一种带后窗加热控制的座舱导航系统

丁永、倪红兵

（扬州航盛科技有限公司，扬州 225009）

0 引言

汽车的配置和要求越高,汽车使用者对其舒适程度的需求也越高。特别是汽车空调的除雾功能,作用至关重要，其目的在于创造良好的视野，提高汽车的安全性能［1］。汽车的除雾功能，是作用在前挡风玻璃处的车窗和后挡风玻璃处的车窗，如果是前面的车窗除雾，就是利用空调出风口吹出冷气或暖气，进而进行除雾。如果是后面车窗，就是靠电加热来除雾，我们在后面车窗上能够看到镶嵌的纹理，这些纹理就是电加热的金属线。

本论文的目的是在现有的后窗加热的技术上，实现一种座舱导航娱乐系统后窗加热控制系统。该实现方式通过一种控制电路，通过导航座舱娱乐系统主机控制继电器实现对后窗进行加热控制，使用座舱导航主机的语音识别及触摸按键功能，在大屏导航娱乐主机中集成了对后窗进行加热的功能，使后窗加热功能更加智能、便捷。

1 汽车后窗加热除雾原理

冬季行车，或者夏季的阴雨天气行车，车内的水蒸气在车窗处会遇冷凝结在玻璃上形成一层雾或者是霜。消除雾霜通常有2 个办法，一是提高车窗温度，二是降低玻璃附近湿度。本论文中的后窗加热控制系统是通过提高后窗温度，给后窗加热实现。对某型车后风挡进行热性能仿真分析，结果表明：该后风挡在加热过程中导热效果好，整体温度分布均匀，具有良好的融雪除雾作用［2］。

所以，当今的汽车大多设置了后窗除雾功能。后窗除雾是加热除雾，其工作原理就是通过给后窗上的电阻通电，产生热量以消除雾霜，或者阻止后窗凝结水分，防止起雾起霜；除雾电阻是印刷粘贴在后玻璃的内表面上的电热导电涂料，电热导电涂料是一组平行线，相邻两条的间隔大约是40 mm。平行线两端相连，使这些平行的导电涂料组成了并联电路［3］，再通过开关或者继电器连接在汽车供电电路上。

当接通开关时，除雾电路连接12.0V 电源，开始通电加热，使后窗玻璃温度升高。由于散热作用，后窗温度在加热时，会维持在25～30℃，从而起到了消除雾霜的作用。即玻璃的温度低于玻璃附近空气凝结的温度。

2 座舱导航系统的语音识别应用与实现

近年来，嵌入式系统成为研究和应用的热点，各类SOC系统不断涌现，而随着我国汽车的日渐增多，对车载GPS定位及基于此的车联网技术的需求也日益旺盛，而基于ARM核心的各种SOC系统成为实现之类应用的最好载体，以ARM为核心的嵌入系统加上导航接收设备及相应LCD及触摸屏等可以完整地构成一个低成本，高实用性的座舱导航系统。

语音识别技术作为人机交互的有效手段之一，其研究也越来越成熟且接近实用，将语音识别技术应用到嵌入式系统中成为一个非常有前途的应用热点，而具有语音识别能力的座舱导航系统，可以使驾驶者无需双手便可以与座舱导航系统进行命令交互，包含打开后窗加热系统。极大得提高了行车的安全性和座舱导航系统的易用性，无疑将非常具有吸引力［4］。

3 本座舱后窗除雾加热系统的概述

本文中的座舱后窗加热系统，是集导航功能、汽车娱乐功能，及后窗加热系统一体的多功能座舱加热系统。本文中的座舱导航系统，以Linux 嵌入式系统为基础，利用基于ARM核的A7作为开发的硬件平台，设计了系统各个功能模块的电路图。其中包含MCU模块、显示模块、触摸模块、存储模块、CAN网络模块、WIFI与BT 模块、MIC电路模块、音频处理模块、功放模块及各个接口模块等。同时，也对座舱导航系统对后窗加热控制进行了详细的电路设计。本座舱导航系统的其中一个重要功能，即实现了通过语音系统及触摸控制对后窗进行控制加热打开关闭的功能。

3.1 本座舱后窗加热系统的控制及其控制原理

本文中的座舱后窗加热系统，包含一种导航座舱娱乐后窗加热系统的控制电路，整个系统包括控制电路、继电器和加热风窗电机、车身控制器、车身电池、单片机、SOC核心处理器、控制器局域网CAN、显示及触控驱动模块、音频处理解码器和麦克风等。当用户在导航座舱娱乐系统上点击触摸加热后窗的界面图标，或是语音系统接收到用户的开关风窗加热的语音命令。

系统通过SOC核心处理器模块将信息通过串口通信传输给单片机模块，单片机模块判断是否达到风窗加热系统打开或关闭的条件。达到打开或者关闭的条件，通过单片机模块的输入输出端口输出低电平或者高电平，控制继电器的回路或者断路，实现汽车上通过导航座舱娱乐系统加热机对后窗进行加热的功能。本系统中的加热控制逻辑如图1所示，系统中涉及后窗加热控制的具体实施如下。

图1 后窗加热的控制系统示意图

（1）单片机的GPIO口进行控制，输出高低电平，控制电路通过接收单片GPIO口输出的控制高低电平信号，控制继电器的闭合和打开。

（2）其中车身电池给加热风窗电机电供电，当继电器接收控制电路的输出信号并进行闭合或者打开，使加热风窗电机通电开始运转或者断电停止运转，来实现汽车上通过导航座舱娱乐系统加热机对后窗进行加热的功能。

