汽車自動(dòng)天窗控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊莉+鐘正青

摘 要：針對(duì)目前汽車天窗及其防夾功能存在的隱患，文中設(shè)計(jì)了以STM8AF6288作為主控芯片的汽車自動(dòng)天窗控制單元。該控制單元通過操作開關(guān)來控制天窗運(yùn)行。繼電器閉合對(duì)天窗機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)天窗的平移打開、平移關(guān)閉、起翹打開、起翹關(guān)閉、防夾回退等控制功能。一體式電機(jī)控制單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分體式電機(jī)控制單元，使得安裝更加方便、簡單，節(jié)省空間，同時(shí)也大大降低了成本。

關(guān)鍵詞：天窗；控制器；電機(jī)；繼電器；防夾

中圖分類號(hào)：TP391.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）02-0-03

0 引 言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)汽車的安全性和舒適性提出了越來越高的要求，汽車自動(dòng)天窗已經(jīng)成為轎車上的重要部件，它可以有效改善車內(nèi)的空氣環(huán)境和采光。天窗在給人們生活帶來舒適感的同時(shí)也暴露了其所存在的問題，如經(jīng)常在各種媒體上看到的天窗夾人、天窗關(guān)閉不嚴(yán)等問題[1]。為了保證人身安全（尤其是小孩），急需解決天窗存在的問題。

文中設(shè)計(jì)了一種適用于汽車自動(dòng)天窗的防夾控制單元，集控制器PCBA板和電機(jī)于一體，通過一系列機(jī)械結(jié)構(gòu)將電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)動(dòng)作轉(zhuǎn)換為天窗的打開和關(guān)閉動(dòng)作。通過一定的算法并結(jié)合傳感器信號(hào)進(jìn)行位置探測(cè)，精度高，安裝方便，生產(chǎn)成本低，壽命長且具備防夾功能[2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)的核心，對(duì)于硬件電路設(shè)計(jì)來說，要優(yōu)先保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。汽車自動(dòng)天窗的電子控制系統(tǒng)主要由ECU（電子控制單元）、天窗電機(jī)、天窗軟軸、天窗開關(guān)等組成。其機(jī)械原理是電機(jī)安裝在天窗前部的框架上，電機(jī)齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，天窗玻璃組合受到軟軸的拉動(dòng)實(shí)現(xiàn)打開、關(guān)閉及起翹。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括核心控制的MCU模塊、電源電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路、霍爾元件電路以及LIN通訊等。

1.1 MCU模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車自動(dòng)天窗控制系統(tǒng)的功能需求，控制器MCU模塊硬件電路采用ST公司的8位汽車專用STM8A系列作為主控制芯片。該芯片為汽車級(jí)芯片，能夠滿足汽車控制器對(duì)工作環(huán)境的各種苛刻要求，同時(shí)提供足夠的硬件資源和較快的運(yùn)行速度[3]。芯片性能的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)存在很大的影響。STM8A是一款專用于滿足汽車應(yīng)用的特殊需求的8位Flash微控制器[4]。具有集成式數(shù)據(jù)E2PROM，16 MHz和128 kHz的RC振蕩器，并且在16 MHz的頻率下可以實(shí)現(xiàn)10M IPS的性能，有獨(dú)立的看門狗定時(shí)器、時(shí)鐘安全系統(tǒng)、電源掉電復(fù)位，可以執(zhí)行CAN和LIN通信，其供電電壓為5 V，并可通過集成收發(fā)器連接到網(wǎng)絡(luò)上。MCU芯片的管腳定義圖如圖2所示。

1.2 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

汽車自動(dòng)天窗運(yùn)行的控制對(duì)象是工作額定電壓為13.5 V，額定電流為2 A的直流小電機(jī)。該電路設(shè)計(jì)采用NPN三極管，當(dāng)輸入為0 V時(shí)，三極管截止，繼電器線圈無電流流過，繼電器關(guān)閉（OFF）；相反，當(dāng)輸入為某一電壓時(shí)，三極管飽和，繼電器線圈有電流流過，繼電器導(dǎo)通（ON）[5]。ECU單元通過繼電器控制電機(jī)的正反端，當(dāng)正端接通電源正極，負(fù)端接通電源負(fù)極時(shí)，電機(jī)正傳，天窗動(dòng)作為起翹關(guān)閉和水平打開；當(dāng)正端接通電源負(fù)極，負(fù)端接通電源正極時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，天窗動(dòng)作為起翹打開和水平關(guān)閉。ECU通過判斷繼電器的開閉狀態(tài)來判斷天窗的運(yùn)行位置，并且防夾功能只有在水平關(guān)閉和起翹關(guān)閉過程中才有效。集控制器PCBA板和電機(jī)于一體，通過一系列機(jī)械結(jié)構(gòu)將電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)動(dòng)作轉(zhuǎn)換為天窗的開閉。

