基于CAN总线的智能电动车窗系统设计

汤锴杰，李 伟，栗 灿

（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074）

传统的电动车窗作为车身的一个独立系统，采用点对点的控制方式，与其他电气设备缺少信息交流，不利于实现自动化，而且连线繁杂臃肿，安全系数低，维修难度大。针对上述问题，本文提出一种智能电动车窗系统设计，使用嵌入式技术和CAN总线技术，使车窗系统成为车身控制网络的一个智能节点，具有较高的灵活性和安全性。嵌入式技术能提高集成和智能程度；CAN总线技术能简化布线和减少干扰，并实现自动控制的数字化、网络化和信息资源的最大共享。

作为汽车领域最具潜力的现场总线之一，CAN总线技术应用于电动车窗在国外一些高档车型也得到实现，如奔驰W220、宝马745IL、奥迪A6和大众的速腾，丰田凯美瑞也在中控门锁和电动车窗中采用CAN总线技术。而国内相关应用还不够成熟，应用的高档车中也大部分是由合资外方提供技术支持，因此研究具有实际意义。CAN总线常用的控制器有两类：一类独立于处理器，如英特尔公司的82526，Philips公司的SJA1000等；另一类集成于处理器内，成为一个CAN模块［1］。本文以集成CAN模块的单片机P8xC591为核心设计出一款智能电动车窗系统，通过试验测试，能实现常规操作、防夹防堵和其他附加功能，具有线路结构简单、实时可靠性高等优点。在防夹方面没有采用国内外在电机安装霍尔传感器［2］或车窗边缘安装压力传感器的普遍做法，而是提出一种无传感器基于电流特性的判别法，通过对电机电流多角度分析减少误判率。

1 智能车窗系统功能和方案

1.1 系统实现的功能

图1展示传统点对点方式布线和采用CAN总线后的布线对比情况［3］。可以看出采用CAN后线束减少一半以上，只要两个接口，凸显CAN总线技术给汽车组网带来的便利。下面是该系统具有的功能。

1）手动升降功能 正常状态下电机不工作；当抬起开关接触up端变为低电平时车窗上升；当按下开关接触down端变为低电平时车窗下降。

2）防夹功能 车窗在上升过程中若遇到异物阻挡就自动停止上升，电机立即反转一段安全距离（设置为120mm），避免夹伤事故。防夹控制算法的实现下文将做详细分析。

3）电机保护功能［4］设置堵转和高温的电机双重保护。电机堵转超过300ms停止工作；温度超过160℃不再接受控制命令，温度超过180℃停止工作，温度回落至正常范围内立即恢复相应功能。

4）智能升窗功能 为消除车主和乘客离开后忘记升窗的安全隐患，系统加入智能升窗功能。智能升窗管脚收到来自点火开关熄火信号、中控门锁信号或远程遥控信号时自动提升所有车窗直至完全闭合。

1.2 总体方案的确定

博世公司为汽车网络开发的CAN总线支持分布式控制并形成国际标准。SAE汽车委员会用A、B、C这3种类型划分车载CAN网络［5］。电动车窗系统采用A类CAN总线，是小于10kb／s的低速网，还用于门控、后备厢等处。

从图2的布置结构看出系统由4个节点和CAN网络组成。以驾驶室为主节点，副驾驶室、左乘客侧、右乘客侧为从节点，节点间通过CAN总线信息共享。

主节点的开关组具有本地／全局模式，包括控制开关 （K1／K2／K3／K4） 和模式切换开关 （K0），既能控制驾驶室车窗，又能通过CAN总线间接控制其余车窗；从节点开关只有本地模式。本地模式：节点独立控制各自车窗；全局模式：从节点开关不起作用，由驾驶室控制4个车窗。初始化后默认为本地模式，乘客可根据需要调整自己侧车窗。

2 硬件电路设计

2.1 处理器接口电路

主节点由Philips公司的P8xC591处理器、半桥式电机驱动芯片BTS7960、光电耦合器6N137和收发器PCA82C250等组成。为统一接口和方便编程，从节点在芯片和结构上也与主节点保持一致。以主节点为例说明节点接口电路设计，处理器P8xC591与CAN接口电路如图3所示。

