于这些比较敏感的单元，LIN总线可以把这些器件很容易 的连接到车载网络中，并可以得到十分方便的维护和服务。1.3 LIN总线协议LIN协会于1998年由主要汽车制造商成立，主要目标是定义和实现汽车使用的高品 质线性总线系统的低成本、开放式标准。LIN协会在1999年7月发布了最初的LINv1.0版 本。在2006年11月，LIN协会推出了目

18、前为止最新版本的LIN v2.1协议，它对以前的版 本的兼容性增强了，对部分LIN v2.0的功能进行了说明，其中详细说明和修改了总线配 置部分，增强了传输层，增加了总线诊断功能LINv2.1总线规范包括了3个主要部分：LINv2.1协议规范介绍了LIN的物理层、 数据链路层和传输层的协议规范；LIN API操作规程建议一一介绍了网络和应用程序之 间的接口； LIN配置语言规范一一介绍了LIN配置文件的格式，用于配置整个网络。1.4车窗控制系统的硬件设计车窗控制系统主要是由车窗、车窗电机模块、车窗升降器、控制开关以及相关的电 子电路模块等装置组成。车窗与车窗升降器主要是机械结构。车窗的控制开关

19、有两套，一主一从能控制每个车窗的升降。一般在主开关上安装断路开关，如果它断开，分开关 就不会起作用。现在的车窗控制系统内安装的先进电子设备，具有安全保护功能，可以 通过电子模块控制对电机的过压、过流及过热保护，并且当玻璃上升的途中遇到障碍时 会自动识别而停止转动，有效防止乘客夹伤，实现了防夹功能。1.5 LIN节点设计微处理器需要选择符合LIN v2.1规范的收发器和带有异步串行收发器模块(UAI)的 微控制器，因为它决定了系统的硬件设计连接以及软件开发环境等一系列的问题。在汽 车专用微控制器(MCU)领域，美国Microchip(微芯1.5 LIN节点设计微处理器需要选择符合LIN v2.1

20、规范的收发器和带有异步串行收发器模块(UAI)的 微控制器，因为它决定了系统的硬件设计连接以及软件开发环境等一系列的问题。在汽 车专用微控制器(MCU)领域，美国Microchip(微芯)和Freescale(飞思卡尔)两家公司的 MCU针对LIN的数据收发进行了优化设计，同时，针对汽车的恶劣环境如温度，电磁干 扰严重、湿度变化大做了性能优化，是用于车内LIN控制节点微控制器的较好方案5。 本设计选用Microchip公司的PIC18F25J10单片机和LIN物理层收发器MCP202x芯片构成 节点的硬件。PIC18F25J10单片机提供了工业级的制造工艺和流片工艺保证，而且成本较低，因 此能

21、够适用于严酷的车内运行环境。MCP202x是LIN总线收发器，在单片机和LIN半双 工总线之间提供了一个物理接口，可以为汽车以及工业应用提供一个最高20K的串行总 线传输速率。LIN收发器MCP202x芯片针对工作在汽车环境下的情况进行了特殊设计， 符合LIN v2.1总线规格6。如图1-3所示。+I1V何畦节点rRg-丁.11f M口 LMCLRRB7.-PGDRADRA1WRA1RBIRSSSCIVPDVSSReaRC7BC1BCTRC1此以邵】T gg-LYJIL。甲 HIIM a_u_ 22FF21NTEDL9IBEXDITTOOIGSI牌-TXD4RXD CS VEEG TXD-Ob

22、DUUNBU3FAULTVBBT.扪毛.g皿 7皿6 LUBSs图1-3 LIN节点硬件电路设计图1-3是LIN总线的节点硬件连接示意图。图中C3选用陶瓷电容或钽电容，使芯片能 在更大的温度范围内工作。C5用作外部电压源的滤波电容。D1和D2的设计是为了用于 甩负载保护，为可选器件。D4则是27V的瞬态电压抑制二极管，同为可选器件，能够在 电源瞬变的时候起保护作用。因为LIN总线是单主多从结构，无需总线仲裁，由主节点 控制总线访问，故对LIN主节点的保护额外重要，所以采用了图中包含二极管D3的虚线 部分来实现对主节点的保护。图中MCP202x为PIC18F25J10和LIN总线之间提供了一个双

