基于CAN总线的电动车窗控制研究

散晓燕

（宁波大红鹰学院，宁波 315175）

0 引言

随着消费者对汽车功能和性能要求的日益提高，汽车的电子化、智能化、网络化已成为现代汽车发展的重要标志。电子技术的迅速发展和汽车电子设备的增多，特别是微控制器进入汽车领域后，大量的控制信号需要进行实时交换，这些产品之间的通信也变得越来越重要。CAN总线作为一种新型的串行数据通信总线，以其良好的可靠性，实时性及灵活性，给汽车带来了划时代的变化，各项性能得到全面提升。

1 CAN总线技术

对机动车辆总线来说，CAN总线属于现场总线范畴，它能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作，也因此可广泛应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的底层监控等等。

CAN总线以多主方式工作，它们之间的信息通过唯一的标识符（ID）做上标记，在CAN网络中发送的报文分为数据帧、远程帧、出错帧和超载帧，任何节点任何时刻都可以发送和接收。数据帧携带数据由发送器至接收器，是网络信息的主体。从原理和实现的角度，只要有两个节点和将它们连接成一体的通信媒体（如双绞线）就可以构成一个CAN总线系统，这两个节点之间通过通信媒体相互之间交换信息，CAN作为控制局域网还可以通过网关和其它网如以太网互联构成大型复杂的控制网络结构来完成复杂的控制功能。用CAN总线系统组成的网络，从控制的角度来看，以CAN总线为基础的网络控制系统也可以由多个互不相关的控制回路组成，而它们共享一个控制网络—CAN总线。从现场总线控制系统的概念来说，执行器节点、传感器节点都可以集成控制器，也即是智能节点，这样就形成了真正分布式分散的网络控制系统。

2 车窗电控系统设计

为了达到方便、舒适和安全性的要求，现代轿车普遍采用了电动车窗系统，以此完成人性化的可靠的智能控制功能。

2.1 方案设计

汽车电动车窗控制系统的目的是改变原有的车窗控制的布线方式，使之更方便有效。这里采用电力线与信号线结合的方法，把为车窗电机提供动力来源的电力线与电源连接，由CAN总线提供电机开关控制的信号线，CAN总线的核心是采用串行总线，在系统中组成一个局域网，PC机通过CAN适配卡连接到CAN总线上，和两个带有微处理器的控制单元和CAN机构成一个CAN network，可以完成整个通信，大大地提高了信息化水平。

2.2 硬件规划

图1是硬件系统的结构框图。系统中共有六个节点，分别是：中央控制节点、PC机检测节点、左前车窗电机控制节点、右前车窗电机控制节点、左后车窗电机控制节点和右后车窗电机控制节点。每个节点都是由单片机、SJA1000CAN控制器和82C250收发器组成。其中AT89C51单片机作为整个系统的主控制器，用于进行信息的处理与计算；SJA1000CAN控制器负责接收微处理器中的数据并传送给CAN收发器，同时，它也用于接收收发器的数据，进行计算处理后传给微处理器；82C250收发器是发送器和接收器的组合，负责将SJA1000提供的数据转化为电信号并通过数据线发送出去，同时还接收数据并传送到CAN的终端。

图1 系统硬件结构图

2.3 电路设计

对于电源，我们需要将蓄电池的12V转化到5V，给需要5V电源的MCU和其他器件使用。如图2所示，LM2576的ON/OFF和MC33486的WAKE引脚相连，外部开关动作时WAKE引脚为低，使LM2576恢复正常工作，当无开关动作时，LM2576停止工作，从而减少整个节点的损耗。

图2 电源设计

对于系统而言，根据其要求，结合CAN接口电路硬件设计原理，可以看出系统只要把各个节点挂到CAN总线上，系统就可以正常工作。82C250与CAN总线的接口部分采用了一定的安全和抗干扰措施。前者的CANH和CANL引脚分别通过一个5欧的限流电阻与CAN总线相连，以免受到冲击，同时在两脚分别并联了小电容，用以抗干扰和防电磁辐射。对于电动车窗最重要的部件电机如何驱动，是本课题研究的重点。车窗电机的额定工作电流通常小于8A，堵转电流可达到20A，可正反转动，针对这个特点，这里的车窗电控系统使用了摩托罗拉专用于车身电子的电机驱动芯片MC33486，它带有两个双高端开关和两个预驱动低端开关，两个低端开关外接两个MOSFET管，形成两个全桥对车窗升降电机进行正反方向的驱动，而且能够采集电机的电流，利用它反馈给单片机A/D采样模块得到电机电流值，能够完成电机的控制和实现车窗堵转和防夹功能。工作温度范围宽，直流脉冲宽度调节PWM频率最高达30KHZ，额定直流工作电流10A，最大峰值电流35A，具有对地或对电源短路、过温、过流保护功能，具有很高的实用性，电路图如下图3所示。

