基于汽車網絡的車門控制系統研究*

李步照，袁菁蕓，劉澤賢，常寶慶，王新宇

（揚州市職業大學，江蘇 揚州 225000）

0 引言

隨著汽車新四化“電動化、智能化、網聯化和共享化”的快速發展，車身線束數量增多，質量要求提高，整車控制電路愈加復雜，車輛電控系統的數量也不斷增加，系統間的信息交互、數據傳輸的實時性和可靠性變得尤為重要，汽車網絡總線技術作為實現分布式控制的重要技術，在汽車上的應用變得愈加廣泛[1]。汽車網絡技術的應用不僅可以減少車輛上線束的分布，同時實現了系統間高效的資源共享，提高了車輛整個系統運行的穩定性。

CAN總線作為標準化的汽車網絡總線技術之一，憑借其靈活性好、抗干擾能力強、傳輸距離遠以及可靠性高等特點成為應用最廣泛的現場總線[2]。車門控制系統作為車輛車身舒適系統的重要組成部分，不僅關系著車輛使用的便捷性和可靠性，更關乎車輛的行駛安全性，具有重要的研究意義。近年來，隨著車輛控制系統的不斷改進，車門控制系統的電路也愈加復雜。應用汽車網絡技術CAN總線，實現車門控制系統間的通信，不僅可以順利實現車門控制系統的各項功能，還能提高各系統間的通信效率和可靠性[3]。筆者以汽車網絡總線CAN總線為基礎，進行車門控制系統的研究，對系統的結構組成和各項功能進行介紹分析，為其他進行車門控制系統的研究提供參考。

1 基于CAN總線的車門控制系統概述

筆者所研究的車門控制系統主要包括了中央門鎖系統、電動車窗控制系統、電動后視鏡控制系統等，共涵蓋車輛左前門、右前門、左后門和右后門4個相關的控制單元。其中，左前門駕駛員側為主控制單元，功能最多也最為復雜，可實現對所有4個車門的車窗升降以及車門鎖閉功能，同時可實現駕駛員側及副駕駛側后視鏡調節功能；其他3個單元為從控單元，其主要功能是實現各自車門升降及鎖閉。四車門各控制系統之間的網絡通信通過CAN總線實現，整個車門控制系統的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 車門控制系統網絡拓撲結構

本研究的車門控制系統選用的是傳輸速率為125 Kbps的低速CAN總線網絡。從圖1中可以發現，整個車門控制系統通過分布并列式的CAN節點掛接形式進行通信連接。左前車門為主控節點，中央集控門鎖以及對其余車門各執行功能的控制均由該節點進行命令發布，其余各節點負責信號接收，并進行相應側控制命令的執行。

2 基于CAN總線的車門控制系統組成及功能實現

2.1 基于CAN總線的車門控制系統組成結構

本研究的車門控制系統組成結構主要為：駕駛員側（前左）車門控制單元、前右車門控制單元、后左后右車門控制單元。如表1所示。

表1 車門控制系統結構組成

2.1.1 車門控制單元ECU

本研究的控制系統一共包含4個車門控制單元ECU，其中主駕駛室的車門控制單元ECU既包含本地控制又包含CAN總線報文控制，利用“ECU+CAN”的網絡智能控制方式，實現四車門電動車窗升降、四車門一鍵鎖閉、車窗一鍵鎖閉以及左右后視鏡調節等功能。其余三側車門控制單元ECU功能較為簡單，負責本地電動車窗升降以及門鎖鎖閉任務，同時通過CAN總線的報文通信接收主控單元指令并執行。

2.1.2 閉鎖器開關及總成

車門閉鎖器開關通常位于駕駛員側車門內把手處，用于集中開啟和鎖閉車輛的4個車門，通過對閉鎖器開關進行操作，傳遞相應的指令給車門控制單元，并通過CAN總線進行報文傳輸，實現對其他車門的控制。車門閉鎖器是車輛中央集控門鎖的主要組成部分，是車輛門鎖鎖止的執行機構，可實現車輛門鎖開閉以及位置狀態的監測。車門閉鎖器受車門ECU控制，通過改變閉鎖器執行機構中電流的流向，對門鎖進行開啟和關閉控制。

2.1.3 車窗升降開關及總成

車窗升降開關位于每個車門的內門側，駕駛員側車窗升降開關最為復雜，通過汽車CAN總線的報文傳輸，可同時控制4個車窗玻璃的升降，并可實現一鍵車窗鎖止功能。車窗玻璃升降總成是實現車窗玻璃升降的執行機構，通常由直流減速電機和玻璃升降機構組成。通過對直流減速電機施以正向或反向的電壓，實現電機的正轉和反轉，從而執行玻璃上升和下降動作。由于直流減速電機的工作電流較大，因此選用雙胞型繼電器對電機進行驅動，實現車窗玻璃的升降功能。