23、向通信接口，可以把LIN 总线的电平转换成微控制器能够接收的TxD、RxD信号，或者进行与之相反的转换。其 中，PICl8F25JlO供电电源3.3V由汽车电源经电源转换稳压得到。MCP202x的供电由汽 车电源直接供给12V。PIC18F25J10的增强型异步收发器可以用硬件完成LIN报文帧的同 步间隔场接收，并以中断的方式告知单片机开始接收总线的数据。LIN报文帧的数据收 发满足l位起始位，8位数据位，1位停止位条件，用微控制器的UART模块和UART中断 功能即可完成LIN总线上数据的收发7。2分电路设计和论证2.1电源模块设计目前汽车内的蓄电池电源通常都是直流+12V，它可以为汽车内很

24、多电子设备来供 电，比如电子打火器，自动车窗，各类电子仪表等。虽然是蓄电池，但仍难以保证其 稳定输出。车载网络中主要用到两种电源：+12V和+5V，+12V的电压主要是为电机 驱动供电，+5V的电压是给电路中的其它芯片供电，因此需要进行+12V至0+5V的转 换，而车载电源的稳定性差，需要其输出电压进行稳压8。电源电路采用了 LM2576 稳压电源电路芯片，对+12V转+5V供电电路如图2-1所示。图2-1 +12V转+5V电源转换电路在稳压芯片LM2576瞬间停止输出时，由电感给电路供电，此时稳压二极管1N5822 作为回路的一部分，能够承受更大的电流，起到反向保护的作用。图2-1中的电容C

25、6和 C7选用电解电容，能够有效滤除高低频干扰。这样设计的输出电压就是一个抗干扰能力 很强的电源供应了。因微控制器PIC18F25J10需要+3.3V电源供应才能正常工作，而图3-1中由蓄电池电 源转化而来的电源电压是+5V，所以在此基础上使用了AMS1117线性器件作为转换芯片 产生CPU所需的+3.3 核心电压，图3-2是+5 V转+3.3V电源转换电路。电容和图2-1中电 容所起的作用相同9。如图2-2所示。图2-2 +5V转+3.3 V电源转换电路2.2电机驱动模块设计电机驱动模块的合理设计，主要在于调节步进电机程序的启动频率。这是启动频 率的极限，实际使用时，只要启动频率小于或等于这

26、个极限值，步进电动机就能够直 接带动负载启动了。利用单片机控制步进电机的控制系统如图2-3所示。图2-3单片机控制步进电机的系统框图合理地选用步进电动机是非常重要的，一般希望步进电动机的输出转矩大，步距 误差小，启动频率和运行频率高，性能价格比高。但增大转矩和快速运行存在一定矛 盾，高性能和低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须考虑全面。步进电动机的工作 方式与一般电动机不同，它采用脉冲控制方式工作的。只有按照一定规律对各相绕组 轮流通电，步进电动机才能够实现转动。现在采用的功率步进电动机有3相、4相、5 相和6相等。工作方式有单m拍、双m拍、3m拍以及2m拍等，一般情况下电机的 相数越多，工作

27、方式就越多。本设计采用的是3相6拍步进电机控制程序。车窗电机一般采用供电电压为1115V，工作电流小于等于15A，堵转电流不大 于28A的永磁直流电机，需要的电机功率较大而且伴有冲击电流的正反相控制要求。 智能功率芯片MC33486可以外接两个MOSFET管(在这里选用P60N06，可以输出较 大的工作电流驱动电机)组成一个H桥。电流最大达到10A,直流输入电压范围是828V,而且当电压高于28 V时有过 压保护功能。它能够采集电机的电流，利用它反馈给单片机A/D采样模块得到电机的 电流值，从而实现车窗防夹功能和完成电机的双向控制，达到了车窗电机驱动模块的 设计要求10。电机控制原理为：初始状

