基于LIN通信的汽車玻璃升降控制器的設計

阮耀梅

【摘 要】隨著科技的迅猛發(fā)展，汽車電子技術(shù)的發(fā)展也極為迅速，消費者對汽車玻璃升降系統(tǒng)愈來愈關(guān)注，對其操作的可靠性和高效性提出了更高的要求。因此，玻璃升降控制系統(tǒng)需要向更加智能化的方向發(fā)展。文章就玻璃升降控制系統(tǒng)中的控制器進行了智能化設計，該控制器帶處理器和通信芯片，著重提高系統(tǒng)功能的高效性和可靠性，同時系統(tǒng)也更具易操作性，更人性化。

【關(guān)鍵詞】汽車玻璃升降系統(tǒng)；處理器；電機驅(qū)動；LIN通信

【中圖分類號】U467 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）06-0046-03

近年來，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車電子技術(shù)的發(fā)展更是突飛猛進，除了多媒體音響等車載娛樂系統(tǒng)迅速發(fā)展外，汽車基礎的子系統(tǒng)，如車門、車燈、門窗玻璃的升降等的控制方式也由傳統(tǒng)的、簡單的、硬線的控制方式逐步更改為使用各類控制器、繼電器來實現(xiàn)控制。汽車車窗玻璃的升降系統(tǒng)是消費者使用車輛過程中使用頻率非常高的零部件，其升降控制的易操作性、操作的可靠性和穩(wěn)定性極大地影響消費者的用車體驗。在汽車電子發(fā)展的過程中，其車窗玻璃的升降也經(jīng)歷由手搖式控制到電動式控制的轉(zhuǎn)變。隨著汽車的普及，消費者對汽車車窗玻璃的升降提出了更高的要求，要求其操作更便利，性能更人性化，系統(tǒng)運行更可靠，故障率更低，所以對智能化的汽車車窗玻璃控制器的需求越來越大。鑒于此，文章就車窗玻璃的控制提出了新的方案。

1 基于LIN通信的車窗玻璃升降控制器的設計分析

玻璃升降系統(tǒng)是汽車操作系統(tǒng)的重要組成部分，在汽車智能化技術(shù)快速發(fā)展的過程中，汽車玻璃升降控制系統(tǒng)也朝著智能化的方向發(fā)展。如圖1所示，基于LIN通信的汽車車窗玻璃升降控制系統(tǒng)，主要由4個部分組成，包括車窗玻璃升降信號、玻璃升降控制器、車窗玻璃升降電機及其他的通信設備。其中，控制器是汽車車窗玻璃升降控制系統(tǒng)的核心部件，其內(nèi)部還包含很多不同的功能模塊，主要包括單片機（CPU）、繼電器和電流檢測電路，以及用于與外部設備進行通信的LIN芯片。

1.1 處理器設計

作為智能化的基于LIN通信的汽車玻璃升降控制器的核心部件，處理器肩負重任，其主要的功能為接收玻璃升降開關(guān)信號、其他外部玻璃升降控制信號（如遙控鑰匙的遙控升/降玻璃信號），并對信號進行處理，然后進行邏輯運算，再根據(jù)運算結(jié)果給繼電器正確的輸出信號，繼電器通電來驅(qū)動玻璃升降電機完成玻璃的上升/下降動作，其功能的過程邏輯框圖如圖2所示。由圖2可知，處理器首先必須正確識別玻璃升降控制信號，去除無效的干擾信號，即處理器需要具備輸入信號的濾波功能；其次在正確識別輸入信號的前提下，處理器要進行精確并且高速的邏輯運算；最后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果給繼電器正確的輸出信號。玻璃升降處理器若要更好地滿足這些控制功能，就需具備極高的硬件配置與高精度的模擬水平，同時還需要具備高性能數(shù)字信號處理能力。鑒于此，在設計時，主要采用ST系列芯片STM8S003，該處理器內(nèi)核為8位，主頻為16 MHz，F(xiàn)lash為8 K，是一款高性能的數(shù)字混合處理器，可以很好地處理各種外部信號，邏輯運算精確且高速，能保證玻璃升降控制系統(tǒng)快速、可靠地進行工作。