繼電器驅(qū)動(dòng)模塊主要電路原理圖如圖3所示。當(dāng)輸入INPUT電壓變?yōu)? V時(shí)，三極管由飽和變?yōu)榻刂梗藭r(shí)繼電器電感線圈中的電流便失去了流通通路，若無續(xù)流二極管D1，則將在線圈兩端產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，極性為下正上負(fù)，電壓值高達(dá)一百多伏。這個(gè)電壓加上電源電壓一起作用在三極管的集電極上足以損壞三極管。故續(xù)流二極管D1的作用是將這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)放電。

1.3 電源管理模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)必須考慮輸出的電壓、電流和功率；輸入的電壓、電流；安全因素；輸出紋波；電磁兼容和電磁干擾；體積限制；功耗限制及成本限制等[6]。系統(tǒng)對(duì)電源的穩(wěn)定性要求很高，所以要采用LDO穩(wěn)壓芯片。控制單元設(shè)計(jì)的核心是確定電源要求并選擇合適的電源方案。適合控制器的電源包括線性電源（或稱線性穩(wěn)壓器）和開關(guān)電源（或開關(guān)穩(wěn)壓器）。在車身控制模塊的供電電源方面，中國市場(chǎng)上所售的汽車中，轎車一般采用12 V電源[7]，本設(shè)計(jì)推薦使用ST公司的5V穩(wěn)壓芯片L5150BN。圖4所示為L5150BN的應(yīng)用電路，電路中的電容器也起到穩(wěn)壓作用。系統(tǒng)采用線性電源穩(wěn)壓電路的供電電壓為12 V，用于電機(jī)和繼電器工作。MCU芯片的工作電壓為5 V，使用穩(wěn)壓電路，將12 V電源電壓轉(zhuǎn)變?yōu)? V，為MCU內(nèi)部各模塊提供5 V電源。

1.4 LIN通信模塊設(shè)計(jì)

天窗的通信不需要較大的帶寬或?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的功能，因此選擇經(jīng)濟(jì)型的串行通訊總線——LIN總線。在設(shè)計(jì)中，描述了推薦的LIN主/從節(jié)點(diǎn)收發(fā)器及其外圍集成電路。接口電路的示意圖如圖5、圖6所示，其中，LIN收發(fā)器采用TJA1021芯片。它是專用于LIN總線的物理層接口器件，完全兼容LIN2.0協(xié)議，LIN網(wǎng)絡(luò)波特率最大不超過20 kb/s，且具有非常低的電磁輻射和良好的電磁兼容性。

LIN總線輸出管腳通過一個(gè)內(nèi)部上拉電阻輸出高電平。在主機(jī)應(yīng)用中，管腳INH或管腳VBAT與管腳LIN之間必須串聯(lián)一個(gè)外部電阻和二極管。接收器在LIN總線輸入管腳檢測(cè)數(shù)據(jù)流并通過管腳RXD發(fā)送到微控制器。在睡眠模式中，TJA1021的功率消耗非常低；在故障模式下，功率消耗極低[8]。

LIN既可基于MCU自帶的UART模塊也可基于獨(dú)立的LIN控制器實(shí)現(xiàn)。與車身控制器BCM進(jìn)行通信，ECU通過LIN線檢測(cè)車速信號(hào)，天窗控制器通過LIN線更新天窗狀態(tài)。為了使主從節(jié)點(diǎn)之間能夠進(jìn)行正常通信，LIN主節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)上拉電阻。在ECU與BCM的通信過程中，BCM為主模式，ECU為從模式。通信流程均為BCM發(fā)起詢問，ECU應(yīng)答。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。主要包括所有底層驅(qū)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)、LIN總線通信層的實(shí)現(xiàn)和算法實(shí)現(xiàn)。LIN通信協(xié)議程序主要負(fù)責(zé)與BCM交互[9]，例如ECU進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)后，通過LIN總線將錯(cuò)誤信息發(fā)送給BCM，BCM做進(jìn)一步處理。汽車自動(dòng)天窗控制單元的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 高溫高濕耐久性試驗(yàn)