28、态中，GLS1与GLS2都同时置于高电平或低电平，OUT1 与OUT2 一直保持高电平。当U6中的栅极为低电平而且U7的栅极为高电平时，直流 电机正向转动，车窗上升；反之，当U6中的栅极为高电平而且U7的栅极为低电平时， 直流电机反向转动，车窗下降，这样就可以完成永磁直流电机的正反相控制要求。除此之外，飞思卡尔的功率芯片MC33486还具有负载电流的线性复制功能，CurR 输出电流和负载电流成线性比例，CurR输出电流再通过采样电阻与限流电阻把电流转 化成电压输入到单片机来实现电机的双向控制。其正常工作温度范围在40C150C， 正常连续输出采样端。电压进行A/D转换和一些计算后就可以得到负载

29、的真实电流。 因此，监测输入到单片机端口的电压就等同于监测车窗运动中电机的电流。车窗下降 过程、上升过程、上升遇到阻力过程中经过电机的电流都呈规律性的变化，而这些电 流变化都可以通过电流采样实时的反映到单片机中11。2.3温度传感器模块设计车身控制用传感器主要用于提高汽车的可靠性、安全性和舒适性等。由于它的工作 条件不像发动机和底盘那么恶劣，一般工业用的传感器稍加改进就可以使用。主要有用 于自动空调系统的温度传感器、风量传感器、湿度传感器、日照传感器等；用于安全气 囊系统中的加速度传感器；用于门锁控制中的车速传感器；用于倒车控制中的超声波传 感器或激光传感器；用于亮度自动控制中的光传感器；用于

30、保持车距的距离传感器；用 于消除驾驶员盲区的图像传感器等12。针对汽车内电磁干扰严重，温度变化大等十分恶劣的环境，选用了温度传感器 LM335A，其正常工作温度在-40C100C之间，具有很高的工作精度与较宽的线性工 作范围，集成了信号调理电路和传感电路，且器件输出电压和摄氏温度成正比。而从使 用角度来说，LM335A和用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处12。温度传 感器模块电路由温度传感器LM335A和电位计组成。其电路连接如图2-4所示。图2-4温度传感器模块电路因为需要同时测得车内外温度，所以需要两路温度传感器模块，但为了测量的精确 性和减少误差，所以车内外采用了同一组温度传感

31、器模块。结合实际需要，车窗控制系 统中的温度传感器模块完成的主要功能如下所示13：系统网络化，将采集到的数据通过LIN总线传给上位机和其他节点。监视温度信号的变化情况，通过温差算法实现车窗智能升降功能。（3）采集温度数据，并对其进行滤波处理。2.4 A/D转换模块设计因为此次测量信号是温度信号，不需要过于高的采样率，所以采用了美国德州仪 器公司生产的TLC2543芯片14。TLC2543有11个通道的12位开关电容逐次逼近模 数串行A/D转换器，采样率是66kbit/s，速度比较快，采样和保持由片内采样保持电 路自动完成。此外，它的线性误差较小，成本较低，节省口线资源，也使得它特别适 用于此次

32、车窗设计。图2-5给出了 TLC2543和PIC18F25J10的连接电路。图2-5 A/D转换模块电路图TLC2543芯片的工作原理如下：上电后，EOC为高，片选CS由高变低，I/O口CLOCK、 DOUPUT脱离高阻状态，12个时钟信号从I/O 口依次进入，随着时钟信号的加入，控制 字从DINPUT在时钟信号的上升沿输入，同时输出上一周期的数据从DOUPUT输出，前4 个时钟信号决定了通道号的选择，然后继续采样，到第12个时钟的下降沿，EOC变低， TLC2543则自动完成采样的模拟量的A/D转化，然后进入新的工作周期。编程时需注意 的是，DOUPUT输出的数据总是上一次转换的结果。本次设

