基于lin总线的电动车窗设计

基于lin总线的电动车窗设计内容摘要：

条件 》外，在实际操作过程中还希望开关能有良好的“手感”，这里的“手感”即开关表面的触摸感好坏，操作过程中使用力量的大小，开关接触行程的长短，因为对于目前的消费者来说，这是最主要的评价标准，也直接影响到消费者对产品的主观评价。 西华大学毕业设计说明书 13 由于目前的电动车窗开关的手动档和自动档都是 集成在一起的，其主要区别在于他们各自的接触行程不同，为了防止在实际操作过程中出现自动档和手动挡之间的误操作，电动车窗的开关档位之间应该要有比较大的区别，包括操作力量和接触行程的大小都应该相隔较大，在操作过程中还要具有良好的流畅性，即无卡滞现象。 对比 表 2— 6 中 三种市面上的电动车窗开关我们发现， A 主动车窗开关的力谱图曲线连贯性较好，作用力和行程基本上成正比例变化。 但是其作用力较大，而且在档位变化的操作过程中虽然作用力变化的连续性很好，但是由于在每个档位处的作用力变化不大，而且其有效行程也较短，因此很不容易操 作到位，需要多次练习，才能比较好的找到档位之间的具体位置。 而 C 主动车窗开关的力谱图曲线的波动性较大，在实际操作过程中，按键的作用力连续性不好，有卡滞的现象。 而且其档位处的力矩变化和有效行程都很小，容易出现档位的误操作。 B 主动车窗开关的曲线虽然没有 A 的连贯，但是在每个档位处的作用力变化跨度较大，这种好处就是能让操作者比较明显的感觉到档位之间的变化。 档位之间的有效行程的跨度也较大。 不易出现档位的误操作。 其作用力最大值在 5N 左右，力度适合。 操作者可以很轻松的操作按键。 综上所述 ， B 主动开关的测评结果较好，因此本 次设计选用 B 主动开关。 西华大学毕业设计说明书 14 表 2— 6 三种电动车窗主开关参数对比表 A主电动车窗开关 B 主电动车窗开关 C 主电动车窗开关 俯 视 图 侧 视 图 按 键 上 拉 按 键 下 按 上拉 最大值 第一档 第二档 （ 相差 ） 第一档 第二档 （ 相差 ） 第一档 第二档 （ 相差 ） 下按 最大值 第一档 第二档 （ 相差 ） 第一档 第二档 （ 相差 ） 第一档 第二档 （ 相差 ） 上拉 行程 第一档 2mm 第二档 （相差 mm ） 第一档 mm 第二档 4 .0mm （相差 mm ） 第一档 mm 第二档 mm （相差 ） 上拉 行程 第一档 1 mm 第二档 2 mm （相差 mm ） 第一档 mm 第二档 mm （相差 2 mm ） 第一档 mm 第二档 mm （相差 ） 外观 尺寸 材料 ABS PBTGF20 ABS PBTGF30 ABS PBTGF20 西华大学毕业设计说明书 15 车窗电动机 车窗电动机作为电动车窗系统的唯一执行机构 ，其性能好坏直接影响到车窗系统的工作情况。 尤其是运用在汽车控制中，对其性能要求比较严格。 电动车窗上的电动机是双向的，按照种类不同分为永磁式直流电动机和双绕组串励式电动机。 本次选用的车窗电动机 是永磁式直流电动机，其 主要参数如 表 2— 7 所示。 表 2— 7 车窗电动机性能参数表 西华大学毕业设计说明书 16 第 3 章 车窗系统硬件 电路 设计 车窗系统的总体框架设计 传统的电动车窗控制电路 结构图 如图 3— 1 所示 ,车 窗系统的主体控制单元是驾驶室的主电动车窗开关。 实际的电路图如图 3— 2 所示。 图 3— 1 传统电动车窗控制电路结 构图 西华大学毕业设计说明书 17 图 3— 2 传统电动车窗电路图 传统的电动车窗系统 虽然制造成本较低，但是在实际的线路连接上 却比较复杂，需要的连线比较多，导致车身上的线束截面积比较大。 而通常情况下车窗开关都安装在车门扶手位置处，车门本身是需要经常活动的，这种结果就使线束的安装和铺设比较困难，并且由于连线的数量较多导致系统本身的可靠性 和稳定性 也不能得到很好的保证。 其次，由于电路结构的局限性使车窗控制只能实现 单一 的上升和下降。 在实际使用过程中容易出现在车窗自动关闭过程中可能引起卡死、挤压及伤人危险等现象。 