毕业设计-智能车窗升降控制器的设计

毕业设计-智能车窗升降控制器的设计无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)智能化车窗升降控制器的设计摘要:单片微处理器又称单片机，它是将计算机的中央处理器、输入输出接口、存储器、计数器/定时器等多个功能部件集成在一块芯片里，是具有完整计算机功能的大规模集成电路。与计算机相比，它具有更好的性价比和实时处理能力，而且体积小，抗干扰能力强，容易嵌入产品内部，成为产品的一个元件，从而使这类产品具有智能化的特征。由于单片机面向控制，它是过程控制的核心，所以单片机又称为嵌入式微控制器。关键词:智能控制系统车窗温度1引言近年来随着我国汽车行业的迅速发展，汽车电子市场迅速扩大，整个市场以超过40,的比例快速增长，其中车身电子产品占到整个汽车电子产品的35,,40,。在目前，车身电子的热点应用排名前三的是车载空调、车窗控制和车灯控制。在车身电子中，对半导体需求量排列前三位的应用领域分别是:车载空调，约占44,;车窗控制，约占22,;车灯控制，约占10,，第四位是电动车门控制。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为10,,15,之间，预计未来几年这一比例将会迅速增长。如上所述，车窗控制产品已成为车身电子产品重要的组成部分。随着汽车的普及，人们对汽车的安全性方面也越来越重视。在车窗控制系统中，汽车电动车窗具备防夹功能成为系统的必需要求。这样当车窗上升遇到障碍物(如手、头等)时可以自动后退到底，从而可以避免事故的发生，车窗防夹功能对汽车的安全性能而言是一种十分人性化的设计。一般在驾驶员高速行驶过程中，如果手动控制车窗升降速度，则会使驾驶员分心，很有可能在调控车窗时发生安全事故，故汽车高速行驶过程中一般采用车窗自动升降。而在车窗自动升降过程中，如果车内外温度反差过大则会在车窗开关得过程中产生过大气流，从而影响到汽车的稳定性，同时也会引起人体的不适，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。基于以上原因，本课题在温差控制方面作出了改进，使得车窗系统更智能化和人性化。2总体方案设计2(1方案一:基于LIN总线控制系统车载网络可分为驱动网络和舒适网络。一般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网络的所需要的成本，LIN网络更适合用于性能要求不高的舒适网络，于是在车门，车窗，车灯等部件中，引入了LIN总线，这样既能满足系统运行的正常需要，又能使整车成本得以减少。此次车窗控制系统总体框架图如图1所示:-1-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)车内外传感器及车内外传感器及A/D转换模块信号处理信号处理电机驱动模块电机微控车速传感器及制器信号处理LIN收发器车窗按键开关LIN总线车窗升降控制系统总体框图图1当驾驶员按下车窗按键开关时，车速传感器将信号传到微控制器，如果车速超过设定的限定车速时，通过温度传感器测得车内外温度，再由A/D转换电路将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。在车窗升降过程中，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安全性和舒适性。在本次设计中，车窗控制系统采用了LIN总线协议构建了车窗LIN总线网络，并使用了最新的LINv2(1协议规范。2(2方案二:功能独立的模块化车窗升降控制系统DCK103型电子车窗控制器内部由单片机、电流检测电路、输入输出接口电路、电源电路等组成。将这些组成电路的元器件焊装在一块印刷电路板上，并封装于防水、阻燃的塑料外壳内，就构成了一个智能型的电子控制器。它通过引线与汽车线路相连接实现对门窗电动机的各种控制，3分电路设计和论证3(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，汽车内很多电子设备需要依靠它来供电，比如电子打火器，各类电子仪表，自动车窗等，虽然是蓄电池，仍难以保证其稳定输出。车载网络中主要用到两种电源:+12V、+5V，+12V的电压主要是为电机驱动供电，+5V的电压则是给电路中的其它芯片供电，因此需要进行+12V到+5V的转换，而且车载电源的稳定性差，需要其输出电压进行稳压1161。电源电路采用了LM2576稳压电源电路芯片，对+12V转+5V供电电路可以参考图3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-2-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)二极管1N5822作为回路的一部分，可以承受更大的电流，起到反向保护的作用。图中的电容C6和C7选用电解电容，可以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PICl8F25J10需+3(3V电源供应才能正常工作，而图2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AMSlll7线性器件作为转换芯片产生CPU所需的+3(3V核心电压，图2是+5V转+3(3V电源转换电路。其中电容和图1中电容所起的作用一致。3(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个极限值，步进电动机就可以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4所示:键盘接口键盘单片机步进功率驱动器接口功率驱动器电机图4单片机控制步进电机的系统框图-3-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)合理地选用步进电动机是相当重要的，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在矛盾，因此实际选节拍通电相控制模块用时，必须全面考虑。正转反转二进制十六进制步进电动机的工作方式和一般电动16A0000000101H机不同，它是采用脉冲控制方式工作的。