33、计一共使用了3路AD，分别测量车内温度、车外温度和电机防夹过程产生的 电流变化。温度由LM335Z采样来的标准模拟信号经过TLC2543转换后，送入微控器 PIC18F25J10进行下列处理：有效数据检查、数字滤波等。其中有效数据检查可以避免 因线路故障而采集到虚假数据，对输入信号进行有效性检查，主要来保证所测量的温度 信号在正常的范围内15。2.5汽车车窗系统智能控制实现2.5.1车窗系统防夹功能的实现 随着汽车的普及，人们越来越重视汽车的安全性。 在车窗系统中，汽车电动窗具有防夹功能已经是一种趋势。当车窗上升遇到障碍物时 能够自动后退到底，从而能够避免事故的发生。本论文的车窗防夹控制模块的

34、设计采 用了飞思卡尔公司的智能功率驱动器件MC33486，通过监测车窗运行中永磁直流电机 的电流变化来实现防夹功能。如图2-6所示。图 2-6 MC33486 芯片在基础车型的电动车窗控制电路中，控制车窗电机采用的是继电器和开关，容易 发生粘连等问题。但在本系统中采用智能功率驱动器件控制车窗电机，通过控制加在 直流电机上的电压方向来控制电机的转动方向。升降器电机通过的电流的变化反映玻 璃上升或下降过程中遇到的阻力变换情况，通过采样玻璃升降器电机通过的电流，监 测电流就可以监测玻璃升降过程中阻力的变化情况从而执行相应的操作。智能功率驱 动器件可以实现对电机的过流、过热及过压保护，而且通过监测电流

35、自动识别玻璃上 升途中遇到障碍的状况，进而进行反转，防止夹伤。控制模块可以实现的功能：（1）点按车门控制键（按键时间小于300ms），车窗自动上升到顶或下降到底，点 按同一开关任意键，车窗停止上升或下降。车窗运行到顶位或底位时自动停止，车窗电机断电。延时按控窗键(按键时间大于300ms)，车窗上升或下降，上升或下降过程中 释放按键车窗即停。车窗玻璃在自动上升的过程中如果遇到一定的阻力会自动停下来，下降一段 距离，能有效地防止人或物品的意外夹伤。车窗防夹控制模块的主要部分是车窗电机，一般采用内置减速器的可逆性永磁直 流电机，电机内有磁场线圈，通过控制加在线圈上的电压方向就可以控制电机的正反 转，

36、达到实现车窗玻璃的上升和下降的目的。本设计采用了智能功率驱动器件MC33486控制车窗电机，通过控制加在直流电 机上的电压方向来控制电机的转动方向。通过升降器电机的电流的变化完全反映玻璃 上升或下降过程中遇到阻力的变换情况，通过采样电机升降过程中通过的电流，监测 电流就可以知道阻力的大小。2.5.2车速与温差的车窗控制车速表及车速传感器是提供车辆行驶速度信息的重要工具，这里不考虑磁性元件的磁性变化、零件的自然磨损以及汽车轮胎胎压造成的 影响，假设汽车行驶过程中由车速传感器采集的信号经过处理得到的限定速度为 Vmax。传统的汽车车窗控制系统，当驾驶员在汽车行驶的过程中，在车速超过标定速 Vmax

37、时，如果车内外的温度反差过大，会在行驶过程中产生过大的气流而影响汽车 的稳定性，造成驾驶员短暂的不适，从而可能导致交通意外的发生。为了克服现有的车窗不能在高速驾驶的过程中智能的调节车窗升降的快慢，避免 可能的安全隐患，本设计提供了一种新的基于车速和温差的车窗控制算法。如果驾驶 员在高速行驶时，此时按下车窗升降开关，车速传感器将数据传到微控制器上，检测 到行车速度超过限定车速Vmax，则在驾驶员高速驾驶的途中通过温度传感器测得车 内外温度，并通过A/D转换电路将温度数据传到微控制器，通过新的车窗控制算法控 制车窗电机实现车窗升降器的智能升降，从而实现自动调节车窗升降的快慢。在驾驶 员行车速度超过

