一種帶后窗加熱控制的座艙導(dǎo)航系統(tǒng)

摘要：本文詳細(xì)介紹了一種座艙導(dǎo)航系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)后窗進(jìn)行加熱控制。文中介紹了基于恩智浦FS32K144HFT0VLLT 型單片機(jī)多功能汽車(chē)后窗控制器的控制功能，硬件控制電路和軟件控制邏輯。改進(jìn)了很多傳統(tǒng)的座艙后窗加熱方案中通過(guò)按壓汽車(chē)上空調(diào)控制面板上的按鍵去控制后窗加熱。本座艙導(dǎo)航系統(tǒng)是通過(guò)語(yǔ)音控制和觸摸控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)后窗加熱的功能，極大的提高用戶(hù)的操作性及便利性，提升用戶(hù)體驗(yàn)感。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)除霧；后窗加熱；座艙導(dǎo)航

中圖分類(lèi)號(hào)： U463.85+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

汽車(chē)的配置和要求越高， 汽車(chē)使用者對(duì)其舒適程度的需求也越高。特別是汽車(chē)空調(diào)的除霧功能， 作用至關(guān)重要，其目的在于創(chuàng)造良好的視野，提高汽車(chē)的安全性能［1］。汽車(chē)的除霧功能，是作用在前擋風(fēng)玻璃處的車(chē)窗和后擋風(fēng)玻璃處的車(chē)窗，如果是前面的車(chē)窗除霧，就是利用空調(diào)出風(fēng)口吹出冷氣或暖氣，進(jìn)而進(jìn)行除霧。如果是后面車(chē)窗，就是靠電加熱來(lái)除霧，我們?cè)诤竺孳?chē)窗上能夠看到鑲嵌的紋理，這些紋理就是電加熱的金屬線(xiàn)。

本論文的目的是在現(xiàn)有的后窗加熱的技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)一種座艙導(dǎo)航娛樂(lè)系統(tǒng)后窗加熱控制系統(tǒng)。該實(shí)現(xiàn)方式通過(guò)一種控制電路，通過(guò)導(dǎo)航座艙娛樂(lè)系統(tǒng)主機(jī)控制繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)后窗進(jìn)行加熱控制，使用座艙導(dǎo)航主機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別及觸摸按鍵功能，在大屏導(dǎo)航娛樂(lè)主機(jī)中集成了對(duì)后窗進(jìn)行加熱的功能，使后窗加熱功能更加智能、便捷。

1 汽車(chē)后窗加熱除霧原理

冬季行車(chē)，或者夏季的陰雨天氣行車(chē)，車(chē)內(nèi)的水蒸氣在車(chē)窗處會(huì)遇冷凝結(jié)在玻璃上形成一層霧或者是霜。消除霧霜通常有2 個(gè)辦法，一是提高車(chē)窗溫度，二是降低玻璃附近濕度。本論文中的后窗加熱控制系統(tǒng)是通過(guò)提高后窗溫度，給后窗加熱實(shí)現(xiàn)。對(duì)某型車(chē)后風(fēng)擋進(jìn)行熱性能仿真分析，結(jié)果表明：該后風(fēng)擋在加熱過(guò)程中導(dǎo)熱效果好，整體溫度分布均勻，具有良好的融雪除霧作用［2］。

所以，當(dāng)今的汽車(chē)大多設(shè)置了后窗除霧功能。后窗除霧是加熱除霧，其工作原理就是通過(guò)給后窗上的電阻通電，產(chǎn)生熱量以消除霧霜，或者阻止后窗凝結(jié)水分，防止起霧起霜；除霧電阻是印刷粘貼在后玻璃的內(nèi)表面上的電熱導(dǎo)電涂料，電熱導(dǎo)電涂料是一組平行線(xiàn)，相鄰兩條的間隔大約是40 mm。平行線(xiàn)兩端相連，使這些平行的導(dǎo)電涂料組成了并聯(lián)電路［3］，再通過(guò)開(kāi)關(guān)或者繼電器連接在汽車(chē)供電電路上。

當(dāng)接通開(kāi)關(guān)時(shí)，除霧電路連接12.0 V 電源，開(kāi)始通電加熱，使后窗玻璃溫度升高。由于散熱作用，后窗溫度在加熱時(shí)，會(huì)維持在25 ～ 30℃，從而起到了消除霧霜的作用。即玻璃的溫度低于玻璃附近空氣凝結(jié)的溫度。

