采用CAN總線的轎車車窗智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

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(jī)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(guān)CAN總線在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用和電動車窗防夾方案的基礎(chǔ)上，提出一種基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，實(shí)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。

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(yīng)用廣泛，汽車控制正由機(jī)電控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向以分布式網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的智能化系統(tǒng)。CAN總線是一種支持分布式和實(shí)時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，以其高性能和高可靠性在自動控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。作為目前最具應(yīng)用潛力的現(xiàn)場總線之一，CAN總線技術(shù)為我國汽車產(chǎn)業(yè)升級、降低成本，擴(kuò)大市場占用率提供支持。

2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2．1 CAN總線通信實(shí)現(xiàn)原理

CAN總線屬于多路復(fù)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(shù)，多主方式工作。直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，通信速率最高可達(dá)1 Mb／s，幀消息采用CRC校驗和其他檢錯措施，具有自動關(guān)閉錯誤嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)功能。CAN節(jié)點(diǎn)通過報文的標(biāo)識符濾波實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，不同優(yōu)先級滿足不同實(shí)時要求，節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動電路，通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。報文采用短幀結(jié)構(gòu)，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(luò)系統(tǒng)中的總線以報文為單位傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)對總線的訪問采用位仲裁方式。報文起始發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符分為功能標(biāo)識符和地址標(biāo)識符。CAN總線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分為不帶微控制器的非智能節(jié)點(diǎn)和帶微控制器的智能節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計，轎車車窗按CAN總線結(jié)構(gòu)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(diǎn)單元。其中左前節(jié)點(diǎn)為主控制單元，除負(fù)責(zé)本地(左前)車窗的升降，還可以遠(yuǎn)程控制其他車窗。各節(jié)點(diǎn)采用獨(dú)立的帶CAN功能的微控制器設(shè)計，其CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)的手搖機(jī)構(gòu)相似，只不過是采用直流永磁電機(jī)驅(qū)動。電機(jī)尺寸非常小，可以安裝在車門里面，并且?guī)в幸惶诇p速機(jī)構(gòu)，用來增加輸出扭矩、減小輸出轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)動方向(即車窗的上下移動)通過改變輸入電壓的極性來實(shí)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(jī)串聯(lián)，其壓降與電機(jī)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(jī)的電流。在傳感電阻上的電壓未到達(dá)設(shè)定的閾值前，電機(jī)一直工作，一旦傳感器的壓降達(dá)到閾值。電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，檢測車窗位置。如果車窗位置未達(dá)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(dá)行程終點(diǎn)，電機(jī)電路斷開。為了完成該操作控制，需要實(shí)時控制車窗位置，為此在車窗導(dǎo)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(dá)預(yù)先設(shè)的極限位置。

該系統(tǒng)設(shè)計除了在正常情況下實(shí)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(jī)能夠控制車窗的強(qiáng)制關(guān)閉或打開。系統(tǒng)對每個節(jié)點(diǎn)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(guān)；K2暫停／恢復(fù)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(yùn)動；K3模式選擇按鍵，其默認(rèn)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(shè)定車窗上升或下降。主控節(jié)點(diǎn)單元即左前節(jié)點(diǎn)單元，除負(fù)責(zé)本地車窗的升降外，還控制所有節(jié)點(diǎn)單元的車窗同步動作，在前3個控制按鍵基礎(chǔ)上，增加了本地／全局控制模式按鍵K4，默認(rèn)為本地控制模式，按鍵后切換控制模式。以主控節(jié)點(diǎn)單元按鍵動作說明車窗的智能控制過程，其結(jié)構(gòu)邏輯如圖2所示。