最后，由于电机的转向改变是靠改 变开关的档位来改变电机的极性，开关本身承受的电流较大，这种结果容易导致开关触点出现氧化，接触不良的现象。 而 在目前使用得比较多的 车载网络 中 可分为驱动网络和舒适网络。 一般 CAN 协议用于驱动网络，而 LIN 协议用于舒适网络。 相对于开发高速 CAN 网络所需要的成本较高， LIN 网络更适合用于性能要求不高的舒适网络，于是在车门，车窗，车灯等部件中，引入了 LIN 总线，这样既能满足系统运行的正常需要，又能使整车成本得以减少。 此次车窗控制系统总体框架图如图 3— 3 所示。 西华大学毕业设计说明书 18 图 3— 3 LIN 总线控制 车窗控制系统总体框架图 当驾驶员按下车窗按键开关时， 车窗开关得到的电压信号 传到 主节点 ECU内进行 A/D 转换后进行数据判断 ， 如果是主驾驶车窗的数据，那么主车窗 ECU 控制主车窗电机动作，如果是其他车窗的开关信号，主节点 ECU 将相应的数据通过 LIN收发模块发送到 LIN 总线上，其余的从节点 ECU 则检测此时 LIN 总线上的数据，如果与自己的设置的 数据相对应则控制电机动作。 反之则不进行操作。 同时从节点ECU及时 将工作状态信息发送回主节点 ECU，主节点 ECU 随时诊断其他从节点的工作情况。 在车窗升降过程中，智能功率驱动器件 MC33486 通过监测电 机的电流变化，通过相关的防夹算法实现车窗的防夹功能，实现了车窗系统的智能化控制过程，提高了驾驶员行车过程中的安全性和舒适性。 在本次设计中，车窗控制系统采用了 LIN 总线协议构建了车窗 LIN 总线网络 并使用了 协议规范。 西华大学毕业设计说明书 19 车窗控制系统的硬件 结构 车窗控制系统主要是由车窗、车窗升降器、车窗电机模块、控制开关以 及相关的电子电路模块等装置组成。 车窗和车窗升降器主要是机械结构。 车窗控制开关有两套，一主一从，可以控制每个车窗的升降。 一般在主开关上装有断路开关，如果它断开，分开关就不起作用。 如今的车窗 控制系统内装有的先进电子设备，具有安全保护功能，能够通过电子模块控制对电机的过流、过压以及过热保护，而且当玻璃上升途中遇到 障碍时会自动识别而停 止转动，防止乘客夹伤，实现防夹功能。 下面对本次设计的电子电路模块给出了详细说明。 LIN 节点设计 微处理器需要选择带有异步串行收发器模块 (UART)的微控制器和符合 规范的收发器，因为它决定了系统的硬件设计连接以及软件开发环境等一系列的问题。 在汽车专用微控制器 (MCU)领域，美国 Mierochip(微芯 )和 Freescale(飞思卡尔 )两家公 司的 MCU 针对 LIN 的数据收发进行了优化设计，同时，针对汽车的恶劣环境如温度，湿度变化大、电磁干扰严重做了性能优化，是用于车内 LIN 控制节点微控制器的较好方案。 本文选用 Freescale 公司的 MC9S08DZ60 单片机和 LIN 物理层收发器 MCZ33661 芯片构成节点的硬件。 MC9S08DZ60 单片机提供了工业级的制造工艺与流片工艺保证 ，因此可以适用于严酷的车内运行环境。 而 MCZ33661 是 LIN 总线收发器，在单片机和 LIN 半双工总线之间提供了一个物理接口，可以为汽车和工业应用捉供一个最高 20Kbit/s 的串行总线传输速率。 LIN 收发器 MCZ33661 芯片针对工作在汽车环境下的情况进行了特别设计，符合 总线规格。 西华大学毕业设计说明书 20 图 3— 4 LIN 节点硬件电路图 图 3— 4 显示了 LIN 总线的节点硬件连接示意图。 图中 C7 应该选用电解电容 电容或 胆 电容，使芯片能在更大的温度范围内工作。 C1 用作外部电压源的滤波电容。 D2 则是 27V 的瞬态电压抑制二极管，同为可选器件，可以在电源瞬变的时候起保护作用。 因 LIN 总线为单主多从结构，无需总线仲裁，由主节点控制总线访问，故对 LIN 主节点的保护额外重要，故采用了图中包含二 极管 D1 的虚线部分来实现对主节点的保护。 图中 MCZ33661 为 MC9S08DZ60 和 LIN 总线之间提供了一个双向通信接口，能够把 LIN 总线的电平转换成微控制器能够接收的 TxD， RxD 信号，或者进行与之相反的转换。 