25AB0000001103H只有按一定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。目前采用的34B0000001002H功率步进电动机有3相、4相、5相和643BC0000011006H相等。工作方式有单m拍、双m拍、3m52C0000010004H拍及2*m拍等。一般情况，电机的相数61CA0000010105H越多，工作方式越多。本案采用的是3表1相6拍步进电机控制程序，如表1。车窗电机一般采用供电电压11,15V，工作电流不大于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并伴有冲击电流的正反相控制要求。智能功率芯片MC33486是飞思卡尔半导体公司生产的专用于车身电子的电机驱动芯片，该芯片可(这里选用P60N06，能够输出较大的工作电流驱动电机)组成一个外接两个MOSFET管H桥来实现电机的双向控制。其正常工作温度范围在(400C到1500C，正常连续输出电流最大达到10A，直流输入电压范围为8~28V，而且当电压高于28V时具有过压保护功能。它能够采集电机的电流，利用它反馈给单片机A,D采样模块得到电机电流值，从而完成电机的双向控制和实现车窗防夹功能，达到了车窗电机驱动模块的设计要求。其电路图如图4所示。-4-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)电机控制原理如下:初始状态中，GLSl和GLS2都同时置高电平或低电平，OUTl和OUT2一直保持高电平。当U6中的栅极为低电平且U7的栅极为高电平时，直流电机正转，车窗上升;反之，当U6中的栅极为高电平且U7的栅极为低电平时，直流电机反转，车窗下降，这样就足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和限流电阻把电流转化为电压输入到单片机的采样端。电压进行A/D转换和一些计算后就可以得到负载的真实电流。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。车窗上升过程、下降过程、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地反映到单片机中。3(3温度传感器模块设计ICL7135是高精度4.5位CMOS双积分型A/D转换器，提供-20000—+20000的计数分辨率。具有双极性高阻抗差动输入、自动调0、自动极性、超量程判别和输出为动态扫描BCD码等功能。ICL7135对外提供6个输入、输出控制信号，因此除用于数字电压表外，还能与异步接收器/发送器、微处理器或其他控制电路连接使用。ICL7135一次A/D转换周期分为4个阶段:自动调0、基准点呀反积分和积分回。1)自动调0阶段，至少需要9800个市中周期。此阶段外部模拟输入通过电子开关将内部断开，而模拟公共端介入内部并对外接调0电容充电，以补偿缓冲放大器、积分放大器、比较放大器的电压偏移。2)信号积分阶段，需要10000个时钟周期。调0电路断开，外部差动模拟信号介入进行积分，积分器电容充电电压正比于外部信号电压和积分时间。此阶段信号极性也被确定。3)反向积分阶段，最大需要20001个时钟周期。积分器街道参考电压端进行反向积分，比较器过0时锁定计数器打的计数值，它与外接模拟输入VIN外接参考电压-5-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)VREF的关系为:计数值=10000*VIN/VREF即若能获取该计数值即可求出输入电压，得到A/D结果。4)0积分(放电)阶段，一般持续100—200个脉冲周期，使积分器电容放电。当超量程时，放电时间增加到6200个脉冲周期以确保下次测量开始时，电容完全放电。在汽车电子系统中，经过电模块的电压转换，将12V的电压5V电压，时钟频率为120kHz时，则每秒可以转换3次，在本案中的温度信号转换的模块如图6所示。一般情况下，我们都是通过查询ICL7135的位选引脚而读取BCD码得方法并行采集ICL7135的数据，该方法占有大量单片机I/O资源，软件上也耗费较大。在本案中所采用的是利用BUSY引脚1线串行方式读取ICL7135的方法:如图7所示，在信号积分T1开始时，ICL7135的BUSY信号先跳高并一直保持高电平，直到T2结束是才跳回低电平。在满量程情况下，这个区域中的最多脉冲个数为30002个。其中去积分T2时间的脉冲个数反应了转换结果，这样将整个T1+T2的BUSY区间计数值减去10001即是转换结果，最大到20001.按照“计数值=10000*VIN/VRE”可得:计数值*VREF/10000=VIN参考电压VREF设计为1V，上式在使用时一般不除以10000，而是将输入电压VIN的分辨率直接定义到0.1V。两线接口设计如下:1)125kHzICL7135S时钟的产生:为了简化电路设计和产生精确的125kHz方波，采用ATmega16作为系统核心，并以外部8MHz晶振作为系统时钟源，通过设定定时器T0使外部OC0产生125kHz的PWM方波。2)读取BUSY高电平时，即积分期间的总计数次数。采用AVR定时器T1的ICP功能，将ICP引脚连至BUSY引脚。通过记录BUSY引脚的上升下降沿时刻计算积分-6-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)期间的总计数，当定时器T1的技术频率也选择为125kHz。身控制用传感器主要用于提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等。由于其工作条不象发动机和底盘那么恶劣，一般工业用传感器稍加改进就可以应用。主要有用于自动空调系统的温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等;用于安全系统中的加速度传感器;用于门锁控制中的车速传感器;用于亮度自动控制中的光传感器;用于倒车控制中的超声波传感器或激光传感器;用于保持车距的距离传感器:用于消除驾驶员盲区的图象传感器等。针对汽车内温度变化大，电磁干扰严重等十分恶劣的环境，选用其正常工作温度在-400CN+loooC,具有很高的工作精度和较宽的了温度传感器LM335A，线性工作范围，集成了传感电路和信号调理电路，且器件输出电压与摄氏温度成正比。