汽車自動天窗控制單元的設計與實現

楊莉+鐘正青

摘 要：針對目前汽車天窗及其防夾功能存在的隱患，文中設計了以STM8AF6288作為主控芯片的汽車自動天窗控制單元。該控制單元通過操作開關來控制天窗運行。繼電器閉合對天窗機構進行驅動，實現天窗的平移打開、平移關閉、起翹打開、起翹關閉、防夾回退等控制功能。一體式電機控制單元代替傳統的分體式電機控制單元，使得安裝更加方便、簡單，節省空間，同時也大大降低了成本。

關鍵詞：天窗；控制器；電機；繼電器；防夾

中圖分類號：TP391.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-0-03

0 引 言

隨著汽車電子技術的發展，人們對汽車的安全性和舒適性提出了越來越高的要求，汽車自動天窗已經成為轎車上的重要部件，它可以有效改善車內的空氣環境和采光。天窗在給人們生活帶來舒適感的同時也暴露了其所存在的問題，如經常在各種媒體上看到的天窗夾人、天窗關閉不嚴等問題[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。

文中設計了一種適用于汽車自動天窗的防夾控制單元，集控制器PCBA板和電機于一體，通過一系列機械結構將電機的正、反轉動作轉換為天窗的打開和關閉動作。通過一定的算法并結合傳感器信號進行位置探測，精度高，安裝方便，生產成本低，壽命長且具備防夾功能[2]。

1 系統硬件設計

電路設計是硬件系統的核心，對于硬件電路設計來說，要優先保證系統的穩定性。系統的硬件設計結構框圖如圖1所示。汽車自動天窗的電子控制系統主要由ECU（電子控制單元）、天窗電機、天窗軟軸、天窗開關等組成。其機械原理是電機安裝在天窗前部的框架上，電機齒輪旋轉時，天窗玻璃組合受到軟軸的拉動實現打開、關閉及起翹。控制系統設計包括核心控制的MCU模塊、電源電路、繼電器驅動電機電路、霍爾元件電路以及LIN通訊等。

1.1 MCU模塊設計

根據汽車自動天窗控制系統的功能需求，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。該芯片為汽車級芯片，能夠滿足汽車控制器對工作環境的各種苛刻要求，同時提供足夠的硬件資源和較快的運行速度[3]。芯片性能的好壞對整個系統的功能實現存在很大的影響。STM8A是一款專用于滿足汽車應用的特殊需求的8位Flash微控制器[4]。具有集成式數據E2PROM，16 MHz和128 kHz的RC振蕩器，并且在16 MHz的頻率下可以實現10M IPS的性能，有獨立的看門狗定時器、時鐘安全系統、電源掉電復位，可以執行CAN和LIN通信，其供電電壓為5 V，并可通過集成收發器連接到網絡上。MCU芯片的管腳定義圖如圖2所示。

1.2 繼電器驅動模塊設計

汽車自動天窗運行的控制對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。該電路設計采用NPN三極管，當輸入為0 V時，三極管截止，繼電器線圈無電流流過，繼電器關閉（OFF）；相反，當輸入為某一電壓時，三極管飽和，繼電器線圈有電流流過，繼電器導通（ON）[5]。ECU單元通過繼電器控制電機的正反端，當正端接通電源正極，負端接通電源負極時，電機正傳，天窗動作為起翹關閉和水平打開；當正端接通電源負極，負端接通電源正極時，電機反轉，天窗動作為起翹打開和水平關閉。ECU通過判斷繼電器的開閉狀態來判斷天窗的運行位置，并且防夾功能只有在水平關閉和起翹關閉過程中才有效。集控制器PCBA板和電機于一體，通過一系列機械結構將電機的正、反轉動作轉換為天窗的開閉。

繼電器驅動模塊主要電路原理圖如圖3所示。當輸入INPUT電壓變為0 V時，三極管由飽和變為截止，此時繼電器電感線圈中的電流便失去了流通通路，若無續流二極管D1，則將在線圈兩端產生較大的反向電動勢，極性為下正上負，電壓值高達一百多伏。這個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。故續流二極管D1的作用是將這個反向電動勢放電。

1.3 電源管理模塊設計

設計電源管理系統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]。系統對電源的穩定性要求很高，所以要采用LDO穩壓芯片。控制單元設計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（或稱線性穩壓器）和開關電源（或開關穩壓器）。在車身控制模塊的供電電源方面，中國市場上所售的汽車中，轎車一般采用12 V電源[7]，本設計推薦使用ST公司的5V穩壓芯片L5150BN。圖4所示為L5150BN的應用電路，電路中的電容器也起到穩壓作用。系統采用線性電源穩壓電路的供電電壓為12 V，用于電機和繼電器工作。MCU芯片的工作電壓為5 V，使用穩壓電路，將12 V電源電壓轉變為5 V，為MCU內部各模塊提供5 V電源。