1.2 玻璃升降電機驅(qū)動設計

在汽車使用的一般工況下，汽車玻璃升降過程中，玻璃升降控制電機中的電流為6～8 A，堵轉(zhuǎn)電流約10 A。而在一些比較惡劣的情況下，比如天氣寒冷，車門上膠條硬化，或者汽車玻璃升降系統(tǒng)使用時間較長，零部件老化、退化之后，玻璃升降過程阻力就會變大，玻璃升降控制電機中的電流也會隨之增加，堵轉(zhuǎn)電流有可能高達18 A。而控制器PCB板上的其他電子元器件的負載能力遠遠不能滿足這個需求，CPU的輸出電流也僅是毫安級別，無法驅(qū)動電機正常運轉(zhuǎn)；并且玻璃升降控制電機的堵轉(zhuǎn)電流足以將PCB板上的電子元器件全部燒毀。因此，控制器設計時必須有電流轉(zhuǎn)化模塊，將控制器輸出的毫安級的電流轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動玻璃升降電機的大電流。基于此，文章在設計時使用了繼電器進行電流轉(zhuǎn)換，選用的是全新“松下”的CT系列繼電器，該系列繼電器在額定狀態(tài)下，線圈端的動作電流僅為66.7 mA，吸合時間和釋放時間均在10 ms以下，卻能夠提供20 A的額定電流輸出，能夠及時、可靠地將處理器的控制輸出傳送給玻璃升降器控制電機，使系統(tǒng)正常運行。

1.3 電機堵轉(zhuǎn)保護設計

由以上分析可知，非理想情況下，電機的堵轉(zhuǎn)電流相當大，長時間的大電流對玻璃升降系統(tǒng)中的控制器、電機都極為不利，嚴重影響控制器和電機的使用壽命和系統(tǒng)運行的可靠性。所以，電機堵轉(zhuǎn)時需要一定的保護措施，即玻璃升降控制器需要具備電機堵轉(zhuǎn)保護功能。要實現(xiàn)電機堵轉(zhuǎn)保護，首先，控制器需要有電流反饋電路，電路中有檢測回路電流的傳感器，以識別電機當前是否處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；其次，當識別到電機已經(jīng)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，需要快速地切斷輸出，以切斷回路電流，中斷當前動作。具體的工作邏輯如圖3所示。

由圖3可知，以下3個關(guān)鍵點需要明確。

（1）Ia-堵轉(zhuǎn)電流限值的設置。為控制器設置合理的堵轉(zhuǎn)電流限值，即當采樣傳感器中的電流值大于或者等于這個電流限值時，處理器就認為電機已經(jīng)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，會切斷輸出以中斷當前工作，以保護玻璃升降系統(tǒng)中的各種零部件；當采樣傳感器中的電流值小于這個電流限值時處理器就認為當前玻璃上升或者下降還未到位，要保持當前輸出狀態(tài)。因此，電機堵轉(zhuǎn)電流限值的設置影響整個系統(tǒng)的可靠運行，設置過大，會對系統(tǒng)造成損傷；設置過小，系統(tǒng)不能可靠運行。

那么如何正確地設定電機的堵轉(zhuǎn)電流限值（Ia）呢？需要針對不同的車型進行具體設置，同時對玻璃升降系統(tǒng)進行標定，即通過對系統(tǒng)在不同工況下電機的工作電流、堵轉(zhuǎn)電流進行標定，從而設置合理的堵轉(zhuǎn)保護電流值。具體的標定過程如下：{1}低溫工況——在低溫（-10 ℃、-30 ℃）環(huán)境下，電機在實際車門系統(tǒng)上的電流變化曲線，包括電機啟動電流、正常工作時電流、堵轉(zhuǎn)電流；{2}常溫工況——在常溫（20 ℃）環(huán)境下，電機在實際車門系統(tǒng)上的電流變化曲線，包括電機啟動電流、正常工作時電流、堵轉(zhuǎn)電流；{3}高溫工況——在高溫（85 ℃）環(huán)境下，電機在實際車門系統(tǒng)上的電流變化曲線，包括電機啟動電流、正常工作時電流、堵轉(zhuǎn)電流。

（2）控制器需要對電機電流進行精確的識別，本文在設計時采用了A/D采樣對當前電機的電流進行采樣，采樣電流精度高。

（3）切斷時間的設置。當處理器檢測到電機當前處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，需要快速地切斷回路電流的時間，文章設計時，結(jié)合玻璃升降系統(tǒng)實際使用狀況和控制器的CPU晶振頻率，設置時間為1 s。