因而从使用角度来说，LM335A与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处。温度传感器模块电路由温度传感器LM335A及电位计组成。因需同时测得车内外温度，故需两路温度传感器模块，而为了测量的精确性和减少误差，故车内外采用了同一组温度传感器模块。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:(1)采集温度数据，并对其进行滤波处理;(2)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)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。3(4A/D转换模块设计因为此次测量信号为温度信号，不需要过高的采样率，故采用了美国德州仪器公司生产的TLC2543芯片。TLC2543具有11个通道的12位开关电容逐次逼近模数串行A/D转换器，采样率为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，它的线性误差小，节省口线资源，成本较低，也使得它特别适用于此次车窗系统的发。图6中给出了TLC2543和PICl8F25J10的连接电路。图8A/D转换模块电路图-7-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)TLC2543芯片的工作原理如下:上电后，EOC为高，片选CS由高变低，FO口CLOCK、DINPUT使能，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，送入微控制器PICl8F25J10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。3(5汽车车窗系统智能控制实现3(5(1车窗系统防夹功能的实现随着汽车的普及，汽车的安全性越来越受到人们的重视。在车窗系统中，汽车电动窗具备防夹功能已是一种趋势。当车窗上升遇到障碍物(如手、头等)时可以自动后退到底，从而可以避免事故的发生。目前国内关于车窗的防夹功能研究已经十分成熟。本文的车窗防夹控制模块的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。图9MC33486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开关和继电器，比较容易发生粘连等问题。而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完全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、过压及过热保护，而且通过监测电流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-8-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)同一开关任意键，车窗停止上升或下降;2)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;3)车窗运行到顶位或底位时自动停止，车窗电机断电;4)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。车窗防夹控制模块主要部分是车窗电机，一般都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的方向就可以控制电机的正转和反转，达到实现车窗玻璃的上升和下降的目的。本文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。升降器电机通过的电流的变化完全反映玻璃上升或下降过程中遇到的阻力变换情况，通过采样电机升降过程中通过的电流，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、过压及过热保护，而且通过监测电流自动识别玻璃上升途中遇到障碍的状况，从而实现防止功能。车窗控制模块防夹功能的实现主要在于防夹算法的实现，防夹算法主要完成以下两个功能:必须能够判断是否遇到障碍物;遇到障碍后，必须能够判断玻璃是在上升还是已经上升到顶部。首先，车窗上升过程中遇到阻力和车窗上升到最顶端遇到阻力两种情况下电机电流增大的快慢是不一样的，车窗上升过程中遇到阻力情况下要比车窗上升到最顶端情况下电流变大要快。因此可通过求得电流变化的斜率来区分两种情况。当f>=f阻力时(阿阻力时车窗，上升过程中遇到阻力;当0<f<f阻力时，车窗上升到最顶端。此外，车窗的运行时间是不一样的。当T>T顶端时，车窗上升到最顶端;当T<=T顶端时，车窗上升过程中遇到阻力。但是同一车型的不同车窗安装的不能完全相同，因此T顶端会有细微的差别，可以通过大量的实验测出一个初始的T顶端，把每次车窗上升到最顶端的时间记录下来，存储到EEPROM中，这些数据作为调整T顶端的依据，这样参数T顶端具有了自适应性。这样通过两组判据来判断区分两种情况。当(f>=f阻力)&&(T<=T顷端)时，车窗上升过程中遇到阻力;当(0<f<f阻力)&&(T>T顶端)时，车窗上升到最顶端。采用以上两组判据增加了判断的准确性，降低了误判率。采用这两种判据，在实车实验中良好地实现了电动车窗的防夹功能，在上升过程中遇到阻力车窗则反向下降到底。PIC单片机PICl8F25J10和智能功率驱动器MC33486结合起来，通过监测车窗电机的电流来监测车窗遇到的障碍情况，不需要添加任何传感器，很容易就可以实现电动车窗的防夹功能。车窗防夹功能对汽车的安全设计而言是十分必须的。3(5(2车速与温差的车窗控制车速传感器及车速表是提供车辆行驶速度信息的重要工具，这里不考虑零件的自然然磨损、磁性元件的磁性变化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到的信号经处理得到的限定速度为vm积。