牛繼高， 王振京， 李晨旭， 李　根

(中原工學院, 鄭州 450007)

?

基于LIN通信的電動車窗控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

牛繼高， 王振京， 李晨旭， 李根

(中原工學院, 鄭州 450007)

摘要：針對某型乘用車的四門電動車窗，以Freescale的MC9S08SG16和SG08微控芯片分別作為主門和副門節(jié)點，基于LIN通信網(wǎng)絡(luò)和車門識別技術(shù)設(shè)計開發(fā)了該電動車窗控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件算法。結(jié)果表明，駕駛員節(jié)點和副門節(jié)點控制效果良好，性能穩(wěn)定可靠，具有較強的實用價值。

關(guān)鍵詞：LIN總線；四門電動車窗；車門識別；堵轉(zhuǎn)保護

隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的快速進步，人們對汽車舒適性、安全性和娛樂性的需求不斷增加[1-2]，從而引發(fā)了整車裝備電子設(shè)備研究的熱潮。隨著汽車內(nèi)部電子控制單元的增多，各個電子控制單元之間的通信問題逐漸凸顯出來。傳統(tǒng)的汽車內(nèi)部采用點對點的單一通信方式，電子控制單元及負載設(shè)備之間通過導(dǎo)線連接起來。但是，當電子元件增多后，汽車內(nèi)部負責通信用的導(dǎo)線數(shù)即呈級數(shù)級上升，不僅限制了車內(nèi)可用空間，增加了布線難度，最重要的是線束節(jié)點過多會降低系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，給用戶的后期使用和維護帶來更多麻煩。在這種情況下，汽車網(wǎng)絡(luò)、總線技術(shù)應(yīng)運而生，并以較快速度得到大量的應(yīng)用[3]。

LIN(Local Interconnect Network，即本地內(nèi)聯(lián)網(wǎng))通信是基于 SCI數(shù)據(jù)格式的， 采用單主多從結(jié)構(gòu)， 僅使用一根12 V 信號總線和一個無固定時間基準的節(jié)點同步時鐘線[4-5]。LIN總線具有低速、單線、低成本等優(yōu)點，可作為汽車多重傳輸網(wǎng)絡(luò)的補充，為汽車網(wǎng)絡(luò)(例如CAN總線)提供輔助功能。目前汽車車窗控制系統(tǒng)大多采用LIN總線網(wǎng)絡(luò)，可節(jié)省成本和網(wǎng)絡(luò)資源。隨著LIN總線網(wǎng)絡(luò)在汽車行業(yè)的普及應(yīng)用，電子控制器件將采用模塊的形式，方便插入到LIN總線網(wǎng)絡(luò)中。在汽車車身控制領(lǐng)域，LIN總線與CAN總線技術(shù)相輔相成，構(gòu)成車身控制網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)[6]。

本文設(shè)計了一個基于LIN通信的汽車電動車窗控制系統(tǒng)，為相關(guān)研究提供一定的參考。

1電動車窗控制系統(tǒng)的組成和工作原理

乘用車四門電動車窗控制系統(tǒng)[7]的總體框架如圖1所示。當駕駛員按下主車窗開關(guān)按鍵時，主節(jié)點控制器對車窗開關(guān)信號進行數(shù)據(jù)判斷，如果是主駕駛本地的車窗升降信號，則左前門控制器控制本地電機，以完成左前門車窗的升降動作；如果是其他車窗的升降信號，主節(jié)點控制器則根據(jù)通信協(xié)議，將封裝好的數(shù)據(jù)通過LIN收發(fā)模塊發(fā)送到LIN總線上，從節(jié)點則根據(jù)ID碼機制接收總線上的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)解析得到各個節(jié)點的控制信號，然后由本地ECU(Electronic Control Unit)完成對各副門電動車窗的升降控制。同時，從節(jié)點ECU及時將本地的工作狀態(tài)信息發(fā)送回主節(jié)點ECU，主節(jié)點ECU隨時診斷其他從節(jié)點的工作狀況。

圖1　車窗控制系統(tǒng)的總體框架

電動車窗控制系統(tǒng)的重點在于LIN通信對于3個副車門從節(jié)點的識別。以往的車窗控制系統(tǒng)有兩類：一是依托于車身控制器BCM(Body Control Module)的控制，車窗控制器只起到一個開關(guān)的作用，這無疑給BCM的設(shè)計帶來很大困難，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；二是3個副車門互不相同的硬件設(shè)計，給產(chǎn)品的生產(chǎn)、管理和分類都增加了不小壓力，很容易造成產(chǎn)品混裝，如出現(xiàn)將左后車窗控制器裝到右后車門的情況?；诖丝紤]，本文設(shè)計了一種3個副門從節(jié)點硬件電路一樣的控制器。副門識別原理為：在副門的硬件電路設(shè)計中增加左門地址選擇線(L)和右門地址選擇線(R)，對L和R進行賦值(如表1所示)，這樣可使3個從節(jié)點有相同的硬件電路和控制程序。在安裝車窗控制器時按照LIN協(xié)議[8]使左門接左門地址選擇線，兩個右門一個接一個不接地址選擇線。這種設(shè)計不僅有利于產(chǎn)品的生產(chǎn)、管理，而且大大地精簡了軟件的編程。

