基於LIN總線的電動車窗控制器設計

2021-01-09 電子產品世界

車窗控制系統是汽車的重要組成部分，傳統的車窗控制採用的是線束控制，較為簡單，並且線束和相關的設備都比較龐大。為了擺脫這種局面，汽車電子技術逐步向整車集成電子化、智能化方向發展，而總線式網絡控制技術正是目前汽車網絡控制所採用的主要方式。
根據美國SAE（汽車工程師協會）劃分的汽車數據傳輸分類，汽車車窗控制系統屬於A類的面向傳感器/執行器控制的低速網絡。數據傳輸位速率通常只有1 b/s～10 kb/s。而在這種速率上採用LIN總線方式的網絡控制，正好可以滿足其要求，並且LIN總線能節省大量的線束、便於維護和實現汽車診斷功能。本文提出了一種將LIN總線運用到車窗控制系統中的設計方案，並給出系統硬體及軟體的實現方法。
1 車窗控制系統的網絡結構設計
本設計主要實現4個車窗的升降功能及車窗防堵轉。駕駛員側車窗開關總成可以控制全車4個車窗的手動升降和自動升降，駕駛員側車窗安全鎖開關可以使能或禁止其他車窗的升降，其他3個車窗的分開關也可以控制各自車窗的升降。
車窗控制系統採用了LIN總線構建的控制網絡，並按照LIN2.0協議規範來編寫控制程序。網絡框架如圖1所示。一個駕駛員側主節點通過LIN總線和4個車窗從節點進行通信，通信速率為19 200 b/s，4個車窗從節點上帶有電機驅動電路，可以驅動車窗電機的運行。

2 硬體系統設計
從LIN總線的通信方式來說，對硬體的要求並不高，它由基於UART接口的低成本硬體實現，幾乎所有的微控制器都具有LIN通信的條件，但對於晶片的選擇還需要考慮到性價比和穩定性，這在實際的產品製造中相當重要。
2.1 微控制器的選擇
主節點微控制器的功能主要是對按鍵進行檢測，並按LIN2.0協議的幀格式發送相應控制命令，同時還需具有休眠功能，在無操作時最大限度地節省汽車能源。在本次設計中選擇了Microchip公司的PIC16F系列微控制器PIC16F887，具有8 KB Flash、368 B SAM、256 B ROM、增強型USART 模塊（支持RS-485、RS-232和LIN 2.0，自動波特率檢測，遇到起始位時自動喚醒）、節能休眠模式。其抗幹擾能力完全能在汽車複雜電磁環境中正常工作[1]。
從節點選用PIC16F883，其主要性能和PIC16F887相同，片內容量和引腳數要少於PIC16F887，為28個引腳，不過能滿足從節點車窗控制的要求。
2.2 LIN通信接口及電源系統
LIN總線驅動電路採用了Microchip公司的MCP2021，該器件遵循LIN1.3、LIN2.0和2.1總線規範，並符合SAE J2602規範。寬供電電壓，連續情況下可為6.0 V～18.0 V，擴展的溫度範圍為-40 ℃~+125 ℃，可以與標準的UART器件接口。MCP2021內部包含一個電壓調整電路，在溫度範圍內，可輸出電壓為5.0 V，50 mA電源，誤差為±3%。穩壓器採用LDO設計，具有短路保護功能，在輸出電壓降到3.5 V以下時將關閉輸出。MCP2021還具有熱關斷保護功能。經過特別設計的穩壓器可在汽車環境下工作，在電池反向連接、+43 V瞬變負載突降和雙電池啟動情況下不至毀壞[2]。
MCP2021在單片機和LIN半雙工總線之間提供了物理接口，它針對的是串行總線速度達20 kb/s的汽車及工業應用。MCP2021在單片機和串行網絡總線之間提供了半雙工、雙向通信接口。將CMOS/TTL電平轉換為LIN邏輯電平。
LIN2.0規範要求系統中所有節點的收發器通過LIN引腳連接。以地為參考，從LIN總線到供電電池間的外部終端電阻最大為510Ω。510 Ω電阻對應 1個主節點和 16個從節點。
LIN接口及電源系統如圖2所示。二極體D2用於防止系統電源反接輸入對器件產生的破壞，二極體D3和電阻R31構成上拉以滿足LIN2.0規範中對主節點的要求，從節點則不需要D3和R31構成上拉。24 V瞬態抑制二極體TVS3和TVS4可對器件進行保護，C3、C4為外部電源濾波電容，C6是負載電容。

