基于嵌入式系統(tǒng)的智能汽車天窗的設(shè)計

張志敏，陶永琴

（西安外事學(xué)院 710077）

0 引言

隨著社會信息化和智能化的蓬勃發(fā)展，私家車逐步成為人們出行的代步工具，伴隨著人們對駕乘舒適性要求的不斷提高，汽車天窗產(chǎn)品得到了飛速發(fā)展，進而成為一種迅速蔓延全球的時尚熱潮。汽車天窗是轎車上的重要部件，它可排掉車內(nèi)渾濁氣體，有效改善車內(nèi)空氣質(zhì)量和采光性能，同時還可提高駕乘人員的舒適性。目前常見的汽車天窗，按驅(qū)動方式一般可分為電動和手動天窗兩類[1]。由于嵌入式系統(tǒng)在汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)方面得到廣泛的應(yīng)用，越來越多的汽車天窗采用了電動式天窗，但是由于市場上的汽車配置大都存在著選擇電動式天窗比選擇不帶天窗配置的貴幾千元的現(xiàn)象，所以部分購車者選擇不帶天窗，針對這一問題，本文設(shè)計了一種基于嵌入式電動天窗控制電路，采用ARM7作為主控芯片，具有安裝容易、價格低廉、操作簡便，實用性好，利于安全行車的特點，必將成為汽車電子嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)的有力助推器。

1 智能汽車天窗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計原理[2]

汽車駕駛員行車過程中，為了最大限度的保證各種操作的安全性，保證系統(tǒng)的集成與管理上的方便，將天窗的控制按鈕布置于在駕駛員可操控的區(qū)域，那么為使汽車天窗能夠安全、可靠的工作，并實時響應(yīng)運行過程中的正常和異常情況，需要解決如下問題：

①判定當前天窗玻璃是打開還是關(guān)閉

②確定天窗玻璃的當前位置

③確定天窗電機的當前負載

④異常情況發(fā)生時的快速實時響應(yīng)

⑤防夾功能的算法計算

圖1 電動天窗總體結(jié)構(gòu)圖

問題1可以通過安檢監(jiān)測程序檢測用戶的按鍵輸入來解決；問題2可以通過電機軸上的霍爾傳感器的霍爾脈沖計數(shù)來計算；問題3可以通過采樣天窗電機電樞電流來間接計算；問題4可以采用微控制器來保證；問題5可以利用直流電機負載轉(zhuǎn)矩變化率[3]本身的快速向響應(yīng)型和對電機參數(shù)不確定性的穩(wěn)健性來保證。

1.2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

智能汽車天窗的設(shè)計主要包括智能控制系統(tǒng)、天窗防夾開關(guān)系統(tǒng)及報警系統(tǒng)三部分組成。該系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能是當車內(nèi)CO2等氣體含量超標時，能夠控制天窗自動打開，改善車內(nèi)空氣質(zhì)量；當室外環(huán)境不允許開窗時（如下雨等惡略天氣）空氣濕度傳感器采集信號，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)，使其發(fā)出指令自動關(guān)閉天窗，同時當天窗關(guān)閉時，對障礙物還具有防夾功能[4]；如有強行打開天窗等行為，系統(tǒng)可以自動啟動整車報警系統(tǒng)。汽車電動天窗總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.1 智能控制系統(tǒng)[5][6]

智能控制系統(tǒng)主要由微處理器PIC18F2480單片機、智能功率驅(qū)動器MC33486、霍爾傳感器、CO2檢測傳感器、固態(tài)繼電器、永磁直流電機、電動天窗驅(qū)動電路、總線接口電路等組成。車窗控制按鈕處于駕駛員可操作區(qū)域，駕駛員端控制器通過CAN 總線與車身中央控制器聯(lián)網(wǎng)，接入整車的分布式控制網(wǎng)絡(luò)。汽車電動天窗智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電動天窗智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 天窗防夾系統(tǒng)原理圖

圖4 軟件控制程序流程圖

其中，微控制器采用單片機PIC18F2480，該單片機內(nèi)集成了A/D、PWM，CAN 控制器，URAT，SPI 等很多強大、實用的功能。利用PIC18F2480控制功率驅(qū)動器MC33486的開關(guān)動作來決定天窗的打開位置及關(guān)閉動作；還可以通過A/D 轉(zhuǎn)換器采集CO2檢測傳感器數(shù)據(jù)在車內(nèi)CO2超標情況下自動打開天窗，實現(xiàn)換氣功能；同時還具有采集車頂感應(yīng)板數(shù)據(jù)，當感應(yīng)板感應(yīng)室外空氣濕度為設(shè)定閾值范圍時可以實現(xiàn)自動關(guān)閉天窗的功能。智能控制系統(tǒng)可以對系統(tǒng)狀態(tài)進行實時監(jiān)控，接收異常反饋信號，并通過車載網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與中央車身控制器進行信息的交換。從而及時在用戶界面顯示對車門的實施控制，確保行車安全。