38、限定车速Vmax时，如果内外温度反差较大的时候实现车窗的较慢升 降；反之，在内外温度反差较小的时候实现车窗的较快升降，在汽车驾驶过程中提高 了驾驶员的舒适度，改善了驾驶员的驾驶环境，最重要的是减少交通意外发生的可能 性。在汽车行驶速度超过限定车速Vmax的情况下，为该车窗控制器提供的算法包括 如下步骤：通过温度传感器分别获得一组车内温度XI，X2,，Xn，一组车外温度Y1， Y2，Yn；对两组数据分别采用算术平均法得到Xm，Ym，由算术表达式n=Xm-Ym可 得到车内外温差数据；判断n是否在人体适应范围m内，即-mnm；如果不是，则车窗电机以原来 a(0a1)倍的速度转动。2.6系统硬件抗干扰

39、设计目前汽车上电子装备大量增加，而半导体逻辑器件对于电磁干扰相当敏感，车载电 器低电压、大电流负载特性使其开、关过程在供电线路上产生很多干扰，继电器或电机 等负载的开关过程也能产生干扰汽车电子系统的瞬变电压，还有一些其他等原因使得车 载电子器件一直处在恶劣的电磁环境。为了保证车载网络的系统安全和可靠运行，其必 须具备良好的电磁兼容性(EMC)，所以进行硬件设计时必须考虑抗干扰的问题。电磁兼容性设计主要包括两方面，即切断电磁辐射进入电子产品内部产生相互干扰 的通路，提高对电磁效应敏感器件的质量。从汽车电子系统的总体和电路设计方面采取 措施对最敏感的器件和部位进行屏蔽保护16。本车窗系统硬件设计中

40、的PCB主要采取了如下2个抗干扰措施：在每个芯片输入输出端都加了相应的旁路电容和去耦电容。旁路电容是为本地器 件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电 电池一样，旁路电容可以被充电，并向器件进行放电。为尽量减小阻抗，旁路电容要尽 量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。去耦电容有三个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开 门关门瞬间的充放电能；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传 播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对 象，防止干扰信号返回电

41、源。这是旁路电容和去耦电容的本质区别。加粗导线宽度，以减少导线上的电阻。同时，使电源线、地线的走向一致，这种 措施也有助于加强电路板的抗干扰能力。在分电路设计和论证中，首先给出了车窗控制系统的总体框架图，然后介绍了 LIN 协议中的一些基本概念，报文的通讯机制和LIN协议规范中的错误类型。再给出了此次 车窗控制系统的硬件设计方案，包括详细的LIN节点硬件原理设计、电源模块设计、直 流电机驱动模块设计、温度传感器模块设计、A/D采样模块设计，最后介绍了此次硬件 设计中采用的两项有效防干扰措施。3软件设计3.1系统主程序流程图系统主程序流程图，指明系统数据的程序流程。如图3-1所示。图3-1系统主

42、程序流程图通过基于车速和温差的车窗控制算法，车速传感器和温度传感器结合不仅可以用于 车辆行驶记录和预测，而且改进了车窗控制系统的安全性和舒适性，使其设计更加彰显 智能化和人性化，符合电子车窗系统将来的发展趋势，具有广泛的运用范围和实际的运 用价值。LIN主机程序LIN主机程序流程图，指明LIN主机系统数据的程序流程。如图3-2所示。图3-2 LIN主机程序流程图首先，主节点完成微控制器的寄存器初始化和变量初始化，然后进入自身任务循环 中。在车窗控制方案中，如果中央控制单元检测到开关状态后，就向主节点发送消息。 此时主节点立即启动LIN报文帧的发送，先发送主机任务，然后延时帧内响应间隔规定 的时