表1　副門識別原理表

2硬件電路設(shè)計

本文設(shè)計的電動車窗控制系統(tǒng)硬件電路以飛思卡爾[9]芯片為核心，它由MC9S08SG16主節(jié)點芯片、MC9S08SG08從節(jié)點芯片、主節(jié)點按鍵電路、LED背景燈光電路、雙胞胎繼電器設(shè)計電路、LIN通信控制電路等組成。整機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　電動車窗控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1控制芯片及其編譯環(huán)境

綜合考慮成本和加工制造難度，選擇飛思卡爾系列MC9S08SG16為主節(jié)點芯片，MC9S08SG08為從節(jié)點芯片。飛思卡爾芯片為汽車專用級芯片，該芯片針對LIN的數(shù)據(jù)收發(fā)進行了優(yōu)化設(shè)計，并針對汽車的惡劣環(huán)境(如溫度和濕度變化大、電磁干擾嚴重)做了性能優(yōu)化。而且，其質(zhì)量穩(wěn)定可靠，有配套的編譯環(huán)境CodeWarrior，內(nèi)置專家模式(Processor Expert，PE)，便于對芯片底層編程初始化和離線模擬仿真，開發(fā)十分方便，便于產(chǎn)業(yè)化。

LIN收發(fā)器采用常用的MCP2021-500芯片。MCP2021系列為汽車及工業(yè)LIN系統(tǒng)提供了雙向、半雙工通信物理接口，符合LIN 2.0版總線規(guī)范，器件整合了經(jīng)過特別設(shè)計的穩(wěn)壓器，具有5 V @ 50 mA或3.3 V @ 50 mA 的穩(wěn)壓電源、短路保護和內(nèi)部熱關(guān)斷電路保護，在電池反接、+43 V瞬變負載突降和雙電池啟動情況下不易毀壞，具有極低的電磁發(fā)射(EME)和高抗電磁干擾性(EMI)，該器件的設(shè)計符合汽車工業(yè)對靜態(tài)電流的嚴格要求，可在各種工況下工作。

2.2硬件設(shè)計

硬件電路采用以飛思卡爾芯片為核心的設(shè)計方法。它包括：

(1)主節(jié)點按鍵電路設(shè)計。主節(jié)點按鍵電路設(shè)計是在按鍵斷開時為高電平，選用常用的觸發(fā)型開關(guān)把玻璃上升或下降指令生成的低電平信號輸入給主芯片控制器，由主控制器來判斷玻璃上升或者下降(見圖3)。

圖3　主節(jié)點按鍵電路

(2)LED背景燈光電路設(shè)計。在光線昏暗的情況下，為了方便操作，在每個按鍵中設(shè)計一個LED背景燈輔助操作。利用三極管的開關(guān)作用，由主芯片控制器來控制LED燈的開關(guān)(見圖4)。

圖4　LED背景燈光電路

(3)雙胞胎繼電器電路設(shè)計。車窗控制系統(tǒng)的最終目的是對車窗電機進行控制。本設(shè)計由主控制器發(fā)送信號給Q2來驅(qū)動雙胞胎繼電器，通過雙胞胎繼電器某一引腳閉合或斷開來控制電機的正反轉(zhuǎn)以達到車窗上升或下降的目的(見圖5)。

圖5　雙胞胎繼電器電路

(4)LIN通信模塊電路設(shè)計。主門與副門控制器之間的通信依賴于LIN通信模塊，是本設(shè)計的重點和難點。主節(jié)點控制器將封裝好的數(shù)據(jù)通過LIN通信模塊傳輸給副門控制器以控制副門動作(見圖6)。

圖6　LIN通信模塊電路

3軟件設(shè)計

飛思卡爾芯片專用的開發(fā)軟件CodeWarrior內(nèi)有專家模式PE，在軟件開發(fā)過程中可大幅減少開發(fā)成本和時間，提高工作效率。利用該軟件并結(jié)合硬件設(shè)計，可設(shè)計出更巧妙的算法來實現(xiàn)對車窗的控制。

3.1軟件設(shè)計的總體框架

本文車窗控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩個部分:車窗主節(jié)點和車窗從節(jié)點。程序流程分別如圖7、圖8所示。