試驗(yàn)條件及技術(shù)要求如下：

（1）試作模擬實(shí)車裝配狀態(tài)；

（2）逐步升高恒溫箱溫度至（85±2）℃，濕度調(diào)節(jié)為（85±5）%，放置1小時(shí)；

（3）通電后，馬達(dá)正轉(zhuǎn)10秒，反轉(zhuǎn)10秒，休息30秒，此過程為一循環(huán)，運(yùn)行1 000小時(shí)。試驗(yàn)過程及記錄如下：

（1）試驗(yàn)前對(duì)樣品外觀功能進(jìn)行檢查，樣品外觀功能均正常；

（2）將樣品放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱中，設(shè)置試驗(yàn)溫度為85℃，濕度調(diào)節(jié)為85%，持續(xù)放置1小時(shí)，然后為樣品通電，持續(xù)運(yùn)行1 000小時(shí)；

（3）試驗(yàn)完后取出樣品，常溫下放置2小時(shí)后檢查，發(fā)現(xiàn)樣品外觀清潔無氣泡、無毛刺，正常運(yùn)行。

3.2 疊加交流電壓測(cè)試

試驗(yàn)條件及技術(shù)要求如表1所列。

試驗(yàn)過程及記錄如下：

（1）試驗(yàn)前對(duì)樣品外觀功能進(jìn)行檢查，樣品外觀功能均正常；

（2）將樣品接入汽車瞬變脈沖測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)電壓范圍14 V～18 V，頻率范圍從50 Hz到20 kHz，120 s一個(gè)循環(huán)，持續(xù)5個(gè)循環(huán)；

（3）試驗(yàn)完對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，樣品外觀功能正常。

3.3 防夾測(cè)試試驗(yàn)

用12 V的直流電源給天窗電機(jī)供電，將樣件安裝到電機(jī)中后上電。按住測(cè)試板的Close/Tilt Up（平移關(guān)閉/起翹打開）按鍵超過7 s，天窗便從當(dāng)前位置進(jìn)入硬起翹位置，再進(jìn)入軟零點(diǎn)，完成初始化。通過點(diǎn)觸按壓測(cè)試板Open/Tilt Down（平移打開/起翹關(guān)閉）按鍵、Close/Tilt Up按鍵可使天窗經(jīng)歷一個(gè)完整行程，此行為是天窗防夾力學(xué)習(xí)過程。設(shè)置夾力測(cè)試計(jì)不超過100 N，通過Close/Tilt Up按鍵、Open/Tilt Down按鍵控制天窗平移關(guān)閉、起翹關(guān)閉，查看天窗是否遇到障礙物后回退。

通過試驗(yàn)測(cè)試，天窗遇到障礙物后回退，平移區(qū)回退到平移開點(diǎn)，起翹區(qū)回退到起翹開點(diǎn)。

4 結(jié) 語

該控制單元充分利用了片上資源，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。而控制器的睡眠、BMS超時(shí)檢測(cè)功能和防夾功能，也在提高駕駛舒適性的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可靠性，保證了行車安全[10]。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)天窗控制單元在內(nèi)藏式轎車天窗上進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)天窗可以完全按照設(shè)計(jì)要求工作，各項(xiàng)功能經(jīng)實(shí)車測(cè)試都可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1]崔光宇，郭興龍，劉牧之.一種新型防夾天窗的設(shè)計(jì)[J].汽車電器，2015（11）：28-30.

[2]傅侃，劉博，李二濤.基于LIN總線防夾電動(dòng)車窗的研究與設(shè)計(jì)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：39-42.

[3]韓勇.車身控制器的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

[4] STM8A：汽車電子MCU方案[J].世界產(chǎn)品與技術(shù)，2013（3）：21-23.

[5]蘭雅瓊.智能家庭影院控制終端的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015.

[6]司慶華.嵌入式音頻控制器的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[7]安美森半導(dǎo)體.車身控制模塊設(shè)計(jì)要求及安美森半導(dǎo)體解決方案[J].電子元器件資訊，2009（9）：37-39.

[8] TJA1021—LIN2.0標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].

[9]任佳麗，李月香.汽車電動(dòng)天窗控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2009，24（2）：185-187.

[10]吳志紅，陸科，朱元，等.一種高性價(jià)比的電動(dòng)車窗控制器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（4）：43-45.