2.3 從節點電機驅動及A/D採樣電路
目前汽車上的車窗電機可以採用電機驅動IC來實現控制，但成本相對較高。因此，在從節點電機驅動中採用兩個單刀雙擲繼電器組成一個閉合迴路，以控制直流電機的正反轉從而實現開閉窗操作。具體電機驅動電路如圖3所示。通過微控制器的RB2和RB3輸出控制信號，以導通三極體來推動繼電器動作實現開啟和閉合。二極體D3和D4用於保護繼電器不被電感釋放的反向電流衝擊，電阻R4為電流採樣電阻，用於車窗上升到頂或下降到底的情況下，電機發生堵轉時採樣電機的堵轉電流。微控制器通過A/D採樣值的變化量來判斷是否停止電機動作。

圖4為從節點主控晶片的復位電路及A/D採樣電路，電阻R1和R2為分壓電阻，D1和D2為鉗制二極體，將輸入電壓範圍鉗制在-0.7 V～+5.7 V，以防止晶片埠電壓過高損壞。C6、D9和R15構成復位保護電路，AD IN為A/D採樣輸入通道。

3 系統軟體設計
軟體設計採用C語言在MPLAB集成開發環境中開發，軟體的調試和下載採用ICD3下載器實現。
根據實際車窗設計的要求，其主要的功能需求如下：
(1)車窗升降控制功能，又分為點動和自動。
點動：車窗升降按鍵按下時間(100 mst600 ms)。
自動：車窗升降按鍵按下時間(t>600 ms)。
同時按下則無效，按鍵動作間隔200 ms，若開關在電機自動運行時又發出手動信號，則電機停止。
(2)門窗鎖止功能，駕駛員側門窗開關總成鎖止按鈕按下後，只有駕駛員側門窗開關總成可以控制車窗升降，從節點不能控制升降。
(3)按鍵無操作時，60 s後微控制器進入休眠狀態，通過按鍵中斷喚醒微控制器。
其主程序流程圖如圖5所示。其中按鍵防抖採用了軟體延時的設計思想，通過10 ms的延時時間去抖，防止誤操作[3]。

4 傳輸信號分析
在完成硬體及軟體的設計後，需要對模塊的傳輸信號延時及相關的協議幀是否滿足協議規範進行分析測試。通過邏輯分析儀對LIN總線的信號傳輸進行分析測試，如圖6所示。
從圖6可以看出，其發送的信號完全是按照LIN2.0協議規範來進行的。其中幀頭部分包括了13位0的發送間隔，0X55同步字符，受保護標識符0X14，幀響應部分為數據字節和校驗和，其響應間隔時間滿足LIN2.0協議的規範要求[4]。

採用LIN總線設計了車窗控制系統，在車窗的升降控制方面表現出很好的性能優勢，完全符合汽車在複雜環境中的正常使用，同時能節省大量的線束，便於維護和製造。總線式的汽車控制網絡是汽車電子工業的一個發展趨勢，在未來的汽車電子市場有很好的發展前景。
參考文獻
[1] PIC16F883/887 datasheet[A].Microchip Technology Inc.2006.
[2] MCP202X datasheet[A].Microchip Technology Inc.2009.
[3] 夏彬彬，任明全，屈金學.PIC單片機常用模塊與綜合系統設計實例精講[M].北京：電子工業出版社，2009.
[4] LIN Specification package revision 2.0,Motorola.


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