基于VNH2SP30的汽車窗戶防夾傷方案

　　近幾年來，汽車電子市場(chǎng)的增長(zhǎng)非常顯著，這主要?dú)w功于一些新的應(yīng)用，如增強(qiáng)整車性能、安全性和舒適性等。為此，就必須在汽車的不同位置安裝大量的電子模塊，以及電子線束。 

　　基于節(jié)省空間和減少重量的原則，汽車的電氣系統(tǒng)架構(gòu)正在從單一電子控制模組和集中控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向分散控制技術(shù)。另外，裝配成本的降低和整車系統(tǒng)可靠性的提高，需要將以前使用的機(jī)電操作功能轉(zhuǎn)移到電子模組里，其結(jié)果是產(chǎn)生了一系列有關(guān)分散電子模組的標(biāo)準(zhǔn)，其中包括越來越多的基于標(biāo)準(zhǔn)的汽車協(xié)議（如LIN和 CAN）及其特性（如自主安全操作、診斷、保護(hù)和通信能力）。 

　　1、窗戶升降器原理 

　　目前，很多自動(dòng)控制裝置都具有觸發(fā)關(guān)閉系統(tǒng)的功能，如窗戶和車門。這也同時(shí)暗示著發(fā)生意外事故的危險(xiǎn)，如人身體或動(dòng)物的某一部分被這些自動(dòng)裝置夾住和壓住。一個(gè)具體實(shí)例就是汽車的自動(dòng)窗戶升降器。由于窗戶玻璃施加于障礙物上的力量足夠大，因此足以壓碎人體的某一部份器官。 

　　按照相關(guān)安全規(guī)范的建議，自動(dòng)窗戶升降裝置必須裝備所謂的“防夾傷”功能。該防夾傷功能是指∶ 

　　■在關(guān)閉窗戶的時(shí)候檢測(cè)障礙物的存在。 

　　■限制施加于障礙物的力量的大小。 

　　■向相反方向移動(dòng)窗戶，以釋放障礙物。 

　　現(xiàn)有的解決方案不是機(jī)械式的，就是機(jī)電一體化的。在機(jī)械機(jī)構(gòu)中，防夾檢測(cè)是通過固定于窗戶支柱上的環(huán)境感應(yīng)片內(nèi)的開關(guān)進(jìn)行的。該開關(guān)一般情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，在環(huán)境感應(yīng)片上施加有壓力的時(shí)候開啟。該方案很簡(jiǎn)單，但是感應(yīng)片很貴，并且潛在的安裝和維護(hù)比較復(fù)雜。在某些情況，該方法無法滿足某些安全標(biāo)準(zhǔn)，舉例來說，如果窗戶形狀呈現(xiàn)為銳角，力量就不是以直角方向施加于感應(yīng)片表面(見圖1)，用以激勵(lì)開關(guān)所必需的力量不是接觸不到感應(yīng)片，就是比規(guī)范所要求的力量大很多。

　　有一種基于馬達(dá)速度監(jiān)視的替代方案，通過傳感器(霍爾效應(yīng)傳感器、編碼器等)完成有關(guān)功能。其防夾環(huán)境檢測(cè)是通過檢查馬達(dá)速度的變化實(shí)現(xiàn)的。馬達(dá)由繼電器控制，繼電器以整個(gè)電池為動(dòng)力啟動(dòng)馬達(dá)。當(dāng)以最大力矩啟動(dòng)馬達(dá)時(shí)，施加于障礙物上的力在啟動(dòng)時(shí)可以達(dá)到最大值。本文使用VNH2SP30監(jiān)視由于馬達(dá)負(fù)載變化所導(dǎo)致的功率變化。

圖1 汽車窗戶原理圖

　　對(duì)窗戶升降系統(tǒng)的具體要求是在啟動(dòng)階段，檢測(cè)已經(jīng)存在的障礙狀態(tài)。事實(shí)再一次表明，在汽車窗戶升降器升起時(shí)，有幾種情況可能發(fā)生夾傷事故。兩種最常見的可能情形是∶

　　■窗戶玻璃的位置非?？拷皯糁е?，而且阻塞物體正好位于玻璃和窗戶支柱之間。

　　■如果窗戶模胚的形狀為一個(gè)銳角，這樣大部份情況下都容易發(fā)生夾傷現(xiàn)象(見圖1)。

　　窗戶升降器的動(dòng)力來自一個(gè)直流馬達(dá)。它直接提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過與轉(zhuǎn)子和磁鼓的耦合來提供變速運(yùn)動(dòng)。電樞電路和轉(zhuǎn)子外形如圖2所示。

圖2 直流馬達(dá)

　　正常情況（軟啟動(dòng)）下，在開始啟動(dòng)階段，馬達(dá)功率的增加與其角速度成正比，稍後就以一定常數(shù)增加。軟啟動(dòng)開始期間的夾傷可能性比進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的可能性大。因此，在具體實(shí)施時(shí)有必要定義兩個(gè)在不同時(shí)期運(yùn)行的馬達(dá)功率閾值。如果檢測(cè)到的防夾狀況達(dá)到了夾傷閾值，窗戶玻璃就在下降的過程中停下來以免事故發(fā)生；如果是在上升過程中，它將會(huì)下降一個(gè)固定的長(zhǎng)度。

　　2、硬件實(shí)施

　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理見圖3，具體實(shí)施方案見圖8。采用的元器件介紹如下:

　　■ ST72F324微控制器∶內(nèi)部頻率為8MHz，32k字節(jié)HDFlash，1k字節(jié)RAM，10bit ADC。

　　■ L4979穩(wěn)壓器∶用于軟件失效時(shí)微控制器中數(shù)據(jù)的自動(dòng)恢復(fù)，器件中還嵌入了一個(gè)可編程看門狗定時(shí)器。

　　■ 用于PC串行端口的ST232通信接口。

　　■ VNH2SP30全橋馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，適合各種汽車電子應(yīng)用。

圖3 窗戶升降器原理圖

　　其中，穩(wěn)壓器啟用（Voltage Regulator Enable）連接器（圖4中的第5項(xiàng)）上安裝一個(gè)跳線，以便啟用穩(wěn)壓器，提供系統(tǒng)所需的5V電壓。

　　上升按鈕(Up key，圖4中的第8項(xiàng))和下降按鈕（Down key，圖4中的第7項(xiàng))管腳配置為輸入上拉模式，使其通常處于高電平(5V)；如果按下UP或DOWN按鈕，將顯示兩種不同情況:

　　■ Short Touch: 如果按下按鈕的時(shí)間少于100ms，窗戶玻璃將一直上升或下降（取決于按下的按鈕屬性），直到窗戶的上邊沿或下邊沿接觸到位為止。

　　■ Long Touch∶如果按鈕按下的時(shí)間超過100ms，窗戶將按照具體接觸狀況上升或下降，具體依賴于按鈕的屬性。

　　Window Up switch管腳(圖4中的第6項(xiàng))也配置為輸入上拉模式，且必須連接到一個(gè)用來指示窗戶運(yùn)行結(jié)束的機(jī)械開關(guān)，以便了 解是否接觸到了門窗的上方極限位置。