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基于CAN控制器P8xC591和傳感器實現(xiàn)車窗智能控制系統(tǒng)的設計

2020-03-24
來源:電子工程世界
關鍵詞: CAN P8xC591 智能控制

  1、引言

  目前.以微控制器為代表的汽車電子在整車電子系統(tǒng)中應用廣泛,汽車控制正由機電控制系統(tǒng)轉向以分布式網(wǎng)絡為基礎的智能化系統(tǒng)。CAN總線是一種支持分布式和實時控制的串行通信網(wǎng)絡,以其高性能和高可靠性在自動控制領域廣泛應用。作為目前最具應用潛力的現(xiàn)場總線之一,CAN總線技術為我國汽車產(chǎn)業(yè)升級、降低成本,擴大市場占用率提供支持。

  現(xiàn)在各中高檔轎車都安裝有電動車窗,按鈕控制車窗玻璃的升降。如果車窗無智能,司機在沒有注意到乘客的手或物體伸出窗口的情況下按下按鈕,乘客容易被車窗夾傷。為了安全,很多乘車都采用電動防夾車窗。在充分研究有關CAN總線在汽車電子系統(tǒng)中的應用和電動車窗防夾方案的基礎上,提出一種基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統(tǒng)的設計方案,實現(xiàn)車窗在正常工作模式下防夾控制功能和緊急情況下(異常工作模式)快速升降車窗控制功能。

  2、 系統(tǒng)功能結構

  2.1 CAN總線通信實現(xiàn)原理

  CAN總線屬于多路復用總線的一種,最早是由德國Bosch公司研制的主要用于汽車電器系統(tǒng)控制的總線規(guī)范。它采用非破壞總線仲裁技術,多主方式工作。直接通信距離最遠可達10 km,通信速率最高可達1 Mb/s,幀消息采用CRC校驗和其他檢錯措施,具有自動關閉錯誤嚴重的節(jié)點功能。CAN節(jié)點通過報文的標識符濾波實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,不同優(yōu)先級滿足不同實時要求,節(jié)點數(shù)取決于總線驅動電路,通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖,選擇靈活。報文采用短幀結構,傳輸時間短,受干擾概率低,保證數(shù)據(jù)出錯率極低。汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)中的總線以報文為單位傳輸數(shù)據(jù),節(jié)點對總線的訪問采用位仲裁方式。報文起始發(fā)送節(jié)點標識符分為功能標識符和地址標識符。CAN總線系統(tǒng)節(jié)點分為不帶微控制器的非智能節(jié)點和帶微控制器的智能節(jié)點。該系統(tǒng)采用智能節(jié)點設計,轎車車窗按CAN總線結構和電器元件在汽車中的物理位置劃分為左前、右前、左后和右后4個節(jié)點單元。其中左前節(jié)點為主控制單元,除負責本地(左前)車窗的升降,還可以遠程控制其他車窗。各節(jié)點采用獨立的帶CAN功能的微控制器設計,其CAN網(wǎng)絡結構如圖1所示。

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  基于CAN控制器P8xC591和傳感器實現(xiàn)車窗智能控制系統(tǒng)的設計

  2.2 車窗的智能控制

  電動車窗系統(tǒng)每個車門都有一個車窗玻璃升降機構,與傳統(tǒng)的手搖機構相似,只不過是采用直流永磁電機驅動。電機尺寸非常小,可以安裝在車門里面,并且?guī)в幸惶诇p速機構,用來增加輸出扭矩、減小輸出轉速。電機轉動方向(即車窗的上下移動)通過改變輸入電壓的極性來實現(xiàn),車窗升降速度取決于輸入電壓的大小。

  系統(tǒng)使用一個小阻值(約1Ω)的電阻作為電流傳感器,傳感電阻與電機串聯(lián),其壓降與電機的工作電流成正比,通過檢測電阻兩端的電壓檢測流過電機的電流。在傳感電阻上的電壓未到達設定的閾值前,電機一直工作,一旦傳感器的壓降達到閾值。電機停止轉動,檢測車窗位置。如果車窗位置未達到最終位置。說明車窗遇到障礙,車窗將自動退回初始位置。如果車窗到達行程終點,電機電路斷開。為了完成該操作控制,需要實時控制車窗位置,為此在車窗導軌的頂部和底部各安裝壓電傳感器,根據(jù)壓力產(chǎn)生的電壓來判斷車窗是否到達預先設的極限位置。