其中， MC9S08DZ60 供电电源 由汽车电源经电源转换稳压得到。 MCZ33661 的供电由汽车电源直接供给 12V。 MCZ33661 的增强型异步收发器可以用硬件完成 LIN 报文帧的同步间隔场接收，并以中断的方式告知单片 西华大学毕业设计说明书 21 机开始接收总线的数据。 LIN 报文帧的数据收发满足 1 位起始位， 8 位数据位， 1位停止 位条件，用微控制器的 UART 模块和 UART 中断功能即可完成 LIN 总线上数据的收发。 电源模块设计 目前汽车内的蓄电池电源通常都是直流 +l2V，汽车内很多电子设备需要依靠它来供电，比如电子打火器，各类电子仪表，自动车窗等，虽然是蓄电池，仍难以保证其稳定输出。 车载网络中主要用到两种电源 :+12V、 +5V。 +12V 的电压主要是为电机驱动 和 LIN 收发器 供电， +5V 的电压则是给电路中的其它芯片供电，因此需要进行 +12V到 +5V的转换，而且车载电源的稳定性差，需要其输出电压进行稳压。 电源电路采用了 LM2575 稳压电源电路芯片，对 +12V转 +5V 供电电路可以参考图3— 5 电路。 图 3— 5 +12V转 +5V电源转换电路 稳压芯片 LM2575 是按照开关电源的工作原理集成的电源芯片，因此其工作效率高，输出电压稳定，最大输出电流能达到 3A， 在稳压芯片 LM2575 瞬间停止输出时，由电感的电磁感应效应形成的电压给电路供电，此时快恢复型肖特基 二极管IN5822 作为回路的一部分 ， 其工作电流的大小直接影响电源实际输出电流的大小。 图中的电容 C6 和 C7 选用电解电容，可以有效滤除高低频干扰。 电机驱动模块设 计 由于本次车窗电机 采用供电电压 11V~15V，工作电流不大于 15A，堵转电流不大于 28A的永磁直流电机，需要的电机功率较大并伴有冲击电流的正反相控制要求。 智能功率芯片 MC33486 是飞思卡尔半导体公司生产的专用于车身电子的电机驱动 西华大学毕业设计说明书 22 芯片，该芯片可外接两个 MOSFET 管 (这里选用 P60N06，能够输出较大的工作电流驱动电机 )组成一个 H 桥来实现电机的双向控制。 其正常工作温度范围在 － 40℃ 到+150℃ ，正常连续输出电流最大达到 10A，直流输入电压范围为 8~28V，而且当电压高于 28V 时具有过压保护功能。 它能够采 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，从而完成电机的双向控制和实现车窗防夹功能，达到了车窗电机驱动模块的设计要求。 其电路图如图 3— 6 所示。 图 3— 6电机驱动电路 电机控制原理如下 :初始状态中， GLSI 和 GLsZ 都同时置高电平或低电平， OUTI和 OUTZ 一直保持高电平。 当 U6 中的栅极为低电平且 U7 的栅极为高电平时，直流电机正转， 车窗上升。 反之，当 U6 中的栅极为高电平且 U7 的栅极为低电平时，直流电机反转，车窗下降，这样就足以完成永磁直流电机的正反相控制要求。 除此之外，飞思卡尔的 功率芯片 MC33486还具有负载电流的线性复制功能，CurR输出电流和负载电流成线性比例， CurR输出电流再通过采 样电阻和限流电阻把电流转化为电压输入到单片机的采样端。 电压进行 A/D转换和一些计算后就可以得到负载的真实电流。 因此，监测输入到单片机端口的电压就等同于监测车窗运动中电机的电流。 车窗上升过程、下降过程、上升遇到阻力过程中 ， 经过电机的电流 西华大学毕业设计说明书 23 都呈规律 性的变化，而这些电流变化都可以通过电流采样实时地反映到单片机中 ，其中 LoadI 为 玻璃升降器的电机电流： L o a dC u r R II *)3 7 0 0/1( 这个电流通过采样电阻 R8和限流电阻 R9把电流转 化为电压输入到单片机 ADC的采样端。 输入到单片机端 的电压为： 8RIU C urR  将电压进行 A／ D转换和一些计算后就可以得到负载的真实电流。 因此，监测输入到单片机端口的电压就等同于监测车窗运动中电机的电。