43、间后，再启动从机任务发送。相应标识符的从节点接收到从机任务内容后，执行预 先定义的操作，如打开、关闭车窗等。主节点采取边发送边接收的方式，如果接收到的 位与发送的位不一致，则会取消这一次发送，重新启动新的发送过程。如果从节点接收 报文后，产生了位错误、校验和错误、标识符奇偶校验错误，从节点就认为没有收到任 务帧。当主节点启动总线诊断主机任务后，从节点的从机任务以诊断信息告知主节点己 经发生错误17。LIN主机节点软件流程图充分考虑了车窗整体执行动作的一致性和总线信号传输之 间的关系。任何一个车窗当输入信号发生变化时，先将此信号通过LIN总线传输到其他 的节点上，再同步执行该输入信号所要求的动作

44、。LIN从机节点则需要将本地节点的诊 断信息实时地发送给车窗LIN主机节点。这样，LIN主机节点就可以实时地接收LIN从机 节点发送的数据。基于上述原因，主机节点LIN报文的接收放在本地节点的驱动函数执 行之后进行。LIN从机程序LIN从机程序流程图，指明LIN从机系统数据的程序流程。如图3-3所示。图3-3 LIN从机程序流程图从主机节点的软件流程图可以得知，当信号发生变化时，主机节点进行相关LIN报 文的发送，LIN从机节点需要实时地进行相关信息报文的发送。这样，对于LIN从机节 点的驱动函数的实现与主机节点基本相同，我们需要在等待接收LIN主机节点发送报文 的时间内处理本地节点的驱动函数

45、以及本地LIN报文的发送等工作。A/D转换程序A/D转换程序流程图，指明A/D转换程序的结构。如图3-4所示。图3-4 A/D转换程序流程图首先进行程序初始化，判断按键开关的状态，再与PWM波值进行匹配，将输出 的PWM波值转换成电流信号或其他模拟信号，通过A/D转换器转换成数字信号，与 设定值进行比较，看是否相等，如此反复。3.5温度控制模块程序温度控制模块程序流程图，指明温度控制模块程序对输入温度数据的处理。如图3-5所示。图3-5温度控制模块程序流程图温度控制模块程序主要是对温度感应模块采集到的温度数据进行处理，通过与设 定值进行比较后，来调节车窗升降，从而调节车内温度。3.6系统软件抗

46、干扰设计在测控系统中常常存在着静电干扰、电磁干扰、放电和浪涌噪声等多种形式的十 扰。这些干扰可能会造成系统工作点漂移的现象出现，造成测控信号在传输过程中拟 合噪声信号。为了使测控系统可以长期可靠的运行，经常采用屏蔽、隔离、接地等抗 干扰措施来减小干扰对违纪系统的影响。软件抗干扰技术是当系统受干扰后，使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去 伪存真的一种辅助方法。在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵 活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到人们的重视。在实际应用中，软件抗干扰研 究的内容主要是：一、采取软件的方法消除模拟输入信号的噪声（如数字滤波技术）； 二、由于干扰而使得程序运行混乱

47、时使程序重入正轨的方法。本设计针对后者提出了 几种有效的软件抗干扰方法18。看门狗技术是常用的抗干扰措施。与其他的抗干扰技术相比较它采用的是一种亡 羊补牢的办法，即只在其他的抗干扰方法失效后采用的一种补救方法。看门狗的基本 功能是：一旦发现CPU运行不正常，它就发出复位信号，强制系统重新启动。看门狗 技术要实现对CPU的监控，就必须通过两根信号线和CPU进行联系。一根是由CPU 发出的喂狗信号线，而另一根则是由看门狗发出的复位信号线。通过前者CPU可以将 自身正常工作的状态指示信号传给看门狗，处在监视状态的看门狗若能够在一定的时 间内收到有效的喂狗信号，就可以确认计算机工作正常，并且继续监视而