  該系統(tǒng)設計除了在正常情況下實現(xiàn)自動防夾功能,還要求在突發(fā)事件(如歹徒搶劫或乘客遇險逃生等)時司機能夠控制車窗的強制關閉或打開。系統(tǒng)對每個節(jié)點單元都有3個用于車窗控制的按鍵(K1、K2和K3)。其中Kl用于控制車窗的上升和下降,是一個2值信號開關;K2暫停/恢復按鍵用于車窗上升或下降途中的暫停,再次按下K2將繼續(xù)運動;K3模式選擇按鍵,其默認為執(zhí)行正常工作模式(帶防夾功能),按下K3后執(zhí)行異常工作模式(不帶防夾功能),具有最高優(yōu)先級,用于快速設定車窗上升或下降。主控節(jié)點單元即左前節(jié)點單元,除負責本地車窗的升降外,還控制所有節(jié)點單元的車窗同步動作,在前3個控制按鍵基礎上,增加了本地/全局控制模式按鍵K4,默認為本地控制模式,按鍵后切換控制模式。以主控節(jié)點單元按鍵動作說明車窗的智能控制過程,其結構邏輯如圖2所示。

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  3、 系統(tǒng)硬件設計

  系統(tǒng)左前節(jié)點單元除具有全局控制外,其余節(jié)點單元只負責控制本地車窗,硬件設計僅多一個按鍵K4,主要在于軟件設計。該系統(tǒng)設計的控制電路不僅支持節(jié)點單元間的CAN總線通信,還要檢測壓電傳感器和負載電流等模擬量,判斷各種邏輯,通過驅動器實現(xiàn)控制功能。

  該系統(tǒng)采用片內含有CAN控制器的P8xC591作為節(jié)點單元主控制器。P8xC591采用強大的80C51指令集;內部集成有SJAl000 CAN控制器的PeliCAN功能;全靜態(tài)內核提供了擴展的節(jié)電方式:振蕩器停止和恢復而不丟失數(shù)據(jù);改進的1:l內部時鐘分頻器在12 MHz外部時鐘頻率時實現(xiàn)500ns指令周期。

  控制器P8xC2591讀取按鍵信息,驅動車窗電機按預先編制的軟件指令運行,同時監(jiān)測傳感器的輸出電壓和負載電流,作為車窗在上升(下降)過程中與障礙物夾持時的邏輯判斷,然后驅動電機。為了防止車窗玻璃上升到頂部或下降到底部時,電動機受到?jīng)_擊堵轉而降低電動車窗機械的使用壽命,該系統(tǒng)設計具有軟停止功能,并且手動或自動上升、下降時都有此功能。當玻璃上升(下降)快到頂(底)部時,在上升軟停止點切斷電動機的電源使其停止工作,通過電動機的慣性使玻璃上升(下降)到頂(底)部。

  各節(jié)點單元相關命令和狀態(tài)通過CAN控制器以報文格式由CAN總線完成與其他節(jié)點單元信息間的傳輸和共享。系統(tǒng)節(jié)點單元硬件設計框圖如圖3所示。

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  電機驅動電路采用汽車電子專用的電機驅動器MC33486。該器件帶有兩個雙高端開關和兩個預驅動低端開關,其低端開關可外接兩個MOSFET管,可連續(xù)輸出10 A的電流。同時能夠采集電機電流,利用它反饋給單片機A/D轉換采樣模塊得到電機電流值,完成電機控制,實現(xiàn)車窗堵轉和防夾功能。系統(tǒng)通過濾波電容降低噪聲的耦合,收發(fā)器PCA82C250與CAN總線之間加接光電隔離器6N137,采用DC—DC變換器隔離電源,總線兩端接終端電阻以消除反射信號。

  4、 系統(tǒng)軟件設計

  系統(tǒng)軟件設計目主要包括CAN控制器初始化、節(jié)點發(fā)送接收報文和主控程序3個模塊。

  4.1 CAN控制器初始化

  CAN控制器上電或硬件復位后必須初始化,包括操作模式、驗收濾波器、總線位定時、中斷和配置TXDC輸出引腳。

  4.2 節(jié)點發(fā)送/接收報文

  報文的發(fā)送由CAN控制器遵循CAN協(xié)議規(guī)范自動完成。首先CPU必須將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報文,進入CAN控制發(fā)送緩沖器中,并置位命令寄存器中的發(fā)送請求標志,發(fā)送處理可通過中斷請求或查詢狀態(tài)標志進行控制。其發(fā)送程序分發(fā)送遠程幀和數(shù)據(jù)幀兩種,遠程幀無數(shù)據(jù)場。