1.2.2 天窗防夾開關(guān)系統(tǒng)

電動天窗的防夾功能主要是通過霍爾穿管器來感應(yīng)電機是否受到了阻力來實現(xiàn)防夾功能。霍爾傳感器使用A3187EU時電動天窗系統(tǒng)的主要信號采集元件，其內(nèi)部繼承了施密特觸發(fā)器，通過輸出脈沖信號在輸出端（OUT）直接連接到PIC18F2480單片機的輸入捕獲端口PC3，另外PIC18F2480單片機的的I/O 端口直接至A3187EU的接地端，可以在直流電機不工作時關(guān)斷傳感器以降低靜態(tài)電流消耗，電容器濾波作用。天窗防夾系統(tǒng)原理如圖3所示。

1.2.3 報警系統(tǒng)

報警系統(tǒng)功能的實現(xiàn)主要由玻璃破碎傳感器和人體靠近傳感器采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)主控芯片計算達到報警提示閾值時，啟動正常報警系統(tǒng)進行報警。其中人體靠近傳感器可的工作原理是探測人體紅外光譜的變化，當有人進入感應(yīng)范圍時，傳感器開關(guān)自動接通報警系統(tǒng)負載，延時3s 后檢測到人不離開有繼續(xù)入侵動作，啟動整車報警；玻璃破碎傳感器是利用振動傳感器探測到破碎產(chǎn)生的振蕩和音頻聲響，在玻璃破碎時發(fā)出2 kHz 特殊頻率，來啟動整車報警系統(tǒng)。以達到驅(qū)趕入侵者及提醒車主目的。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了使軟件更安全、簡潔，設(shè)計中使用嵌入式操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要完成天窗的自動開啟和手動開啟兩個功能，其一是自動開啟功能，微控制器讀取車內(nèi)CO2傳感器數(shù)據(jù)，對采集到的信號進行處理，判斷是否超標，若超標，檢測感應(yīng)板濕度，其值不在設(shè)定閾值之內(nèi)，則打開天窗，否則天窗不主動打開，提示進入手動控制；其二是手動開啟功能，讀取觸發(fā)按鍵狀態(tài)，若為單次觸發(fā)，則為打開天窗，否則為關(guān)閉天窗。在打開或關(guān)閉天窗過程中通過采集霍爾傳感器數(shù)據(jù)判斷是否有障礙物，如遇障礙物，則啟動防夾功能。軟件主控程序設(shè)計流程圖見圖4。

軟件設(shè)計功能主要通過初始化程序和測試控制程序兩個功能實現(xiàn)，通過創(chuàng)建模型，利用模型自動生成代碼。本文所用的代碼自動生成工具是Matlab 自帶的工具箱RTWEC，RTWEC 是專門針對嵌入式系統(tǒng)的代碼自動生成工具，它能直接從Simulink模型中自動生成優(yōu)化的、可移植的、自定義的產(chǎn)品級應(yīng)用C 代碼，并根據(jù)目標配置自動生成嵌入式系統(tǒng)實時應(yīng)用程序，可以快捷地為用戶服務(wù)，同時所點程序的開發(fā)周期。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于嵌入式系統(tǒng)的智能電動天窗控制系統(tǒng)在汽車天窗上進行了實測，實驗測試結(jié)果證明電動天窗能夠按照預(yù)期的設(shè)計進行工作，各項功能經(jīng)實際測試都符合設(shè)計要求。汽車電動天窗的軟件設(shè)計采用了基于代碼自動生成方法，與傳統(tǒng)開發(fā)語言相比，簡化了開發(fā)過程，縮短了軟件開發(fā)的周期，降低了整個系統(tǒng)的成本，更有利于本設(shè)計的推廣，具有較好的應(yīng)用價值。

[1]任佳麗，李月香，汽車電動天窗控制單元的設(shè)計與實現(xiàn)[J]j 微計算機信息，2009（2）：185-187

[2]姜長生，王從慶，陳謀等，智能控制與應(yīng)用[M]，北京：科學(xué)出版社，2007

[3]王元慶，新型傳感器原理及應(yīng)用[ M]，北京：機械工業(yè)出版社，2002

[4]周易，汽車電動車窗防夾系統(tǒng)的研發(fā)[J]，北京汽車，2007（4）：31-34

[5]周立功，嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006

[6]劉甫勇，汽車電路分析與檢測[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2008