基于重型卡車的分布式車門控制系統設計

毛甲琦，鐘艷如，黃用華，孫永厚，覃松闖

（桂林電子科技大學，廣西桂林541004）

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基于重型卡車的分布式車門控制系統設計

毛甲琦，鐘艷如，黃用華，孫永厚，覃松闖

（桂林電子科技大學，廣西桂林541004）

摘要：針對重型卡車車門控制系統中對減少線束、降低成本和智能化控制的要求，提出了一種基于Freescale芯片的智能分布式車門控制系統解決方案。詳細介紹了分布式控制系統在車門模塊中的硬件電路設計，并給出了軟件設計思想。經實驗表明，該系統能夠準確、可靠的實現預期控制效果，驗證了該控制系統的可行性以及智能化。

關鍵詞：分布式控制；車門控制系統；電機控制

汽車是現代化高速發展社會中人們普遍使用的交通工具，也是技術密集和資本密集的工業產品。現代的汽車電子技術不再是簡單地對汽車中某些機械零部件進行電子控制，而是根據汽車實際使用條件多變的需要，對汽車性能進行優化綜合控制[1]。目前因為控制系統的不穩定性造成了許多車輛損毀、人員傷亡事故，控制系統的自適應學習功能已經成為汽車行業發展的趨勢。重型卡車與轎車在工作環境上有著極大的區別，重型卡車工作環境更為復雜，駕駛人員操作習慣更為復雜，各種因素影響著車門控制系統的正常運行。這決定了電子控制單元還應具備自學習自適應功能，根據不同工作環境卡車車門玻璃實際的運行情況，自動調整玻璃升降器的性能參數，從而達到適應各種類型的車門目的。本項目針對這兩個方向進行研制與開發。

1　系統的整體結構設計

智能分布式車門網絡系統采用CAN總線型網絡拓撲結構，整個網絡初步共有三個CAN節點，分別是中央控制器、左前門控制器、右前門控制器。圖1為車門控制系統的總體結構。

圖1　車門控制系統的總體結構

中央控制器可接收來自EMS和ECU的信號，在接收到外部信號后，能把這些信號經過CAN收發器通過總線傳遞給其它幾個控制器。為了進一步提高系統的抗干擾能力，在控制器和收發器TJA1040之間增加了由高速隔離器件6N137構成的隔離電路[2]。

右前門控制器可以控制右前門的后視鏡、門鎖以及車窗的動作。左前門控制器除了控制左前門的后視鏡、門鎖、車窗的動作外，還有駕駛員集中控制的主控開關，可以對左右前門的后視鏡、副駕駛員側車門的車窗門鎖進行控制，并且可以使其車門的操作開關不起作用。

在電機驅動過程中，把電流值適時地轉換成電壓信號反饋給控制器，可用來判斷電機工作中的位置以及故障情況。電動車窗系統主要由車窗、電動機、電動玻璃升降器、ECU和開關等組成。通過對開

關信號的采集，經過門窗控制器的處理，通過驅動芯片的作用能改變電動機的電流方向來改變電動機的轉向，從而實現車窗的升降。電動玻璃升降器在按動相應開關后可使相應的升降器自動上升或下降，自動上升還未到頂時有防夾反轉；防夾手功能即在玻璃升到中途遇到障礙物時會反轉下降至底部，以防止夾傷用戶，而在玻璃運動到上止點時，又會關緊玻璃，停止電機運行。后視鏡的背后裝有三組電動機和驅動器，可以操縱其上下、左右運動或折疊操作。當在霧天或雨天行駛時，可能會造成駕駛員對側后方的視線不清。采用加熱除霜裝置，駕駛員可方便開啟加熱除霜按鈕進行除霜以保證駕駛的安全性。

2　硬件設計

汽車網絡系統硬件設計的總體要求是系統要簡潔、易實現、穩定可靠和具有較好的通用性，在可能的情況下盡量降低成本。

2.1系統基本構成

中央處理器：本系統中所選取的中央處理器為Freescale公司的MC9S12XS128芯片，該芯片可靠性高、抗干擾能力強，是適用于汽車的專用芯片，內含128kB閃存的16位微處理器，其內部集成了CAN的控制器[3]。該芯片中所嵌入的MSCAN模塊設計符合CAN2.0A/B協議的標準，選用此控制器作為中央控制器，無論在硬件設計還是在軟件編程上都比較簡單方便，而且在可靠性和抗干擾方面都有一定的優勢。CAN總線收發器選用的TJA1040是PHILIPS公司的CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差分發送能力和對CAN控制器的差動接收能力。它與J1939標準完全兼容，有三種不同的工作方式，即高速、斜率控制和待機，可根據實際情況選擇。

2.2硬件電路設計電路設計

主要分兩部分：一是控制器的設計；二是每個車門單元對相應電機驅動部分的設計。中央處理器通過PTC0和PTC1這兩個引角收發CAN信號。由于CAN總線的多主機工作方式，中央控制器以及每個車門單元的控制器電路設計基本相同。電機驅動部分MC33486驅動門鎖和車窗電機，其原理圖如圖2所示。MOTO0+和MOTO0-分別接在電機的兩端，通過控制電機的正轉或反轉就可以達到控制車窗升降的目的。選用的MC33486為H橋雙高端開關驅動芯片，芯片具有連續10 A電流輸出的能力，而且能夠采集電機的電流，利用它反饋給單片機A/D采樣模塊得到電機的電流值，能夠完成電機的控制和實現車窗堵轉和防夾功能。輸出具有對地短路、對電池短路、負載短路、過電壓、欠電壓、過熱以及交叉導通等故障的保護功能。電路板如圖3所示。