2 座艙導(dǎo)航系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

近年來(lái)，嵌入式系統(tǒng)成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，各類(lèi)SOC 系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，而隨著我國(guó)汽車(chē)的日漸增多，對(duì)車(chē)載GPS 定位及基于此的車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求也日益旺盛，而基于A(yíng)RM 核心的各種SOC 系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)之類(lèi)應(yīng)用的最好載體，以ARM 為核心的嵌入系統(tǒng)加上導(dǎo)航接收設(shè)備及相應(yīng)LCD 及觸摸屏等可以完整地構(gòu)成一個(gè)低成本，高實(shí)用性的座艙導(dǎo)航系統(tǒng)。

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)作為人機(jī)交互的有效手段之一，其研究也越來(lái)越成熟且接近實(shí)用，將語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中成為一個(gè)非常有前途的應(yīng)用熱點(diǎn)，而具有語(yǔ)音識(shí)別能力的座艙導(dǎo)航系統(tǒng)，可以使駕駛者無(wú)需雙手便可以與座艙導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行命令交互，包含打開(kāi)后窗加熱系統(tǒng)。極大得提高了行車(chē)的安全性和座艙導(dǎo)航系統(tǒng)的易用性，無(wú)疑將非常具有吸引力［4］。

3 本座艙后窗除霧加熱系統(tǒng)的概述

本文中的座艙后窗加熱系統(tǒng)，是集導(dǎo)航功能、汽車(chē)娛樂(lè)功能，及后窗加熱系統(tǒng)一體的多功能座艙加熱系統(tǒng)。本文中的座艙導(dǎo)航系統(tǒng)，以L(fǎng)inux 嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用基于A(yíng)RM 核的A7 作為開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的電路圖。其中包含MCU 模塊、顯示模塊、觸摸模塊、存儲(chǔ)模塊、CAN 網(wǎng)絡(luò)模塊、WIFI 與BT 模塊、MIC 電路模塊、音頻處理模塊、功放模塊及各個(gè)接口模塊等。同時(shí)，也對(duì)座艙導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)后窗加熱控制進(jìn)行了詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)。本座艙導(dǎo)航系統(tǒng)的其中一個(gè)重要功能，即實(shí)現(xiàn)了通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)及觸摸控制對(duì)后窗進(jìn)行控制加熱打開(kāi)關(guān)閉的功能。

3.1 本座艙后窗加熱系統(tǒng)的控制及其控制原理

本文中的座艙后窗加熱系統(tǒng)，包含一種導(dǎo)航座艙娛樂(lè)后窗加熱系統(tǒng)的控制電路，整個(gè)系統(tǒng)包括控制電路、繼電器和加熱風(fēng)窗電機(jī)、車(chē)身控制器、車(chē)身電池、單片機(jī)、SOC 核心處理器、控制器局域網(wǎng)CAN、顯示及觸控驅(qū)動(dòng)模塊、音頻處理解碼器和麥克風(fēng)等。當(dāng)用戶(hù)在導(dǎo)航座艙娛樂(lè)系統(tǒng)上點(diǎn)擊觸摸加熱后窗的界面圖標(biāo)，或是語(yǔ)音系統(tǒng)接收到用戶(hù)的開(kāi)關(guān)風(fēng)窗加熱的語(yǔ)音命令。

系統(tǒng)通過(guò)SOC 核心處理器模塊將信息通過(guò)串口通信傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊判斷是否達(dá)到風(fēng)窗加熱系統(tǒng)打開(kāi)或關(guān)閉的條件。達(dá)到打開(kāi)或者關(guān)閉的條件，通過(guò)單片機(jī)模塊的輸入輸出端口輸出低電平或者高電平，控制繼電器的回路或者斷路，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)上通過(guò)導(dǎo)航座艙娛樂(lè)系統(tǒng)加熱機(jī)對(duì)后窗進(jìn)行加熱的功能。本系統(tǒng)中的加熱控制邏輯如圖1 所示，系統(tǒng)中涉及后窗加熱控制的具體實(shí)施如下。