（3）系统中语音控制信息的采集及稳定传输，显示及触控驱动模块的控制和信号传输是系统中SOC核心处理模块来实现的。

（4）SOC核心处理模块将收到的座舱信息通过串口通信传输给单片机。

（5）单片机通过CAN总线与车身控制器实现网络信号稳定传输。

系统硬件构成：使用TE的30A 的NOD型继电器、恩智浦的FS32K144HFT0VLLT 型号单片机、控制器局域网CAN为恩智浦TJA1043T，通过CAN总线与车身控制器（BCM）实现网络信号稳定传输。其他硬件还包括，高通A7处理器作为SOC核心处理器，外置雅马哈的音频处理解码器YMU836-QZ，用于实现语音控制信息的采集和稳定传输，以及显示单元的控制和信号传输。

3.2 后窗加热控制继电器的控制

座舱导航系统中后窗加热控制电路的系统框图如图2所示。该后窗控制电路包含：三极管驱动元电路、过压保护电路、单片机控制电路、限流电路、静电保护电路和继电器电路。座舱导航系统中后窗加热控制电路如图3所示。

图2 后窗加热控制电路系统框图

图3 后窗加热控制电路图

本系统后窗控制电路图中的电路具体实施如下。其中，REAR_DEFOG_CTRL 为MCU输出的除雾信号的电平控制信号，当主芯片MCU的除雾信号I/O口输出高电平时3.3V 时，三极管Q3导通。原理图中的REAR_DEFOG端口电平拉低。继电器输入回路产生压降，即电流流过继电器线圈。

当MCU输出的电平控制信号REAR_DEFOG_CTRL口输出低电平0.0 V 时，三极管Q3截止，继电器输入回路断路。继电器端口两端断路。继电器两端同为12.0V，没有电流流过线圈，继电器输出回路处于常态闭合状态。此电路中Q3使用的是罗姆的NPN型三极管，型号为SST3904HZGT116。

继电器的线圈需要并联二极管D4，如果没有此二极管，继电器开关切换的时候就有可能产生较大的反冲电压，这个反冲电压有时会高于三极管的耐压值。从而造成电路中三极管损坏，导致电路失效。此电路中D4 使用的是SEMTECH ELECTTRONICS的二级管，型号为IN4148WS。

该控制电路需要接一个静电保护二极管D5，防止系统受到雷击浪涌与ESD静电放电或者其他瞬态电压时，可对电路进行一个防护效果，使电子产品内物料受到ESD静电管的保护，从而不会损坏电路中的元件［5］。

该电路中将阻值为10 Ω、精度1%的电阻R47 串联于电路中，用以限制所在支路电流的大小，在以防电流过大烧坏所串联的元器件，同时限流电阻也能起分压作用。该限流电阻的主要作用是保护电路中其他元器件不受过大的电流损坏。

3.3 单片机判断电源模式与控制继电器信号逻辑

后风窗加热功能需要座舱导航系统的单片机控制继电器，具体逻辑如下。

（1）本论文中的系统工作时，导航座舱娱乐系统通过SOC核心处理器模块将信息通过串口通信传输给单片机模块，单片机模块判断是否达到风窗加热系统打开或关闭的条件；达到打开或者关闭的条件，通过单片机模块的输入输出端口输出低电平或者高电平，控制继电器的回路或者断路，实现汽车上通过导航座舱娱乐系统加热机对后窗进行加热的功能。

（2）风窗加热打开条件：当加热风窗电机运行，电池电压范围在11.3～16.7 V，按下后风窗加热的开关。关闭条件为：加热风窗电机停止运行KL15OFF，电池电压过高或者过低，再次按下后风窗加热开关，后风窗已经连续工作10 min，尚未关闭，则自动关闭。

（3）如图4 所示，当按键按下，判断整车电源模式（SysPwrMd）与发动机信号（EnRunA/HVBatShutOff），如果符合条件则立即点亮指示灯并发送按键按下信号Req，1.5 s延迟后根据主节点反馈信号DspCmd来控制驱动的开启和关闭。

图4 单片机判断电源模式打开风窗加热逻辑流程

（4）如图5所示，除霜功能已经开启情况下，再次按下除霜按键，首先会熄灭除霜按键的LED小灯，同时发送关闭请求信号。等待1.5s检查DspCmd是否满足关闭条件，如果满足则关闭驱动，不满足则重新点亮小灯，直到DspCmd满足关闭条件。

图5 单片机判断电源模式关闭风窗加热逻辑流程

4 结束语

本论文将导航座舱娱乐系统与后窗加热控制系统通过控制电路和继电器相连，将座舱娱乐集成后窗加热的功能，实现了对后窗进行加热控制，使用座舱导航主机自身的触摸按键及语音识别功能，将对后窗进行加热的功能集成到大屏导航娱乐主机中。该控制电路实用性强，通过导航座舱娱乐仪的触摸按键和语音系统对后窗进行命令设置，通过硬件控制电路来实现限流及控制继电器闭合和打开，用户的操作性及便利性强，显著提升了用户的体验感；并且硬件成本低、软件控制逻辑简单，护窗加热控制更加智能便捷。