传统的汽车车窗控制系统，当驾驶员在汽车行驶的过程中，在车速超过限定车速vm缸时，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-9-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)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vm缸，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限定车速vm双时，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vm戕的情况下，为该车窗控制器提供的算法包括如下步骤:(1)通过温度传感器分别获得一组车内温度X1，X2?Xn，一组车外温度Y1，Y2?Yn;(2)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=lXm(Yml可得到车内外温差数据;(3)判断n是否在人体适应范围m内，即(m<n<m:如果不是，则车窗电机以原来a(0<a<1)倍的速度转动，反之，车窗电机以原来b(b>1))倍的速度转动。3(6系统软件抗干扰设计今年来，随着单片机技术的发展，单片机在汽车电子控制系统、测控系统等得到了广泛的广泛应用。但是，在测控系统中常常存在着电磁干扰、静电干扰、放电和浪涌噪声等多种形式的干扰。这些干扰可能会造成系统的工作点漂移现象出现，引起测控信号在传输过程中拟合噪声信号。为了使测控系统能够长期可靠的运行，经常采用隔离、屏蔽、接地以及计算机浮空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嗓声(如数字滤波技术);二、由于干扰而使得程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。本文针对后者提出了几种有效的软件抗干扰方法。常见的抗干扰技术有:如指令冗余、软件陷阱、软件“看门狗”技术等。3(6(1软件“看门狗”设计看门狗技术是一种常用的抗干扰措施。与其他抗干扰技术相比它采用的是一种亡羊补牢的办法，即只在其他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这样的:一旦发现CPU的运行不正常，它就会发出复位信号，强制系统重启。看门狗要实现对CPU的监控，必须通过两根信号线和CPU联系。一根是由CPU发出的喂狗信号线，另一根是由看门狗发出的复位信号线。通过前者CPU将自身正常工作的状态指示信号传递给看门狗，处在监视状态的看门狗若果能够在移动的时间内收到有效的喂狗信号，就会确认计算机工作正常，并继续监视而不发出控制动作。例如:IMP706P和IMP813L的有效喂狗信号是上升沿或下降沿;而另一种看门狗X25045的有效喂狗信号-10-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)是有程序设定的高电平或低电平。一旦在规定的时间内看门狗得不到喂狗信号，就会判断出CPU的运行出现了问题，并通过复位信号线发出复位信号重启CPU。其实，看门狗就是一个相对独立的特殊的定时器，启动它后喂狗就是为了让定时器重新计数，使其一直无法加到最大值而溢出产生单片机复位信号。所以要在程序里适当的加入清看门狗的指令。若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过设定的最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理使程序脱离“死循环”，这种技术称为“看门狗”技术。此时强迫程序返回到复位入口地址0000H，在0000H处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正轨。“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现。在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断。则系统无法定时“喂狗”，硬件看门狗电路失效。而软件看门狗可有效地解决这类问题。本次车窗控制系统采用了软件“看门狗”技术，这样，当程序跑飞的时候可以使程序回到正轨。本设计中软件“看门狗”监视原理是:在主程序M、车窗防央程序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、温差控制程序M2各执行一次，M1Watch、M2Watch加1。在车窗防样车窗防夹程序M1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M1Watch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变化不正常，比如应当加l而未加1，则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，因本文并未涉及，故未作讨论。在实际应用中通常都是几种抗干扰方法并用，互相补充完善，才能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，而软件是抗干扰是被动的。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。3(6(2指令冗余CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“跑飞”，当跑飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞”到了三字节指令，出错机率更大，从而引起整个程序的混乱。在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。此次在主程序、车窗防夹程序和温差控制程序都加入了少许的指令冗余，主要加在对系统流向起主要作用的指令之后，如跳转指令、置位指令等，使程序能更为有效地运行。值得注意的地方是，在一个程序中，“指令冗余”不能使用过多，否则会降低程序的整体执行效率。