（1）單片機(jī)的GPIO 口進(jìn)行控制，輸出高低電平，控制電路通過(guò)接收單片GPIO 口輸出的控制高低電平信號(hào)，控制繼電器的閉合和打開(kāi)。

（2）其中車(chē)身電池給加熱風(fēng)窗電機(jī)電供電，當(dāng)繼電器接收控制電路的輸出信號(hào)并進(jìn)行閉合或者打開(kāi)，使加熱風(fēng)窗電機(jī)通電開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)或者斷電停止運(yùn)轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)上通過(guò)導(dǎo)航座艙娛樂(lè)系統(tǒng)加熱機(jī)對(duì)后窗進(jìn)行加熱的功能。

（3）系統(tǒng)中語(yǔ)音控制信息的采集及穩(wěn)定傳輸，顯示及觸控驅(qū)動(dòng)模塊的控制和信號(hào)傳輸是系統(tǒng)中SOC 核心處理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

（4）SOC 核心處理模塊將收到的座艙信息通過(guò)串口通信傳輸給單片機(jī)。

（5）單片機(jī)通過(guò)CAN 總線(xiàn)與車(chē)身控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)穩(wěn)定傳輸。

系統(tǒng)硬件構(gòu)成：使用TE 的30A 的NOD 型繼電器、恩智浦的FS32K144HFT0VLLT 型號(hào)單片機(jī)、控制器局域網(wǎng)CAN 為恩智浦TJA1043T，通過(guò)CAN 總線(xiàn)與車(chē)身控制器（BCM）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)穩(wěn)定傳輸。其他硬件還包括，高通A7 處理器作為SOC 核心處理器，外置雅馬哈的音頻處理解碼器YMU836-QZ，用于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制信息的采集和穩(wěn)定傳輸，以及顯示單元的控制和信號(hào)傳輸。

3.2 后窗加熱控制繼電器的控制

座艙導(dǎo)航系統(tǒng)中后窗加熱控制電路的系統(tǒng)框圖如圖2 所示。該后窗控制電路包含：三極管驅(qū)動(dòng)元電路、過(guò)壓保護(hù)電路、單片機(jī)控制電路、限流電路、靜電保護(hù)電路和繼電器電路。座艙導(dǎo)航系統(tǒng)中后窗加熱控制電路如圖3 所示。

本系統(tǒng)后窗控制電路圖中的電路具體實(shí)施如下。其中，REAR_DEFOG_CTRL 為MCU 輸出的除霧信號(hào)的電平控制信號(hào)，當(dāng)主芯片MCU 的除霧信號(hào)I/O 口輸出高電平時(shí)3.3 V 時(shí)，三極管Q3 導(dǎo)通。原理圖中的REAR_DEFOG 端口電平拉低。繼電器輸入回路產(chǎn)生壓降，即電流流過(guò)繼電器線(xiàn)圈。

當(dāng)MCU 輸出的電平控制信號(hào)REAR_DEFOG_CTRL 口輸出低電平0.0 V 時(shí)，三極管Q3 截止，繼電器輸入回路斷路。繼電器端口兩端斷路。繼電器兩端同為12.0 V，沒(méi)有電流流過(guò)線(xiàn)圈，繼電器輸出回路處于常態(tài)閉合狀態(tài)。此電路中Q3 使用的是羅姆的NPN 型三極管，型號(hào)為SST3904HZGT116。

繼電器的線(xiàn)圈需要并聯(lián)二極管D4，如果沒(méi)有此二極管，繼電器開(kāi)關(guān)切換的時(shí)候就有可能產(chǎn)生較大的反沖電壓，這個(gè)反沖電壓有時(shí)會(huì)高于三極管的耐壓值。從而造成電路中三極管損壞，導(dǎo)致電路失效。此電路中D4 使用的是SEMTECH ELECTTRONICS 的二級(jí)管，型號(hào)為IN4148WS。

該控制電路需要接一個(gè)靜電保護(hù)二極管D5，防止系統(tǒng)受到雷擊浪涌與ESD 靜電放電或者其他瞬態(tài)電壓時(shí)，可對(duì)電路進(jìn)行一個(gè)防護(hù)效果，使電子產(chǎn)品內(nèi)物料受到ESD 靜電管的保護(hù)，從而不會(huì)損壞電路中的元件［5］。