2.1.4 后視鏡調節開關及總成

后視鏡是車輛用于觀察周圍行車情況的重要結構，后視鏡角度是否適宜，對車輛的行車安全具有至關重要的影響。后視鏡調節開關是調節駕駛員側和副駕駛側后視鏡鏡片角度的控制開關。通過對其進行手動輸入控制，可同時實現左右后視鏡的調節或者對某一后視鏡進行上下左右4個方向的調節。后視鏡調節總成的主要結構是后視鏡調節減速電機，鏡片上下左右4個方向的調整由兩個電機控制實現。調節減速電機受駕駛員側車門控制單元ECU的控制，由于其工作電流較小，無需繼電器驅動，直接通過電機驅動芯片即可實現驅動調節控制。

2.2 基于CAN總線的車門控制系統的功能及控制方法

2.2.1 車門控制原理

駕駛員側中央門鎖控制單元中的中央閉鎖開關（E150）、左前車窗升降開關（E40）、左后車窗升降開關（E53）、右后車窗升降開關（E55）的信號經過控制單元中的U4芯片傳輸給微處理器MCU，右前車窗升降開關（E81）和駕駛員側車窗升降鎖止開關（E39）的信號直接傳輸給微處理器MCU，微處理器MCU把相應的開關信號轉換成報文，通過CAN收發器發送到CAN總線上。其他車門控制單元通過CAN總線接收到相應報文后，分別控制相應的門鎖電機及車窗玻璃升降電機。如圖2所示。

圖2 駕駛員側車門控制原理圖

駕駛員側車門控制單元中的U4芯片把后視鏡調節開關總成的相關信號傳輸給微處理器MCU，微處理器MCU把這些信號處理后，分別通過本地U2芯片的SPI接口通信，驅動左側后視鏡內電機，把報文傳送到CAN總線上，右側車門控制單元接收到后視鏡調節相關報文后，通過本地U2芯片的SPI接口通信，驅動右側后視鏡內電機。

車門控制單元微處理器MCU接收到車窗玻璃升降開關的信號后，通過U1芯片的SPI接口通信，驅動相應的玻璃升降電機。車門控制單元微處理器MCU接收到車門閉鎖器控制單元的信號后，通過U2芯片的SPI接口通信，驅動相應的門鎖電機。

2.2.2 車門系統控制方法

1）駕駛員側車門ECU。

①接收：采集開關信號，直接輸出控制駕駛員側車門閉鎖器、駕駛員側車窗升降總成、駕駛員側后視鏡總成。

②發送：CAN總線報文控制其他3個車門閉鎖器/車窗升降總成動作。儀表、車內閱讀燈、車內頂燈。

2）右前側車門ECU。

①接收：采集開關信號，直接輸出控制右側車門閉鎖器、右側車窗升降總成、右側后視鏡總成。駕駛員側車門ECU報文。

②發送：車門關/開狀態報文給儀表、車內左閱讀燈、車內頂燈。

3）左（右）后側車門ECU。

①接收：采集開關信號，直接輸出控制左（右）后側車門閉鎖器、左（右）后側車窗升降總成。駕駛員側車門ECU報文。

②發送：車門關/開狀態報文給儀表、車內左（右）后閱讀燈、車內頂燈。

中控鎖開關本地控制駕駛員側車門閉鎖器，并發送CAN報文控制其他3個車門的閉鎖器。在操作控鎖時，由于各個門鎖的機械安全機制和結構的原因，不同的操作將會出現不同的機械執行情況。閉鎖時，按動第一次閉鎖按鈕，車外的開鎖機械機構將會失效，車內開鎖機械機構依然有效；按第二次閉鎖按鈕，將同時禁止車內外開鎖機械機構動作。在兩次按動閉鎖按鈕鎖閉車門后，如果第一次按動開鎖按鈕，則僅可以實現車內操作機構的開鎖功能；只有兩次按動開鎖按鈕，才可從車外操作機構打開門鎖。

無線遙控器開鎖操作時，第一次按動按鈕僅打開駕駛員側車門門鎖，5 s內第二次按動按鈕才可打開其他3個車門門鎖[4-5]。

需要注意的是，由于電路和機械結構原因，在操作車窗升降開關時，當車窗升/降到最高/低位置后不能再持續相同動作操作升降開關，否則會造成車窗升降電機堵轉，引起電機過熱，燒毀電機。

3 結束語

筆者對基于汽車網絡的車門控制系統進行了研究分析，利用ECU及CAN-BUS網絡的優點，實現了電動車窗、電控門鎖和后視鏡的智能控制，減少了汽車線束的數量，使控制變得更加智能，功能擴展變得更加容易。