-11-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)3(6(3软件陷阱当“跑飞”的程序进入非程序区时，冗余指令便无法起作用，此时可以通过软件陷阱，拦截“跑飞”的程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。所谓的软件陷阱，就是用引导指令强行将捕获到的跑飞程序引向复位入口地址0000H，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。而拦截过程，则是指将跑飞的程序引向指定位置，再进行出错处理。因此首先要合理设计陷阱，其次要将陷阱安排在适当的位置。此次车窗控制系统，在未使用的EPROM空间中和用户程序区个模块之间的空余单元中使用了陷阱指令。同时，在对应的中断服务程序中也设置软件陷阱，使之能及时捕获错误的中断，一般通过“LMJP0000H”作返回指令就可直接进入故障诊断程序，尽早地处理故障并恢复程序的运行。-12-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)4软件设计4(1程序流程4(1(1系统主程序流程图开始系统初始化开关闭合，IN4=1,闭锁器动作电动玻璃总开关动电动玻璃总开关动IN3=0,作，IN1=1?作，IN2=1?设定时初值，t=0设定时初值，t=0设定时初值，t=0等待电动玻璃总开关等待电动玻璃总开关等待闭锁器恢复，IN3=1?断开，IN1=0?断开，IN2=0?t=0.5s?t=1s?t=1s?继电器J5吸合，OUT6=0，I=15吸合，OUT6=05吸合，OUT6=0继电器J继电器J继电器J4吸合，OUT5=0继电器J1吸合，延时1s继电器J6吸合，OUT4=0设定初始值，t=0延时0.5s延时0.5s等待等待电动玻璃总开关动作，电动玻璃总开关动作，等待电压值达到电压值达到(P0.4),IN1=1，电压值达到(P0.4)IN1=1，(P0.4),或t>5s?IN2=1?或t>5s,IN2=1?或t>5s,继电器J1断开，I=I+1继电器J6断开，OUT4=1继电器J4断开，OUT5=1四车门全关，I>4?继电器J5断开，OUT6=1继电器J5断开，OUT6=1-13-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)4(1(2LIN主机程序流程图程序入口单片机寄存器初始化所有变量初始化收到LINN分析主机节点的主节点的报文诊断信息信息,Y车窗升降驱动函数LIN报文接收想总线发送从机任务诊断结果执行相应的动作-14-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)4(1(2LIN从机程序流程图程序入口单片机寄存器初始化所有变量初始化等待诊断周期到，想N收到中央控制单元的消送机发送主机任务的息,诊断消息YLIN报文发送分析从机任务诊断消息车窗升降驱动函数想中央控制单元发送诊断结果LIN报文接收-15-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)4(1(3A/D转换程序流程图初始化是否有键按下,按键结束,显示设定值产生PWM波匹配值输出PWM波A/D采样显示实际输出值输出值与设定值是否相等,产生新的PWM波匹配值-16-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)4(1(4步进电机驱动流程图开始拍数置0N正转选择反向控制码数组Y选择正向控制码数组输出控制码控制码地址+1，即指向下拍控制码延时N拍数已经过去6拍?Y步数N=N-1N步数N=0,Y返回3相6拍步进电机控制程序流程图-17-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)4(1(5温度控制模块程序流程图开始扫描控制按键是置自动上升/下降N否有键按下,Y启动300ms定时汽车N行驶速度是否过N快,上升/下降定时300ms已到,Y温差YY是否在人体适应范缓慢上升/下降围内,NY上升/下降定时置自动上升/下降300ms已到,是NN否有键按下,YY电机停止转动车窗是否到底,N电机转动，上升/下降4(2程序4(2(1主程序#include<avr/io.ch>#include<avr/interrupt.h>#include<avr/io.ch>-18-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)#include<avr/interrupt.h>#include<avr/io.h>#defineucharunsignedcharvolatileunsignedintICP_Timeup=0;volatileunsignedintICP_Time_down=0;volatileunsignedintICP_ok=0;Voidad0809(ucharidata*x){ucharI;Ucharxdata*ad_adr;Ad_adr=&IN0;For(i=0;i<8;i++){*ad_adr=0;i=i;i=i;while(ad_busy==0);x[i]=*ad_adr;ad_adr++;}}Voidmain(void){staticucharidataad[10];Ad0809(ad);}voidpwm_init(void){TCCR0=(1<<WGM01)|(0<<WGM00)|(0<<COM01)|(1<<COM00)|(0<<CS02)|(1<<CS01)|(0<<CS00);TCNT0=0;OCRO=3;}-19-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)Intmain(void){unsignedintq1;Pwm_init();ICP_init();While(1){if(ICP_ok==1){ICP_ok=0;if(ICP_time_up>ICP_time_down)q1=0xffff-ICP_time_up+1+ICP_time_down;elseq1=ICP_time_down-ICP_time_up;q1=q1-10001;}}}Voidmain(void){Intfx=1;DDRA=0xff;Stepmotor(fx,1000,1000);While(1);}voidICP_int(void