1.4 通信設計

智能化汽車玻璃升降控制器除了能在系統(tǒng)內(nèi)部進行工作，還能與外部的設備，如車身控制器或者其他信號的發(fā)射器/接收器進行通信，從而對玻璃的上升和下降進行更智能化的控制。本文中，結(jié)合各個總線通信模式使用的可靠性和系統(tǒng)應用的實際需求，為控制器選用了LIN通信。LIN收發(fā)器使用的是“恩智浦”（NXP）的TJA1028，該收發(fā)器帶集成穩(wěn)壓器，其總線輸出采用耐高壓設計，可提供較強的靜電放電（ESD）和電磁兼容性（EMC），同時為了降低電流消耗，其還提供休眠模式，可以通過LIN總線提供喚醒功能，從而使設計更可靠和智能化。

1.5 其他設計

基于LIN通信的智能化玻璃升降控制器的設計還包括很多細節(jié)的設計，比如穩(wěn)壓電路的設計，將汽車電器提供的13 V的工作電壓轉(zhuǎn)換成5 V的CPU工作電壓，同時可以消除整車電源波動時對玻璃升降控制造成影響。還有其他的外圍電路，如復位電路、時鐘信號電路、存儲擴展電路等，這些硬件電路都對智能玻璃升降控制系統(tǒng)的運行起著關(guān)鍵性的作用，保證了系統(tǒng)設計的全面性，是系統(tǒng)的重要組成部分。

2 基于LIN通信的玻璃升降控制器的其他設計亮點

前面對基于LIN通信玻璃升降控制器的處理器設計、電機驅(qū)動設計、電機堵轉(zhuǎn)保護和通信設計方面的優(yōu)點進行了論述，除此之外，基于LIN通信玻璃升降控制器還有很多亮點。

2.1 按鈕濾波功能

如前文所述，智能化汽車玻璃升降控制器需要具備對輸入信號的濾波功能。文章在設計時，軟件上設置了按鈕濾波，只有處理器接收到玻璃升降開關(guān)信號或遙控升降信號，并且信號的持續(xù)時間大于或者等于100 ms時，即判定玻璃升降信號輸入有效，否則視為無效輸入信號，不執(zhí)行玻璃的上升/下降動作。這樣可以有效地避免一些特殊狀況下汽車玻璃的升降誤動作，如車輛行駛時路況很差時，汽車震動過大，玻璃升降開關(guān)按鈕抖動導致觸點瞬時接通后馬上斷開；或者當駕駛員或者乘客不小心按壓到玻璃升降開關(guān)或者遙控鑰匙時，信號輸入觸點瞬時接通后馬上斷開。這2種情況都會導致控制器接收到極短時間的玻璃升降控制信號輸入，但因為此輸入持續(xù)時間過短（不足100 ms），控制器則認為玻璃升降輸入信號無效，不執(zhí)行任何動作，使用系統(tǒng)的功能更可靠，也保證了消費者的用車安全。

2.2 延時保護功能

通過對不同的汽車在不同的使用工況下，汽車玻璃升降過程研究和統(tǒng)計，在汽車正常使用的一般工況下（常溫22 ℃左右），基本3～4 s汽車玻璃就可以實現(xiàn)上升到位或者下降到位，在極端惡劣的情況下（如低溫—30 ℃左右），需要6～7 s方能完成。玻璃上升或者下降到位后，電機就處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了增加系統(tǒng)的保護措施，本文在設計時為系統(tǒng)設置了延時保護功能。當玻璃已經(jīng)持續(xù)上升或者下降時間一段時間后，處理器將直接切斷輸出，中斷系統(tǒng)當前正在進行的動作，從而有效地保護系統(tǒng)中的零部件，提高了系統(tǒng)運行的安全級別。

3 結(jié)語

隨著社會科技的快速發(fā)展，智能化技術(shù)也被廣泛應用到各行各業(yè)中，各種電器功能的擴展將是今后消費者對汽車使用功能的重點關(guān)注對象，成為汽車行業(yè)發(fā)展的重點之一。智能化的汽車玻璃升降控制系統(tǒng)更是汽車電子的重要內(nèi)容，其設計的有效性、合理性和可靠性將直接影響整個系統(tǒng)的運行效率，從而影響消費者的使用。本文結(jié)合工作實踐，分析了汽車玻璃升降控制系統(tǒng)中的各個零部件及其之間的相互關(guān)系，從處理器設計、電機驅(qū)動設計、電機堵轉(zhuǎn)保護和通信設計方面進行論述，對汽車玻璃升降控制器進行智能化設計。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]