48、不会发出控 制动作。例如：IMP813L和IMP706P的有效喂狗信号是下降沿或上升沿；而另一种看 门狗X25045的有效喂狗信号是程序设定的高电平或低电平。如果在规定的时间内看 门狗得不到喂狗信号，就可以判断出CPU的运行出现了问题，并通过复位信号线发出 复位信号重新启动CPU。如果失控的程序进入“死循环”，通常用“看门狗”技术来使程序脱离“死循环”。 通过不断的检测程序循环运行时间，如果发现程序循环时间超过设定的最大循环运行 时间，就会认为系统陷入“死循环”，需要进行出错处理来使程序脱离“死循环”， 这种技术就是“看门狗”技术。这时强迫程序返回到复位的入口地址0000H，在0000H 处安

49、排一段出错处理程序，使得系统运行纳入正轨。“看门狗”技术可以由硬件实现， 也可以由软件实现。一般在工业应用中，严重的干扰有时可以破坏中断方式控制字， 关闭中断。则系统就会无法定时“喂狗”，硬件看门狗电路就会失效。但是软件看门 狗能有效的解决这类问题。这次次车窗控制系统采用了软件“看门狗”技术。这样， 当程序跑飞的时候能够使程序回到正轨。本设计中软件“看门狗”监视原理为：在主 程序M、车窗防夹程序M1、温差控制程序M2中各设一运行观测变量。假设为MWatch、M1Watch0、M2Watch，主程序M每循环一次，MWatch加l,同样车窗防夹程序M1、 温差控制程序M2各执行一次，MlWatch

50、、M2Watch加1。在车窗防夹程序M1中通 过检测M2Watch的变化情况判定温差控制程序M2运行是否正常，在温差控制程序 M2中检测主程序MWatch的变化情况判定主程序M是否正常运行，在主程序M中通 过检测MlWatch的变化情况判别车窗防夹程序M1是否正常工作。若检测到某观测变 量的变化不正常，比如应当加l但是未加1，就会转到出错处理程序作排除故障处理。 当然，对主程序最大循环周期、车窗防夹程序M1、温差控制程序M2定时周期应该 予以全盘合理考虑。对于软件抗干扰的一些其它常用方法如数字滤波、RAM数据保 护与纠错等，因本设计并未涉及，所以未作讨论。在实际的应用中通常都是几种抗干 扰方法

51、并用，互相补充完善，才可以取得较好的抗干扰效果。从根本上来说，硬件抗 干扰是主动的，而软件抗干扰则是被动的。细致周到地分析干扰源，硬件与软件抗干 扰相结合，完善系统监控程序，就可以设计一套稳定可靠、完全可行的单片机系统19。4软硬件系统的调试在完成智能车窗控制系统的软硬件设计之后，需要对智能车窗控制系统的相关功 能进行测试。车外温度传感器安放在汽车的前窗，车内温度传感器安放在车内中控门 锁附近。行驶车速能够直接通过仪表盘车速传感器得到。车内外的温差一般控制在 50C之内，在这个温度范围内，人体的体温中枢就可以灵活自如地进行调节，假如温 差超过这个界限，身体就会出现不适的症状。此时基于车速和温差

52、的车窗控制系统就 起到了安全性作用。下面对智能车窗控制系统进行了功能性测试。首先，按下车窗控制按钮，四个车窗进入使能状态。以左前车窗为实验对象，先 启动300ms延时程序，当检测到时间超过300ms时，置左车窗手动上升或下降；当检 测到时间没有300ms时，启动左前车窗自动升降程序，再通过车速传感器监测车速， 当超过限定车速Vmax(这里设定Vmax=100km/h)时，启动温差控制程序，此时通过车 内外温度传感分别测得车内外温度数据，计算出车内外温差，数据如表4-1所示。表4-1车内外温度数据车窗性能测试数据显示了在供电电压为9.8V，上升过程正常工作电流在0.65A左 右，下降过程正常工作