){TIMSK=1<<TICIE1;TCCRIB=(0<<CS12)|(1<<CS11)|(1<<CS10)|(1<<ICES1);TCNT1=0;asm(“sei”)}voidpwm_init(void){TCCR0=(1<<WGM01)|(0<<WGM00)|(0<<COM01)|(1<<COM00)|(0<<CS02)|(1<<CS01)|(0<<CS00);-20-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)TCNT0=0;OCRO=3;}voidad0809(ucharidata*x){ucharI;Ucharxdata*ad_adr;Ad_adr=&IN0;For(i=0;i<8;i++){*ad_adr=0;i=i;i=i;while(ad_busy==0);x[i]=*ad_adr;ad_adr++;}}Voidmain(void){staticucharidataad[10];Ad0809(ad);}voiddespaly{unsigneduchari,j;for(i=0;i<255;i++)jor(j=0;j<I;j++)}}4(2(2温度控制程序#include<avr/io.ch>#include<avr/interrupt.h>volatileunsignedintICP_Timeup=0;-21-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)volatileunsignedintICP_Time_down=0;volatileunsignedintICP_ok=0;voidICP_int(void){TIMSK=1<<TICIE1;TCCRIB=(0<<CS12)|(1<<CS11)|(1<<CS10)|(1<<ICES1);TCNT1=0;asm(“sei”)}voidpwm_init(void){TCCR0=(1<<WGM01)|(0<<WGM00)|(0<<COM01)|(1<<COM00)|(0<<CS02)|(1<<CS01)|(0<<CS00);TCNT0=0;OCRO=3;}Intmain(void){unsignedintq1;Pwm_init();ICP_init();While(1){if(ICP_ok==1){ICP_ok=0;if(ICP_time_up>ICP_time_down)q1=0xffff-ICP_time_up+1+ICP_time_down;elseq1=ICP_time_down-ICP_time_up;q1=q1-10001;}}}ISR(TIMRR1_CAPT_vect){if(TCCR1B&(1<<ICES1))-22-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文){ICP_Time_up=ICR1;TCCR1B=(0<<CS12)|(1<<CS11)|(1<<CS10)|(0<<ICES1);}else{ICP_Time_down=ICR1;TCCR1B=(0<<CS12)|(1<<CS11)|(1<<CS10)|(1<<ICES1);ICP_ok=1;}}TIER=(1<<ICF1);}4(2(3电动机控制程序#include<avr/io.h>#defineucharunsignedcharVoidstepmotor(uchardir,intnum,intdly){ucharI,j,nc,concede;Ucharucode[7]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x05,0x00};//正向控制码Uchardcode[7]={0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x03,0x00};//反向控制码For(j=0;j<num;j++)//步数控制，共num步{for(i=0;i<6;i++)//3相6拍控制{for(dir～=0)concede=ucode[i];//取正向码Elseconcede=dcode[i];//取反向码PORTA=concede;//输出控制码For(nc=0;nc<dly;nc++);//步脉冲间延时}}}-23-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)//„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„Voidmain(void){Intfx=1;DDRA=0xff;Stepmotor(fx,1000,1000);While(1);}}4(2(4A/D转换模块控制程序#include<absacc.h>#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineIN0XBYTE[0xfe8]Sibtad_busy=P3^3;Voidad0809(ucharidata*x){uchari;Ucharxdata*ad_adr;Ad_adr=&IN0;For(i=0;i<8;i++){*ad_adr=0;i=i;i=i;while(ad_busy==0);x[i]=*ad_adr;ad_adr++;}-24-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)}Voidmain(void){staticucharidataad[10];Ad0809(ad);}5软硬件系统的调试在完成车窗控制系统的软硬件设计后，需要对车窗控制系统相关的功能进行测试。传感器的位置摆放如图4(1所示，车外的温度传感器安放在汽车前窗，车内的温度传感器安放在车内中控门锁附近。行驶车速可以直接通过仪表盘车速传感器得到。车内外温差一般控制在50C以内，在这个温度范围内，人体的体温中枢就能灵活自如地进行调节，如果温差超过这个界限，身体就会出现不适症状。此时基于车速和温差的车窗控制系统就起到了安全性作用。