圖7　主節(jié)點程序流程圖

圖8　從節(jié)點程序流程圖

3.2車窗識別的算法設(shè)計

根據(jù)LIN協(xié)議與硬件電路設(shè)計，安裝車窗時可將左右車門地址選擇線與電源負極相連，給車窗控制器輸入低電平，以實現(xiàn)對車窗ID的設(shè)定。車窗識別的算法設(shè)計為：當左門地址選擇線(L)引腳置0時，令I(lǐng)D=0x27，此車窗控制器為左后門控制器；當右門地址選擇線(R)引腳置0時，令I(lǐng)D=0x28，為右后門；當左右門地址選擇線引腳都未置0時，令I(lǐng)D=0x26，為右前門。

3.3電機堵轉(zhuǎn)及時間保護算法

電動車窗玻璃運動行程固定，根據(jù)實驗可計算出玻璃從底部上升到頂端或者從頂端下降到底部所需要的時間為7 s，上升、下降到端點或者遇到障礙物時，直流電機的轉(zhuǎn)速減小，電流變大。由此，設(shè)計車窗的電機堵轉(zhuǎn)及時間雙重保護算法，保證電機正常運行，車窗安全。電機堵轉(zhuǎn)及時間保護算法見圖9。

圖9　電機堵轉(zhuǎn)及時間保護算法設(shè)計

4實驗

完成對系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計后，需對車窗 LIN 總線系統(tǒng)進行測試。測試分為兩部分：總線信號的測試和系統(tǒng)功能的測試。

4.1總線信號的測試

使用示波器測量 LIN 總線電平信號，測得一組信號如圖 10所示。將信號與協(xié)議規(guī)范中報文傳輸?shù)囊?guī)定進行對比，對報文幀的格式、內(nèi)容等進行驗證。測試結(jié)果表明，車窗系統(tǒng)的 LIN 總線能夠進行正常的總線通信。

4.2系統(tǒng)功能的測試

將車窗控制系統(tǒng)接到車窗控制臺架上進行測試，各車窗在單獨動作或LIN 通信的控制下都運行良好、功能正常，驗證了所設(shè)計的控制系統(tǒng)的可行性。

5結(jié)語

本設(shè)計使用飛思卡爾MC9S08系列芯片為控制核心， MCP2021-500為LIN總線報文收發(fā)器， 通過對軟硬件設(shè)計實現(xiàn)了對電動車窗的控制。利用CodeWarrior編譯器進行編程，減少了開發(fā)成本和時間，提高了工作效率。設(shè)計的電動車窗控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠，經(jīng)實際裝車實驗，系統(tǒng)的各項功能都得到了很好的實現(xiàn)，為產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化實施提供了一定的指導(dǎo)。

參考文獻：

[1]王慶豐，胡娜.基于因子分析的新能源汽車消費影響因素研究[J].中原工學院學報，2013，24(5)：68-72.

[2]朱從云，朱亞偉，姜春英，等.基于平順性某型汽車懸架的優(yōu)化選擇[J].中原工學院學報，2013，24(5)：6-9.

[3]趙方庚,龍理華,蔚建璽,等.現(xiàn)代汽車總線技術(shù)的發(fā)展[J]. 汽車運用, 2009(12):30-31.

[4]LIN Consortium. LIN Specification Package Revision 2.1. [EB/OL]. (2006-11-24). http://www.lin-subbus.org/.

[5]Ra W S, Lee H J,Yoon T S, et al. Real-Time Robust Pinch Detection Algorithm for Automotive Applications[C]//2006 IEEE Intelligent Transportations Systems Conference. New Jersey, United States: Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE) Inc.,US, 2006:17-20.

[6]胡思德.汽車車載網(wǎng)絡(luò)(CAN/VAN/LIN)技術(shù)詳解[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:204-216.

[7]廖強,程金堂,張衡.汽車電動車窗防夾控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].重慶理工大學學報(自然科學版),2011,25(3) :1-5.

[8]Specks J W, Rajnak A. LIN-protocol, Development Tools and Software Interface for LIN in Vehicles [R]. Düsseldorf:VDI-Verlag,2000.

[9]王宜懷,曹金華.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計實戰(zhàn):基于飛思卡爾S12X微控制器[M].北京:航空航天大學出版社,2011: 81-85.

(責任編輯：姜海芹)

收稿日期：2016-01-15

作者簡介：牛繼高(1970-)，男，河南鄭州人，講師，博士，主要研究方向為新能源汽車。

文章編號：1671-6906(2016)03-0022-04

中圖分類號：U463.33

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.005

Design and Development of Power Window Control System Based on LIN Communication

NIU Ji-gao, WANG Zhen-jing, LI Chen-xu, LI Gen

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China)

Abstract：For a certain type of passenger car of the four-door electric windows, Freescale MC9S08SG16 and SG08 micro control chip respectively as the main gate and vice gate node, based on the Lin communication network and door recognition technology, hardware circuit and software algorithm of the power window control system are designed and developed. The experimental results show that the control effect is good, the performance is stable and reliable, and it has strong practical application value.

Key words:LIN bus; four-door electric windows; the door identification; locked rotor protection