圖2　車門車窗驅動電路原理圖

圖3　玻璃升降器控制電路板

使用L9949作為后視鏡電機的功率驅動芯片，一個負載能力為6 A的全橋驅動后視鏡折疊電機，三個負載能力為1.6 A的半橋使后視鏡上下或左右轉動。另有一個6 A的高端輸出實現加熱除霜功能[4]。其原理圖如圖4所示。

圖4　后視鏡驅動電路原理圖

3　軟件設計

本設計所需實現的功能是各節點發送接收數據，由CodeWarrior編寫。軟件主要由主程序、系統初試化子程序、中斷服務子程序、A/D采樣子程序和電機控制子程序等構成。主程序完成數據的處理和收發。軟件主要由主程序、系統初試化子程序、中斷服務子程序、A/D采樣子程序、門鎖控制子程序、電機控制子程序和后視鏡控制子程序等構成。

左前門單元是所有控制單元中最復雜的單元，它不僅要接收多個按鍵和多個狀態信息的輸入，而且還要控制所有的門鎖電機、車窗電機以及后視鏡的動作。因為左前門控制器單元最具有代表性，把它作為研究的重點。

左前門控制器單元的軟件主要由主程序、系統初試化子程序、中斷服務子程序、A/D采樣子程序、門鎖控制子程序、電機控制子程序和后視鏡控制子程序等構成。其中左前門控制器單元主程序流程圖如圖5所示。

圖5　左前門控制器單元主程序流程圖

初始化時，對電機堵轉的最大電流和車窗防夾算法的最大積分值進行標定，實際上就是在系統第一次運行時，通過使電機自動往復運行幾次（本系統軟件設計過程中運行了5次），將幾次運行過程中電流的最大值作為電機堵轉電流，同時還需要將防夾積分值進行標定，然后將標定值寫入EPROM.這樣，在此后的運行過程中，只需將EPROM中的標定值與實際運行值比較，按照相應的算法即可實現電機的堵轉與車窗防夾功能，從而實現系統自適應不同車門玻璃升降器的功能。

4　系統調試與實驗

首先，控制左右車鎖執行開啟動作，這時，左右車門同時進入可開關狀態。進入車內后，可以通過按下或提起左右車門的中央門鎖開關控制車鎖的鎖定或開啟。當任何一個車門處于打開狀態時，中央門鎖系統不可鎖定任何一個車門。

當駕駛員側車門控制器單元，進入運行狀態后，后視鏡進入可操作狀態。當后視鏡的選擇開關處于選定左側后視鏡時，向前、后、左、右扳起后視鏡旋轉開關可以使左側后視鏡進行上（下、左、右）轉動，松開開關，后視鏡停止轉動；向左（右）扳動后視鏡折疊開關可以使左側后視鏡進行折疊轉動，松開開關，后視鏡停止折疊運動；當后視鏡的選擇開關處于選定右側后視鏡時，向前（后、左、右）扳起后視鏡旋轉開關可以使右側后視鏡進行上（下、左、右）轉動，松開開關，后視鏡停止轉動；向左（右）扳動后視鏡折疊開關可以使右側后視鏡進行折疊轉動，松開開關，后視鏡停止折疊運動；按動加熱按鈕，可對當前選定鏡片進行加熱除霜。

在運行狀態下，拉起或按下對應側車門的車窗控制開關超過1 s，玻璃升降器進入手動模式，車窗進行上升或下降至預期位置；松開開關，車窗停止動作；拉起或按駕駛員側車門的車窗控制開關迅速（不超過一秒鐘）松開，玻璃升降器進入自動模式，車窗將自動上升至車窗上限位或自動下降至車窗下限位；在車窗自動上升運行的過程中，如果人的手、頭或其他物體阻擋了車窗，車窗將停止上升動作并自動下降至車窗下限位處停止。

圖6為實驗室調試系統場景，圖7中的波形圖是車窗電機在上升過程中的電流曲線，圖8中的波形圖是車窗電機在下降過程中的電流曲線，圖9中的波形圖是車窗上升過程中在有阻尼但未達到最大值情況下的電流曲線。

圖6　實驗室調試系統

圖7　車窗電機上升過程電流曲線

圖8　車窗點擊下降過程電流曲線

圖9　車窗電機有阻尼狀態下上升過程電流曲線

經過不斷的調試和測試，最終整個系統工作正常，性能良好，滿足本次設計的功能要求。

參考文獻：

[1]趙鵬舒，王旭東.基于CAN總線的車門控制系統設計[J].哈爾濱理工大學學報，2008，13（1）:77-80.

[2]沈會，徐青菁，葉子晟，等.基于CAN總線的電動車窗控制系統設計[J].電力電子技術，2011，45（12）:84-86.

[3]張薇，王旭.基于CAN總線監控模塊設計與實現[J].裝備制造技術，2015，（12）:41-44.

[4]張昱，魯睿婷，唐厚君，等.基于CAN/LIN混合網絡的車門控制系統[J].電氣自動化，2013，35（3）:36-38.

中圖分類號:TP336

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0086-04

收稿日期：2016-01-11

作者簡介：毛甲琦（1991-），男，安徽淮北人，在讀碩士研究生，研究方向：汽車電子。

Design of Distributed Door Control System based on Heavy Truck

MAO Jia-qi，ZHONG Yan-ru，HUANG Yong-hua，SUN Yong-hou，QIN Song-chuang
（Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract:According to the requirement of reducing wiring harness，lower cost and intelligent control in the vehicle door control system，a new intelligent distributed door control system based on Freescale chip is proposed. This paper introduces the hardware circuit design of the distributed control system in the car door module，and gives the design idea of the software.The experimental results show that the system can achieve accurate and reliable expected control effect，and it verify the feasibility and intelligent of the control system.

Key words:distributed control；vehicle door control system；motor control