图3 电机驱动电路

3 软件设 计与算法研究

系统能否正常可靠的工作，除了硬件的合理设计外，还需要软件来实现相应的功能。根据系统功能要求，结合硬件设计，这里的CAN通讯程序分为初始化、发送驱动和接收报文三部分。

3.1 程序流程

主程序往往是一个顺序执行的无限循环程序，车窗控制系统也不例外。程序首先对系统进行初始化，系统上电后CAN控制器得到一个复位脉冲使它进入复位模式，运行自己的特殊复位程序，在复位模式下对SJA1000进行初始化，包括工作模式设置、接收滤波方式设置、波特率参数设置、接收代码寄存器设置、接收屏蔽寄存器设置和中断允许寄存器设置等等。初始化后，SJA1000就可以进入到操作者模式状态，进行正常的通信任务。紧接着对CPU进行初始化，设置外部中断，判断是发送还是接受状态，如果AT89C51要负责判断信号发送之后，如果没有出现错误，就可以进行P1口的数据读取，实现报文的发送，而下一个控制单元则负责报文的接收，这样来实现系统各个部分相互间的通信过程。主程序流程图如图4所示。

图4 系统主程序流程

在系统第一次运行时，让电机自动运行3次，将电流的最大值作为电机堵转电流，然后将防夹积分值标定值写入EEPROM，以后系统运行时，只需比较标定值与实际运行值，就可以判断车窗是否夹住，然后采取相应的措施，以此来实现车窗防夹功能。

3.2 电流特性与算法分析

电动玻璃升降器的一种主要形式就是使用柔韧性齿条和小齿轮，车窗连在齿条的一端，电机带动轴端小齿轮转动，使齿条移动，以带动车窗升降。电机通过克服来自传动机构的阻力使车窗玻璃升降，一般是通过做功来反映电机驱动力的影响，其数学表达式为：

W=W1+W2+W3+W4+W5+W6

其中各个变量占有一定的百分比。显然在各个阶段，车窗所受的阻碍是不同的，也就是说电机电流在不同的阶段表现出的特征是不同的，它的大小能够反映其运动状况。总体来说它具有如下特性：

1）电机电流在车窗上升或下降过程中的形态不同。车窗上升过程中所需的电流在逐步增大，而下降过程电流值则比较恒定。

2）在外部阻尼不同的条件下，电机电流的变化趋势是相同的，不同的是它要上下波动，且波动时间不一。

3）电源电压对电机电流值的大小有一定的影响。

实验表明，电机的输出转矩与工作电流成正比，电机的电流值完全能够真实反映出电机的受力情况，可以作为判断车窗是否堵转、遇堵的主要依据。当电动机运行时，电机电流有很宽的工作范围，这也就意味着电流幅值不能作为判断车窗运动是否受到阻碍的依据，要实现车窗的防夹功能只能从对电流波形进行相应处理的角度考虑，通过对车窗电机受阻时电流的变化进行分析。移动窗口积分法就是在一段固定的时间T，内求出电流曲线的面积S，利用该面积S作为判断依据的方法。首先假定有一底边固定为TS，高度可变能沿时间轴移动的矩形框，它底边的位置是由TS时间段内最小的电流值确定的, 如图中矩形框1的底边方程I=Imin(t) (T0＜t＜T0|TS)。积分法积分所求面积S就是指电流曲线与该矩形框的底边和两条高三条边所围成的面积。

图1中分别显示了在遇堵、正常和边缘这三种不同的情况下电机电流曲线与矩形框围成的面积是S1，S2和S3。可以看出，在这三种情况中，车窗“遇堵”时面积S1比其他两种情况的面积值(S1和S2)要大许多，验证了使用积分法的正确性。为求面积值S，需要做如下假设：

1）假设在TS时间段内，电流的最小值为Im；

2）假设遇堵时，车窗电机的电流阂值为Ib；

3）假设两次电流采样之间的时间为Δt，由此可以得出时间T以及这段时间内采样点数n=Ts/Δt。

做了以上假设后，根据积分的定义就可以求出面积值S，即:

算出面积值S后，值与遇堵的面积值Sb相比较，当S＞Sb，且Ic＞Ib两个条件同时满足时就可以断定为车窗遇堵。

4 结束语

基于CAN总线的汽车网络控制技术成为现代汽车与现代汽车工业发展的标志之一，相对于传统的汽车系统布线工作量很大，故障诊断工作难度较大，可靠性，实时性差等问题。CAN总线依靠其可靠性高，适应环境能力强等特点成为解决这一问题的新选择。同时我们也应该看到，汽车车窗控制系统使用CAN总线是一个较新的研究领域，从设计角度来说，要将电路设计、硬件的布置与实验充分结合起来验证了其可行性，相信随着这项技术的进一步发展，对提高中国汽车工业的国际竞争力将有重大的意义。

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