該電路中將阻值為10 Ω、精度1% 的電阻R47 串聯(lián)于電路中，用以限制所在支路電流的大小，在以防電流過(guò)大燒壞所串聯(lián)的元器件，同時(shí)限流電阻也能起分壓作用。該限流電阻的主要作用是保護(hù)電路中其他元器件不受過(guò)大的電流損壞。

3.3 單片機(jī)判斷電源模式與控制繼電器信號(hào)邏輯

后風(fēng)窗加熱功能需要座艙導(dǎo)航系統(tǒng)的單片機(jī)控制繼電器，具體邏輯如下。

（1）本論文中的系統(tǒng)工作時(shí)，導(dǎo)航座艙娛樂(lè)系統(tǒng)通過(guò)SOC核心處理器模塊將信息通過(guò)串口通信傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊判斷是否達(dá)到風(fēng)窗加熱系統(tǒng)打開(kāi)或關(guān)閉的條件；達(dá)到打開(kāi)或者關(guān)閉的條件，通過(guò)單片機(jī)模塊的輸入輸出端口輸出低電平或者高電平，控制繼電器的回路或者斷路，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)上通過(guò)導(dǎo)航座艙娛樂(lè)系統(tǒng)加熱機(jī)對(duì)后窗進(jìn)行加熱的功能。

（2）風(fēng)窗加熱打開(kāi)條件：當(dāng)加熱風(fēng)窗電機(jī)運(yùn)行，電池電壓范圍在11.3 ～ 16.7 V，按下后風(fēng)窗加熱的開(kāi)關(guān)。關(guān)閉條件為：加熱風(fēng)窗電機(jī)停止運(yùn)行 KL15 OFF，電池電壓過(guò)高或者過(guò)低，再次按下后風(fēng)窗加熱開(kāi)關(guān)，后風(fēng)窗已經(jīng)連續(xù)工作10 min，尚未關(guān)閉，則自動(dòng)關(guān)閉。

（3）如圖4 所示，當(dāng)按鍵按下，判斷整車(chē)電源模式（SysPwrMd）與發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)（EnRunA/HVBatShutOff），如果符合條件則立即點(diǎn)亮指示燈并發(fā)送按鍵按下信號(hào)Req，1.5 s 延遲后根據(jù)主節(jié)點(diǎn)反饋信號(hào)DspCmd 來(lái)控制驅(qū)動(dòng)的開(kāi)啟和關(guān)閉。

（4）如圖5 所示，除霜功能已經(jīng)開(kāi)啟情況下，再次按下除霜按鍵，首先會(huì)熄滅除霜按鍵的LED 小燈，同時(shí)發(fā)送關(guān)閉請(qǐng)求信號(hào)。等待1.5 s檢查DspCmd是否滿(mǎn)足關(guān)閉條件，如果滿(mǎn)足則關(guān)閉驅(qū)動(dòng)，不滿(mǎn)足則重新點(diǎn)亮小燈，直到DspCmd 滿(mǎn)足關(guān)閉條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文將導(dǎo)航座艙娛樂(lè)系統(tǒng)與后窗加熱控制系統(tǒng)通過(guò)控制電路和繼電器相連，將座艙娛樂(lè)集成后窗加熱的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)后窗進(jìn)行加熱控制，使用座艙導(dǎo)航主機(jī)自身的觸摸按鍵及語(yǔ)音識(shí)別功能，將對(duì)后窗進(jìn)行加熱的功能集成到大屏導(dǎo)航娛樂(lè)主機(jī)中。該控制電路實(shí)用性強(qiáng)，通過(guò)導(dǎo)航座艙娛樂(lè)儀的觸摸按鍵和語(yǔ)音系統(tǒng)對(duì)后窗進(jìn)行命令設(shè)置，通過(guò)硬件控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)限流及控制繼電器閉合和打開(kāi)，用戶(hù)的操作性及便利性強(qiáng)，顯著提升了用戶(hù)的體驗(yàn)感；并且硬件成本低、軟件控制邏輯簡(jiǎn)單，護(hù)窗加熱控制更加智能便捷。

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作者簡(jiǎn)介：

丁永，本科，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)智能座艙產(chǎn)品及系統(tǒng)。