基于重型卡车的分布式车门控制系统设计

毛甲琦，钟艳如，黄用华，孙永厚，覃松闯

（桂林电子科技大学，广西桂林541004）



基于重型卡车的分布式车门控制系统设计

毛甲琦，钟艳如，黄用华，孙永厚，覃松闯

（桂林电子科技大学，广西桂林541004）

摘要：针对重型卡车车门控制系统中对减少线束、降低成本和智能化控制的要求，提出了一种基于Freescale芯片的智能分布式车门控制系统解决方案。详细介绍了分布式控制系统在车门模块中的硬件电路设计，并给出了软件设计思想。经实验表明，该系统能够准确、可靠的实现预期控制效果，验证了该控制系统的可行性以及智能化。

关键词：分布式控制；车门控制系统；电机控制

汽车是现代化高速发展社会中人们普遍使用的交通工具，也是技术密集和资本密集的工业产品。现代的汽车电子技术不再是简单地对汽车中某些机械零部件进行电子控制，而是根据汽车实际使用条件多变的需要，对汽车性能进行优化综合控制[1]。目前因为控制系统的不稳定性造成了许多车辆损毁、人员伤亡事故，控制系统的自适应学习功能已经成为汽车行业发展的趋势。重型卡车与轿车在工作环境上有着极大的区别，重型卡车工作环境更为复杂，驾驶人员操作习惯更为复杂，各种因素影响着车门控制系统的正常运行。这决定了电子控制单元还应具备自学习自适应功能，根据不同工作环境卡车车门玻璃实际的运行情况，自动调整玻璃升降器的性能参数，从而达到适应各种类型的车门目的。本项目针对这两个方向进行研制与开发。

1　系统的整体结构设计

智能分布式车门网络系统采用CAN总线型网络拓扑结构，整个网络初步共有三个CAN节点，分别是中央控制器、左前门控制器、右前门控制器。图1为车门控制系统的总体结构。

图1　车门控制系统的总体结构

中央控制器可接收来自EMS和ECU的信号，在接收到外部信号后，能把这些信号经过CAN收发器通过总线传递给其它几个控制器。为了进一步提高系统的抗干扰能力，在控制器和收发器TJA1040之间增加了由高速隔离器件6N137构成的隔离电路[2]。

右前门控制器可以控制右前门的后视镜、门锁以及车窗的动作。左前门控制器除了控制左前门的后视镜、门锁、车窗的动作外，还有驾驶员集中控制的主控开关，可以对左右前门的后视镜、副驾驶员侧车门的车窗门锁进行控制，并且可以使其车门的操作开关不起作用。

在电机驱动过程中，把电流值适时地转换成电压信号反馈给控制器，可用来判断电机工作中的位置以及故障情况。电动车窗系统主要由车窗、电动机、电动玻璃升降器、ECU和开关等组成。通过对开

关信号的采集，经过门窗控制器的处理，通过驱动芯片的作用能改变电动机的电流方向来改变电动机的转向，从而实现车窗的升降。电动玻璃升降器在按动相应开关后可使相应的升降器自动上升或下降，自动上升还未到顶时有防夹反转；防夹手功能即在玻璃升到中途遇到障碍物时会反转下降至底部，以防止夹伤用户，而在玻璃运动到上止点时，又会关紧玻璃，停止电机运行。后视镜的背后装有三组电动机和驱动器，可以操纵其上下、左右运动或折叠操作。当在雾天或雨天行驶时，可能会造成驾驶员对侧后方的视线不清。采用加热除霜装置，驾驶员可方便开启加热除霜按钮进行除霜以保证驾驶的安全性。

2　硬件设计

汽车网络系统硬件设计的总体要求是系统要简洁、易实现、稳定可靠和具有较好的通用性，在可能的情况下尽量降低成本。

2.1系统基本构成

中央处理器：本系统中所选取的中央处理器为Freescale公司的MC9S12XS128芯片，该芯片可靠性高、抗干扰能力强，是适用于汽车的专用芯片，内含128kB闪存的16位微处理器，其内部集成了CAN的控制器[3]。该芯片中所嵌入的MSCAN模块设计符合CAN2.0A/B协议的标准，选用此控制器作为中央控制器，无论在硬件设计还是在软件编程上都比较简单方便，而且在可靠性和抗干扰方面都有一定的优势。CAN总线收发器选用的TJA1040是PHILIPS公司的CAN控制器和物理总线间的接口，提供对总线的差分发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。它与J1939标准完全兼容，有三种不同的工作方式，即高速、斜率控制和待机，可根据实际情况选择。

2.2硬件电路设计电路设计

主要分两部分：一是控制器的设计；二是每个车门单元对相应电机驱动部分的设计。中央处理器通过PTC0和PTC1这两个引角收发CAN信号。由于CAN总线的多主机工作方式，中央控制器以及每个车门单元的控制器电路设计基本相同。电机驱动部分MC33486驱动门锁和车窗电机，其原理图如图2所示。MOTO0+和MOTO0-分别接在电机的两端，通过控制电机的正转或反转就可以达到控制车窗升降的目的。选用的MC33486为H桥双高端开关驱动芯片，芯片具有连续10 A电流输出的能力，而且能够采集电机的电流，利用它反馈给单片机A/D采样模块得到电机的电流值，能够完成电机的控制和实现车窗堵转和防夹功能。输出具有对地短路、对电池短路、负载短路、过电压、欠电压、过热以及交叉导通等故障的保护功能。电路板如图3所示。