P8xC591内部集成CAN模块，无需控制器，一定程度上简化了电路。派生于MCS-51微处理器系列的P8xC591拥有强大的80C51指令集，内部集成SJA1000的PeliCAN功能，是一款能满足设计要求的高性能微处理器［6］。 PCA82C250是Philips公司的一款总线收发器，能够提供总线传输所需要的差分信号，与总线标准兼容。PCA82C250与CAN之间加入电阻、电容等能起抗干扰和安全作用的器件，其中5Ω限流电阻保护收发器免受过流冲击，30 pF电容防电磁辐射又滤干扰，2个稳压管通过放电保护收发器免遭高压击穿。通用仪器公司的高速光电耦6N137可实现电气隔离，增强抗干扰，但其VCC和VDD端必须完全隔离，否则就没有效果。

2.2 电机驱动芯片应用电路

电机是系统的执行终端，其驱动电路的设计也是一个重点。查阅资料，发现目前电机驱动电路主要有3种［7］： ①4个CMOS管搭建的H桥驱动电路； ②MC33886全桥驱动电路，文献［8］设计的电动车窗采用这种电路，但必须多片并联才能改善发热量大的缺点；③2片BTS7960半桥驱动芯片组成的全桥驱动电路。

经过比较验证，在发热量上，多片MC33886容易因发热不均而影响寿命，BTS7960内阻相对较小则不会如此；在驱动能力上，4片CMOS管搭建的H桥驱动电路比不上2片BTS7960组成的全桥驱动电路。综上，选择Infineon公司的BTS7960半桥驱动芯片构建电机驱动电路，其电路原理如图4所示。

BTS7960内部由3个模块组成：顶部芯片组、低压端和高压端基部芯片，高、低压端基部芯片分别由一个P沟道MOSFET和一个N沟道MOSFET构成［9］。MOSFET的开关转换频率即使达25kHz，芯片仍能灵敏稳定且功率损耗低。BTS7960还具有过流、短路、过压、欠压保护功能，输出电阻小，抗干扰能力强，适合电动车窗低压大电流的PWM电机驱动。

图4中INH脚为使能端，高电平有效。当INH和IN同为高电平时，高端MOSFET导通、低端MOSFET截止，OUT输出高电平；当INH为高但IN为低电平时，高端MOSFET截止、低端MOSFET导通，OUT输出低电平；当INH为低电平时，OUT不输出电平。通过2个BTS7960的INH和IN端高低电平匹配，就能实现电机正转、反转和停转3种状态的切换。状态切换易造成电源波动，采用总线驱动器74LS244隔离驱动电路和处理器。BTS7960的状态标志IS引脚还可以采样电机电流，为监测电机状态和利用电流特性实现防夹功能提供条件。

3 系统软件设计

3.1 主控程序

主控程序控制主节点，去掉模式判断部分即可用于从节点。先对CPU和CAN模块初始化，设置I／O口、中断及全局变量，将堵转判断电流阈值写入ROM。初始化后读取按键信息，判断所处模式：本地模式只需判断K1动作；全局模式要依次判断4个按键动作。在电机的升降过程中还要判断是否堵转并实现防夹控制，主控程序流程如图5所示。

3.2 CAN通信程序

3.2.1 CAN模块初始化

初始化是CAN通信的基础，P8xC591复位后在配置模式下对CAN接口的中断、工作方式、输入输出引脚、状态寄存器、波特率参数、I／O寄存器以及滤波寄存器等进行设置，保证CAN总线基本通信条件。同时清空缓冲区，为发送／接收做准备。

3.2.2 节点报文发送

发送的数据信息以帧的形式出现，在上次发送完成后开始，否则等待。报文分为数据帧和远程帧，其中远程帧没有数据场，发送前须判断帧类型再进行相应操作。主控器把数据按规定格式组成一帧报文，写入CAN发送缓冲区并置位 “发送请求”标志，启动发送。