下面对车窗智能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的延时程序，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vm觚(这里设定Vmax=100km,h)时，启动温差控制程序，此时通过车内表1-25-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)正常工作行驶车速车内外温上升到顶下降到底参数电机电压V电流AKm/h度C时间s时间s上升过程9.80.651107.63.7\下降过程9.80.651106.6\3.5上升过程9.80.651107.53.4\(改进)下降过程9.80.651106.6\3.9(改进)外温度传感器分别测得车内外温度数据，计算出车内外温差，数据如表1所示。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，下降过程正常工作电流在O(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(5。C(>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(60C(>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日，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。因本次车窗控制系统的功能性测试并未在实际车窗LIN网络中挂接，而在实际网络测试中，必须考虑到LIN节点挂接到整个车窗系统中，由此产生的帧冲突等影响车窗整体性能的稳定性等原因。基于以上原因，对整个车窗控制系统进行了整体的仿真。德国VectorInformatik公司是专门从事现场总线、特别是CAN总线的研究、开发和应用的高科技公司。它在CAN总线应用领域内提供了一系列强有力的软硬件工具，能够支持CAN、LIN总线网络节点以及整个系统的建模、仿真等开发过程。公司产品线覆盖了车载网络设计的全部仿真，包括汽车车身控制网络和汽车驱动控制网络，同时提供硬件仿真板作为PC软件与实际系统的接口，进行参与设计网络的仿真，得到网络的性能参数。故此次设计仿真软件采用了德国VectorInformatik公司的CANoe7(0软件。CANoe是针对网络和ECU开发、测试和分析的多方面应用的工具，支持从计划到系统实现的完整开发流程。CANoe有多种功能和配置选项，让OEM(原始设备制造商)和提供商-26-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)的网络设计人员、开发工程师以及测试工程师可以灵活使用。CANoe(LIN可以仿真多达32个LIN网络和任意数量的节点，加上集成的CAN功能，它是开发和测试LIN节点(主、从)、CAN(LIN网关以及CAN(LIN诊断功能的理想工具。目前，CANoe(LIN提供了以下成熟的LIN开发功能:(1)根据LDF仿真L烈节点,网络(包括多通道LINMaster和网关)(2)完全支持LIN2(1Slave重新配置(3)针对LIN2(1、SAE(J2602和TOYOTA(LIN的网络管理(4)LIN节点建模的脚本函数(包括诊断)(5)用作交互式管理信号、帧和调度表的用户可配置的集成面板。使用CANoe7(0软件进行LIN网络的仿真，遵循以下两个基本步骤:配置LIN网络和启动仿真LIN网络。配置LIN网络时采用了LDF文件(LINDescriptionFile，即LIN描述文件)，LDF文件是描述LIN网络的标准文档I)5。在LINv2(1规范中，规定了LDF文件的语法和文件结构。CANoe7(0软件提供了良好的可视化仿真界面，使得仿真结果可以通过可视化界面观察。5(11LDF文件的配置在开发LIN网络的时候，尽管LIN数据库不是必须的，但是CANoe软件还是强烈推荐使用LIN数据库。使用LIN配置语言时，通过LDF文件表示LIN数据库。CANoe7(0软件自带的工具VectorLINFileEditor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(如果工具支持)控制(例如:选择仿真节点，选择进度表)。LIN工具的用户接口没有定义句法或语义，使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。下面以车窗控制LIN总线为例(详细探讨LDF文件的建立过程?。(1)LIN协议的版本号，LIN语言版本号，LIN速度的定义已经在LDF文件的头部给出，如图4(2所示。在车窗控制系统LIN总线中，采用LINv2(1版本协议规范，即设-27-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)置LINprotocol‘.1”;语言版本号也是1版_VelSiOll釜2LINv2本协议规范规定的语言，印设置LIN—languageversion=“2(1”。LIN速度运行0-20Kbps，这里选择LINspeed=192kbps。(2)LIN总线的所有节点的定义。在车窗控制LIN总线中，定义了一个主节点WindowsCtrMaster;定义了五个从节点:左前窗控制LIN从节点LFwindowsCn:右前窗控制LIN从节点RFwindowsCtr;左后窗控制LIN从节点LBwindowsCg;右后窗控制LIN从节点RBwindowsCtr，温度控制LIN从节点TemperaturewindowsCtr:定义节点的格式为:Nodes{Master((WindowsCtrMaster，lms，0(1ms;Slaves:LF—windowsCu，RF—windowsCtr，LB—windowsCtr，RB—windowsCtr，Temperature_windowsCtr:}(3)LIN总线的信号定义。对比之前的LIN版本，LINv2(1规范支持信号组，可以发送最多8字节的信号。在车窗LIN总线中，根据控制方法的相关性，定义了5个信号组，分别为:左前车窗控制信号LF_windowsSig，右前车窗控制信号RF_windowsSig，左后车窗控制信号LB_windowsSig，右后车窗控制信号gB_windowsSig，温度传感器信号TemperatureSensorSig。信号组可以方便的传输包括多个变量的功能值:同时，定义了单字节信号用于总线从节点的状态和接收错误反馈。