  報文的接收程序負責節(jié)點報文的接收以及總線關閉、錯誤報警、接收溢出等其他情況處理。報文的收發(fā)主要有中斷接收方式和查詢接收方式。軟件設計采用報文接收的查詢中斷控制方式和報文發(fā)送的中斷控制方式。報文的發(fā)送/接收程序流程如圖4所示。

  

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  4.3 主控程序

  在各車窗節(jié)點單元中,左前節(jié)點單元功能最復雜,具有最高控制優(yōu)先權。這里以左前節(jié)點單元為例,詳細介紹其主控程序設計。首先初始化系統(tǒng),包括P8xC591控制器的CAN模塊初始化、中斷、I/0端口、定時模塊、看門狗模塊、A/D轉換器模塊和設置全局變量,還要將電機堵轉時的最大電流和車窗到頂(底)時傳感器的電壓閾值寫入EPROM。P8xC591將實測電流與EPROM中的標定值比較,實現(xiàn)防夾功能,比較電壓閾值與測得的傳感器電路電壓值判斷車窗到達極限位置。初始化完成后,讀取組合按鍵信息,根據(jù)按鍵動作實施具體操作,同時發(fā)送CAN報文,完成各節(jié)點單元間的CAN通信和智能化控制。圖5為左前節(jié)點單元主控程序流程。

  

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  5 、系統(tǒng)主要技術參數(shù)和功能

  電動車窗控制系統(tǒng)除了具有車窗自動上升、下降和手動暫停、恢復功能外,還有以下功能:

 ?。?)防夾功能 初始化后,手動和自動上升時都具有防夾功能,防夾次數(shù)不受限制;從車窗上極限下沿40mm往下,車窗上極限上沿40 mm往上的區(qū)間為防夾區(qū)間:在室溫(22±5)℃、80 mΩ的線間電阻、15 V的工作電壓,以10 N/mm的測量儀測量時,玻璃上升的防夾力小于100 N。

 ?。?)省電模式 在輸入信號消失120 ms后。且電動機溫度接近室溫25℃時,系統(tǒng)自動進入省電模式.靜態(tài)電流小于300μA。當電動機控制單元一旦得到輸入指令就被喚醒。

 ?。?)軟停止功能 上升軟停止點為上極限位置約2 mm處,下降軟停止點為下極限位置上約12 mm處。

  (4)電動機保護功能對電動機采取保護措施,提高電動機和電動車窗系統(tǒng)的使用壽命。在電動機堵轉的250 ms內,控制單元切斷電動機電源,電動機停止工作。在控制單元接通電源后,如果沒有初始化,則電動機的初始溫度定為80℃;如果初始化,則電動機初始溫度定為160~C。正常情況下,如果電動機溫度達到170℃,則輸入的指令無效,一旦電動機溫度降低后就恢復功能;如果電動機溫度到190℃,則立即停止電動機的工作,一旦電動機溫度降低后就恢復功能。

 ?。?)自診斷保護功能 為保證系統(tǒng)的可靠性,同時提高系統(tǒng)的平均無故障時間,采用自診斷保護措施:如果電源電壓超過16 V±0.5 V,關閉自動上升功能。

  (6)系統(tǒng)抗干擾設計技術軟件抗干擾以其設計靈活、節(jié)省硬件資源、成本低等優(yōu)勢得到廣泛應用。該系統(tǒng)的軟件設計嵌入看門狗,進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

  6、 結語

  設計了基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統(tǒng),節(jié)點單元以P8xC591單片機為核心,將車窗電機和電子控制元件接入系統(tǒng)。采用CAN總線傳輸、共享和查詢數(shù)據(jù),實現(xiàn)分布式控制。與傳統(tǒng)汽車電器手動操作和點對點式互聯(lián)方式相比.采用CAN總線技術,布線明顯減少,車身系統(tǒng)結構簡單,系統(tǒng)可靠性高,更易于維護。同時,系統(tǒng)通過監(jiān)測車窗電機的電流實現(xiàn)電動車窗的防夾功能,并針對人身安全隱患設計了強制車窗“動作”功能,使整車的智能化、人性化和安全性得到進一步提高。目前,該系統(tǒng)設計已在國內某轎車上安裝試行.反映效果良好。所提出的方案具有較強的可移植性和可擴展性,同樣也適用于汽車電氣系統(tǒng)的智能化升級,開發(fā)其他功能更為強大的CAN總線智能產(chǎn)品。


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