1.4 LIN通信模塊設計

天窗的通信不需要較大的帶寬或實現復雜的功能，因此選擇經濟型的串行通訊總線——LIN總線。在設計中，描述了推薦的LIN主/從節點收發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協議，LIN網絡波特率最大不超過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內部上拉電阻輸出高電平。在主機應用中，管腳INH或管腳VBAT與管腳LIN之間必須串聯一個外部電阻和二極管。接收器在LIN總線輸入管腳檢測數據流并通過管腳RXD發送到微控制器。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模塊也可基于獨立的LIN控制器實現。與車身控制器BCM進行通信，ECU通過LIN線檢測車速信號，天窗控制器通過LIN線更新天窗狀態。為了使主從節點之間能夠進行正常通信，LIN主節點需要一個上拉電阻。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發起詢問，ECU應答。

2 系統軟件設計

軟件設計是控制系統功能實現的關鍵。主要包括所有底層驅動功能的實現、LIN總線通信層的實現和算法實現。LIN通信協議程序主要負責與BCM交互[9]，例如ECU進行錯誤檢測后，通過LIN總線將錯誤信息發送給BCM，BCM做進一步處理。汽車自動天窗控制單元的軟件實現流程如圖7所示。

3 實驗

3.1 高溫高濕耐久性試驗

試驗條件及技術要求如下：

（1）試作模擬實車裝配狀態；

（2）逐步升高恒溫箱溫度至（85±2）℃，濕度調節為（85±5）%，放置1小時；

（3）通電后，馬達正轉10秒，反轉10秒，休息30秒，此過程為一循環，運行1 000小時。試驗過程及記錄如下：

（1）試驗前對樣品外觀功能進行檢查，樣品外觀功能均正常；

（2）將樣品放入恒溫恒濕試驗箱中，設置試驗溫度為85℃，濕度調節為85%，持續放置1小時，然后為樣品通電，持續運行1 000小時；

（3）試驗完后取出樣品，常溫下放置2小時后檢查，發現樣品外觀清潔無氣泡、無毛刺，正常運行。

3.2 疊加交流電壓測試

試驗條件及技術要求如表1所列。

試驗過程及記錄如下：

（1）試驗前對樣品外觀功能進行檢查，樣品外觀功能均正常；

（2）將樣品接入汽車瞬變脈沖測試系統，設置試驗參數，試驗電壓范圍14 V～18 V，頻率范圍從50 Hz到20 kHz，120 s一個循環，持續5個循環；

（3）試驗完對樣品進行測試，樣品外觀功能正常。

3.3 防夾測試試驗

用12 V的直流電源給天窗電機供電，將樣件安裝到電機中后上電。按住測試板的Close/Tilt Up（平移關閉/起翹打開）按鍵超過7 s，天窗便從當前位置進入硬起翹位置，再進入軟零點，完成初始化。通過點觸按壓測試板Open/Tilt Down（平移打開/起翹關閉）按鍵、Close/Tilt Up按鍵可使天窗經歷一個完整行程，此行為是天窗防夾力學習過程。設置夾力測試計不超過100 N，通過Close/Tilt Up按鍵、Open/Tilt Down按鍵控制天窗平移關閉、起翹關閉，查看天窗是否遇到障礙物后回退。

通過試驗測試，天窗遇到障礙物后回退，平移區回退到平移開點，起翹區回退到起翹開點。

4 結 語

該控制單元充分利用了片上資源，降低了系統的設計和生產成本。而控制器的睡眠、BMS超時檢測功能和防夾功能，也在提高駕駛舒適性的同時，提高了系統的可靠性，保證了行車安全[10]。本文設計的自動天窗控制單元在內藏式轎車天窗上進行了實車測試，實驗結果表明，自動天窗可以完全按照設計要求工作，各項功能經實車測試都可以達到標準。

參考文獻

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

[2]傅侃，劉博，李二濤.基于LIN總線防夾電動車窗的研究與設計[J].杭州電子科技大學學報，2008，28（3）：39-42.

[3]韓勇.車身控制器的設計[D].南京：南京理工大學，2008.

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

[5]蘭雅瓊.智能家庭影院控制終端的設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2015.

[6]司慶華.嵌入式音頻控制器的設計[D].南京：南京理工大學，2006.

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

[8] TJA1021—LIN2.0標準收發器數據手冊[Z].

[9]任佳麗，李月香.汽車電動天窗控制單元的設計與實現[J].機械管理開發，2009，24（2）：185-187.

[10]吳志紅，陸科，朱元，等.一種高性價比的電動車窗控制器設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2009（4）：43-45.