左前车窗工作状态反馈信号LFwindowsSta，右前车窗工作状态反馈信号RFwindowsSta，左后车窗工作状态反馈信号LBwindowsSta，右后车窗工作状态反馈信号RBwindowsSta，温度传感器工作状态反馈信号TemperatureSensorSta左前车窗错误反馈信号LFRespError，右前车窗错误反馈信号RFRespError，左后车窗错误反馈信号LBRespError，;右后车窗错误反馈信号RB，温度传感器错误反馈信号。_RespErrorTemperatureRespError定义信号的格式为:Signals{[<signalname>:<signalsize>，<initvalue>，<publishedby>[<subscribed—by>];]}-28-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)所有signal_name标识符在Signals子集中应唯一;signal—size是在1-16位之间它定义了信号的大小;nit(value定义了可以被所有用户节点使用的信号值直到帧所包含的信号被接收;published_by标识符和subscribed_by标识符要和在Nodes子集中定义的其中一个node—name标识符相等。如左前车窗控制信号LFwindowsSig可以定义为:LF二windowsSig-l，0，LF—windowsCtr，WindowsCtr—Master(4)LIN总线的帧定义。LIN总线传输的报文都会事先定义好，然后按照帧调度表实现控制。在车窗控制LIN总线中，根据发布LIN报文帧的从机任务节点不同，定义了六种LIN报文帧。分别是主节点控制车窗报文帧WindowsCtrMaster01;左前车窗LIN从节点报文帧LFwindows01:右前车窗从节点LIN报文帧RFwindows01;左后车窗LIN从节点报文帧LBwindowsOl;右后车窗LIN从节点报文帧RBwindows01;温度控制LIN从节点报文帧Temperature01。LIN报文帧定义的格式为:Frames{[<frame-name>?<frame—id>，<publishedby>(，<frame—size>)(<signalnalne，<signaloffset>);])}本文中主节点发送的车窗LIN报文帧可以定义为:WindowsCtr—Master一01:1，Windows—Ctr—Master，2{LF-windowsSig，O;RF_windowsSig，l;LB_windowsSig，2;RB_windowsSig，4:Reserved，8;}(5)诊断帧的定义。因为诊断帧的标识符地址固定，主节点发布的诊断帧地址是0x3c;从节点发布的诊断帧标识符地址是0x3d。与普通帧的名称不同，LIN规范保留帧MasterReq和SlaveResp的名称用于识别诊断帧。SlaveResp只能由前面的MasterReq帧所选择的从节点发送，从节点的选择是由Diagnosticaddresses子集中定义的从的诊-29-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)断地址决定的。保留的信号名字MasterReqB0MasterReqB7将MasterReq帧中的信号定义成8位的长整数;保留的信号名字S1aveRespB0到S1aveRespB7将SlaveResp帧中的信号定义成8位的长整数。(6)节点属性定义。在定义了上述所有LDF文件需要的内容后，可以详细定义每个节点的属性。如节点名称、节点使用的LIN规范版本、节点使用配置ID服务的标识符、节点初始化时使用的标识符、节点产品的唯一序列号、反馈错误的信号、最大同步间隔超时时间、诊断帧定义。(7)进度表的定义，进度表定义了两个相邻帧之间的时间间隔，这个时间要比允许帧传输的最大时间长，而且应当是主节点时基值的精确倍数。实际系统中，进度表的选择由主机的应用程序控制。进度表之间的切换要在帧时间(当前发送的帧)过去后立即完成。进度表的定义格式为:Scheduletables{[(<schedule_table_name>[<frame_name>delay<frame(_time>ms:])]}(8)信号编码类型和信号表示的定义。信号编码类型子集是LIN文件的可选部分，在车窗控制LIN总线中定义了5个信号组，每个信号组类似于C语言的结构体数据类型，信号编码类型可以详细定义信号组的成员和变量值。信号表示的定义是用于把多个功能和结构类似的信号用一个唯一的信号表示标识符来代替。信号表示的定义格式为:Signalrepresentation{[<signal_encoding_type_name>:<signal_or__group_name>([，<signal_or_group_name>]);]}signal_encoding_type_name标识符应和在signal—encoding_types子集中定义的其中一个signal_encoding_type_name标识符相同。5(2LlN节点软件设计车窗系统工作性能的好坏取决于程序结构的合理性，一个好的程序结构有助于提高-30-无锡职业技术学院毕业设计说明书(论文)程序的运行速度和功能的正常实现。本次车窗系统的软件设计包括两个部分:车窗LIN主机节点和车窗LIN从机节点。参照车窗控制LDF文件，本文详细说明了LIN总线主节点和从节点的软件编写。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。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与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从机节点发实时地发送给车窗LIN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。通常LIN实现采用LIN规范规定的API(ApplicationProgramInterface，应用程序接口)，LINAPI是LIN网络和应用程序之间的接口。LINAPI是一个网络软件层，它在用户为任意的ECU建立应用程序时，隐藏了LIN网络配置的详细情况(