53、电流在0.55A左右的直流电机工作情况。当车速超过事先设定 的限定车速100km/h时，上升过程中车内外温差在7.5C(50C)时，采用基于车速和 温差的控制算法后，车窗上升速度对比之前时，提高了 8.1%，使得车内外温差较大时， 车窗上升时能加快速度；下降过程中车内外温差在6.6C(50C)时，采用了基于车速 和温差的控制算法后，车窗下降速度对比之前时，降低了 11.4%，使得车窗能缓慢下 降。实验数据显示，采用基于车速和温差的算法后，提高了驾驶员的安全性和舒适性。在左前车窗自动上升过程中，如果有人的手、头或其他障碍物挡住了车窗，通过 车窗控制系统的防夹算法，智能判断车窗是遇到障碍还是升到顶

54、端，然后车窗电机将 停止转动，避免了安全事故的发生。防夹功能和温控功能的结合提高了驾驶员行车过 程中的安全性和舒适性，具有广泛的运用范围和实际的运用价值。LDF文件的配置在开发LIN网络的时候，尽管LIN数据库并不是必须的，但是CANoe软件还是 强烈的推荐使用LIN数据库。使用LIN配置语言时，通过LDF文件表示LIN数据库。 CANoe 7.0软件自带的工具Vector LIN File Editor软件可以用来编辑车窗系统所用到 LDF文件。LDF描述了整个LIN网络，而且还包含了监控网络所需的所有信息。通过工具的 用户接口，这些信息足够可以进行有限的仿真控制(例如选择仿真节点，选择进度

55、表)。 LIN工具的用户接口没有定义句法或语义，让工具供应商可以开发特殊的工具。另外 LDF文件能被单个部件引用，用于向指定LIN网络中的一个电子控制单元写入软件。 应用程序接口(API)被定义操作规程建议，可在不同的应用程序中用一种唯一的方法访 问LIN网络。但LDF文件不能访问应用程序的功能特征。LlN节点软件设计车窗控制系统的工作性能好坏取决于程序结构的合理性，一个好的程序结构有利 于提高程序运行的速度和功能的正常实现。本次车窗升降控制系统的软件设计包括两 个部分：车窗LIN主机节点以及车窗LIN从机节点。参照车窗控制LDF文件，本论 文详细的说明了 LIN总线主节点与从节点的软件编写。

56、首先，主节点完成微控制器的寄存器初始化与变量初始化，然后进入自身任务的 循环中。在车窗控制方案中，假如中央控制单元检测到开关状态后，就会向主节点发 送消息。此时主节点会立即启动LIN报文帧的发送，首先发送主机任务，然后延时帧 内响应间隔设定的时间后，再启动从机任务发送。相应标识符的从节点接收到从机任 务内容后，执行预先定义的操作，例如打开、关闭车窗等。主节点采取边发送边接收 的方式，假如接收到的位和发送的位不一致，就会取消这一次发送，重新启动新的发 送过程。假如从节点接收报文后，产生了位错误、校验和错误、标识符奇偶校验错误， 从节点就会认为没有收到任务帧。当主节点启动总线诊断主机任务后，从节点

57、的从机 任务以诊断信息告知主节点己经发生错误。LIN主机节点软件流程图考虑了车窗整体 执行动作的一致性和总线信号传输之间的关系。任何一个车窗当输入信号发生变化时， 先将此信号通过LIN总线传输到其他节点上，再同步执行该输入信号所要求的动作。 LIN从机节点则需要将本地节点的诊断信息实时地发送给车窗LIN主机节点。这样， LIN主机节点就可以实时地接收LIN从机节点发送的数据。基于上述的原因，主机节 点LIN报文的接收放在本地节点的驱动函数执行之后进行。LIN协议采用了标准的串 行通信接口，软件的实现要严格遵守协议的规定。5总结车窗控制系统是汽车车身的重要组成部分，它可以使人们更好的保护和驾驶汽车。 现在车窗模块已经成为汽车标准功能之一。即使是在成本至上的新兴市场，它也是影响 购车者决定的重要因素之一。大多数购车者将车窗视为必备的舒适功能，因此汽车制造 商都将其作为一种