图2　车门车窗驱动电路原理图

图3　玻璃升降器控制电路板

使用L9949作为后视镜电机的功率驱动芯片，一个负载能力为6 A的全桥驱动后视镜折叠电机，三个负载能力为1.6 A的半桥使后视镜上下或左右转动。另有一个6 A的高端输出实现加热除霜功能[4]。其原理图如图4所示。

图4　后视镜驱动电路原理图

3　软件设计

本设计所需实现的功能是各节点发送接收数据，由CodeWarrior编写。软件主要由主程序、系统初试化子程序、中断服务子程序、A/D采样子程序和电机控制子程序等构成。主程序完成数据的处理和收发。软件主要由主程序、系统初试化子程序、中断服务子程序、A/D采样子程序、门锁控制子程序、电机控制子程序和后视镜控制子程序等构成。

左前门单元是所有控制单元中最复杂的单元，它不仅要接收多个按键和多个状态信息的输入，而且还要控制所有的门锁电机、车窗电机以及后视镜的动作。因为左前门控制器单元最具有代表性，把它作为研究的重点。

左前门控制器单元的软件主要由主程序、系统初试化子程序、中断服务子程序、A/D采样子程序、门锁控制子程序、电机控制子程序和后视镜控制子程序等构成。其中左前门控制器单元主程序流程图如图5所示。

图5　左前门控制器单元主程序流程图

初始化时，对电机堵转的最大电流和车窗防夹算法的最大积分值进行标定，实际上就是在系统第一次运行时，通过使电机自动往复运行几次（本系统软件设计过程中运行了5次），将几次运行过程中电流的最大值作为电机堵转电流，同时还需要将防夹积分值进行标定，然后将标定值写入EPROM.这样，在此后的运行过程中，只需将EPROM中的标定值与实际运行值比较，按照相应的算法即可实现电机的堵转与车窗防夹功能，从而实现系统自适应不同车门玻璃升降器的功能。

4　系统调试与实验

首先，控制左右车锁执行开启动作，这时，左右车门同时进入可开关状态。进入车内后，可以通过按下或提起左右车门的中央门锁开关控制车锁的锁定或开启。当任何一个车门处于打开状态时，中央门锁系统不可锁定任何一个车门。

当驾驶员侧车门控制器单元，进入运行状态后，后视镜进入可操作状态。当后视镜的选择开关处于选定左侧后视镜时，向前、后、左、右扳起后视镜旋转开关可以使左侧后视镜进行上（下、左、右）转动，松开开关，后视镜停止转动；向左（右）扳动后视镜折叠开关可以使左侧后视镜进行折叠转动，松开开关，后视镜停止折叠运动；当后视镜的选择开关处于选定右侧后视镜时，向前（后、左、右）扳起后视镜旋转开关可以使右侧后视镜进行上（下、左、右）转动，松开开关，后视镜停止转动；向左（右）扳动后视镜折叠开关可以使右侧后视镜进行折叠转动，松开开关，后视镜停止折叠运动；按动加热按钮，可对当前选定镜片进行加热除霜。

在运行状态下，拉起或按下对应侧车门的车窗控制开关超过1 s，玻璃升降器进入手动模式，车窗进行上升或下降至预期位置；松开开关，车窗停止动作；拉起或按驾驶员侧车门的车窗控制开关迅速（不超过一秒钟）松开，玻璃升降器进入自动模式，车窗将自动上升至车窗上限位或自动下降至车窗下限位；在车窗自动上升运行的过程中，如果人的手、头或其他物体阻挡了车窗，车窗将停止上升动作并自动下降至车窗下限位处停止。

图6为实验室调试系统场景，图7中的波形图是车窗电机在上升过程中的电流曲线，图8中的波形图是车窗电机在下降过程中的电流曲线，图9中的波形图是车窗上升过程中在有阻尼但未达到最大值情况下的电流曲线。

图6　实验室调试系统

图7　车窗电机上升过程电流曲线

图8　车窗点击下降过程电流曲线

图9　车窗电机有阻尼状态下上升过程电流曲线

经过不断的调试和测试，最终整个系统工作正常，性能良好，满足本次设计的功能要求。

参考文献：

[1]赵鹏舒，王旭东.基于CAN总线的车门控制系统设计[J].哈尔滨理工大学学报，2008，13（1）:77-80.

[2]沈会，徐青菁，叶子晟，等.基于CAN总线的电动车窗控制系统设计[J].电力电子技术，2011，45（12）:84-86.

[3]张薇，王旭.基于CAN总线监控模块设计与实现[J].装备制造技术，2015，（12）:41-44.

[4]张昱，鲁睿婷，唐厚君，等.基于CAN/LIN混合网络的车门控制系统[J].电气自动化，2013，35（3）:36-38.

中图分类号:TP336

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）04-0086-04

收稿日期：2016-01-11

作者简介：毛甲琦（1991-），男，安徽淮北人，在读硕士研究生，研究方向：汽车电子。

Design of Distributed Door Control System based on Heavy Truck

MAO Jia-qi，ZHONG Yan-ru，HUANG Yong-hua，SUN Yong-hou，QIN Song-chuang
（Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract:According to the requirement of reducing wiring harness，lower cost and intelligent control in the vehicle door control system，a new intelligent distributed door control system based on Freescale chip is proposed. This paper introduces the hardware circuit design of the distributed control system in the car door module，and gives the design idea of the software.The experimental results show that the system can achieve accurate and reliable expected control effect，and it verify the feasibility and intelligent of the control system.

Key words:distributed control；vehicle door control system；motor control