3.2.3 节点报文接收

报文接收在处理数据时涉及对错误报警、总线关闭和接收溢出等其他情况处理，比发送程序复杂一些［1］。接收主要有查询和中断两种方式，系统采用高效并行的中断方式。在排除非正常中断干扰后对中断信号进行响应，先读取帧格式判断是否为数据帧，正确时读取缓冲区数据，否则置错误字。接收完报文后释放缓冲区等待下次中断的产生。

4 防夹控制算法实现

防夹控制可以避免意外夹伤事故，同时也保护电机。在防夹区间和防夹力方面，欧洲和美国都有相应标准，根据美标FMVSS118和欧标74／60EEC规定，常见的防夹区域出现在上密封条下沿4～200mm区间［10］。在室温22℃和14.5 V的工作电压条件下，用10 N／mm的测量仪测量的上升防夹力应小于100N［4］。试验表明，电机的转矩和电流成正比，BTS7960电流采样引脚IS采集的电流能真实反映电机受力情况，可作为判断车窗是否遇堵的重要依据［8］。系统利用这一特性选择基于电流的防夹控制算法。

从图6波形对比图看出，无论是上升中受阻时还是升至顶部时，电机电流都有明显提升，由此可设定电流阈值I受阻， 当I实际≥I受阻（I正常＜I受阻＜I堵转） 时认为上升受阻或已升至顶，I受阻的大小将决定防夹力大小。再对比图6a和图6b，可发现两种情况电流提升的斜率存在差异，由此可设定斜率阈值 f受阻予以区分。当f≥f受阻时为上升中受阻；当0＜f＜f受阻时为已经升至顶部。车窗升降速度是固定的，如果还没到顶就发生电流跃变，时间上也会有体现，因此设定到顶时间阈值T到顶，当T＜T到顶，说明上升中遇阻，反之说明已升至顶。不同车型的T到顶没有统一值，通过试验初步确定，在运行中参照写入ROM中的实际到顶时间不断调整，实现自适应性。

综上， 当I实际≥I受阻&f≥ f受阻&T＜T到顶时， 上升中受阻； 当I实际≥I受阻&0＜f＜f受阻&T≥T到顶时， 升至顶部正常停止。采用3组判据，可以确保防夹判断的准确率，提高车窗安全系数。

5 结束语

基于CAN总线的智能电动车窗系统符合车窗智能化和车身网络化两个发展趋势。该系统以4窗车型为例进行结构布置，CAN总线的引入使其具有较强扩展性，只要增减节点就能适用大部分车型，充分利用CAN布置灵活、可靠性高和共享数据资源等特点。该系统与传统控制方式相比具有线束较少、结构简单和维护方便等优点，具备电动车窗基本功能和电机保护功能，同时采用基于电流的防夹控制算法，提高安全智能性。经过软硬件设计和模拟试验，系统工作可靠、功能实现良好、性能稳定，初步具备实车装配条件。

［1］王黎明，夏立，邵英．CAN现场总线系统的设计与应用［M］．北京：电子工业出版社，2008．

［2］马伟泽，张申科，江宏杰．采用霍尔传感器的汽车电动车窗防夹设计［J］．汽车工程， 2008， 30 （12）： 1122－1124.

［3］陈娟．基于CAN总线的汽车电动车窗控制系统研究与设计［D］．南京：南京农业大学，2007．

［4］李鲁．汽车电动车窗控制电路设计［J］．汽车电器，2006（7）： 11－15．

［5］刘晓文.微型车CAN总线技术的应用［J］．大众科技，2012，14 （159）： 98－100.

［6］李文言，姜竹胜，孙启启．利用P8xC591进行汽车CAN总线系统智能节点的设计［J］．汽车科技，2007（2）：20－22．

［7］李慧，李秀歌，娄利峰．飞思卡尔智能车设计方法探讨［J］．长春工程学院学报 （自然科学版），2012，13 （1）：50－52．

［8］散晓燕．基于CAN总线的电动车窗控制研究［J］．制造业自动化， 2010， 32 （6）： 129－132．

［9］ Infineon Technologies．BTS7960 High Current PN Half Bridge［CP／DK］．Infineon Technologies， 2004 （11）．

［10］付朝辉．电动防夹车窗技术探讨［J］．汽车电器，2012 （7）：15－18．