基于嵌入式系统下汽车天窗智能控制的研究

成都信息工程大学通信工程学院 李 卓

引言

汽车天窗已经有百年历史，随着经济的发展，私家车成为了居民出行时的首选交通工具，作为提高车辆舒适性的设备，汽车天窗因此得到了普及。传统的汽车天窗需要依靠触点开关与继电器进行控制，无论是在安全性还是在舒适性方面，都与消费者的诉求相距甚远，单片机技术的出现，使得嵌入式系统成为了对汽车天窗进行智能控制的主要工具，针对嵌入式系统展开的研究，也越来越深入。本文便以此为基础，围绕着汽车天窗的智能控制展开了研究。

1 嵌入式系统的概述

1.1 设计原理

如果想要保证驾驶员在汽车行驶过程中的安全性，以及系统集成和管理的便捷性，控制天窗的按钮就应当被设置在驾驶员能够操控的范围内。在满足上述要求的基础上，还应尽量提高汽车天窗工作具有的可靠性，并对运行过程中进行异常以及正常的情况进行实时响应，而想要达到这一目标，还有以下几个问题需要解决：第一个，对天窗玻璃的状态进行判定，即天窗玻璃是关闭还是打开；第二个，对天窗玻璃的位置进行确定；第三个，对天窗电机的实时负载加以确定；第四个，一旦有异常情况出现，应在第一时间作出响应；第五个，防夹功能算法计算。第一个问题的解决方法如下：利用安检监测程序，对用户按键输入进行检测；第二个问题的解决方法如下：利用电机轴上霍尔传感器所对应的霍尔脉冲计数，对其进行计算；第三个问题的解决方法如下：利用采样天窗所对应电机的电枢电流对其进行间接计算；第四个问题的解决方法如下：利用微控制器对其加以保证；第五个问题的解决方法如下：利用电机参数具有的稳健性，以及负载转矩变化率的快速响应对其加以保证。

1.2 系统设计

适用于汽车天窗的智能控制系统，主要由以下四个部分构成，分别是微处理器，电源模块，电机与驱动模块，传感器和天窗开关。数字输入信号包括：雨滴传感器对外面是否有下雨的情况进行检测；驾驶员通过手动的方式对天窗开关进行控制；利用霍尔传感器对电机转速、天窗位置进行检测；利用空气质量传感器对车内的空气进行检测。在微处理器中输入这些信号，进行计算与判断，再经由微处理器将PWM信号向电机进行发送。当利用手动的方式打开天窗开关，或通过空气质量传感器发现车内空气的质量较差时，电机自动沿顺时针方向旋转，此时天窗打开；当利用手动的方式关闭天窗开关，或通过雨滴传感器发现外面下雨时，电机自动沿逆时针方向旋转，此时天窗关闭[1]。需要注意的是，当电机沿逆时针方向旋转，天窗关闭时，如果出现电机采用电流高于阈值的情况，代表有障碍物存在，此时，应将电机更改为顺时针的旋转顺序，以便天窗顺利打开。待天窗完全关闭或是完全打开后，在霍尔传感器的控制下，电机自动停转。

2 软件系统

作为嵌入式系统的子系统，软件系统主要由以下两个模块构成，分别是初始化以及自动控制，下面分别针对这两个模块展开叙述。

2.1 初始化模块

初始化模块所涉及数据，具体如下：输入端口为PTA0-7初始化，和空气质量传感器的输出相连接的为PA0，和雨滴传感器的输出相连接的为PA1；输入端口为PH0-3初始化，手动开启天窗的按钮为PH1，手动关闭天窗的按钮为PH3；PWM的信号输出为PTP0-7，其中，使用频率较高的为PP4、PP5两个，二者主要用于对电机转速，正反转和停止进行控制。除此之外，

2.2 自动控制模块

自动控制模块需要具备的功能主要包括：首先，若检测到车内空气较差，自动开启天窗，若检测到外面下雨，则自动关闭天窗；其次，天窗关闭时，对是否存在障碍物、是否有物品被夹住进行自动检测，若检测到有障碍物存在，则自动转换为开启天窗；最后，在对天窗进行开启和关闭时，对天窗开启以及关闭的状态进行实时检测，若检测结果为开启或关闭完全，电机旋转自动停止。

3 硬件系统

3.1 微控制器

本文所研究嵌入式系统应用的微控制器具有以下特征：第一点，工作频率的最高值为80MHz；第二点，所应用外部晶振为05～16HMz；第三点，所对应数据Flash为8KB，RAM为12KB，ROM为256KB；第四点，脉冲宽度调至为8通道8位；第五点，A/D采集模块拥有16个通道和12位精度；器六点，计数器拥有8个通道和16位精度[2]。除此之外，用户能够根据个人需求对中断模块所对应的优先中断等级进行设计，可设计优先中断等级的数量最多为7个。正是因为上述特征的存在，才使得该微控制器能够最大限度的满足人们在汽车天窗控制提出的要求。

3.2 传感器

本文所研究嵌入式系统所包含传感器的数量为三个，分别是雨滴传感器，空气质量传感器以及马达测速传感器，三者均有数字输出，且无需进行A/D转换便能够和单片机对应的数字端口进行连接。除此之外，该嵌入式系统还将永磁电机负载转矩的变化率，视为对障碍物进行检测和判断的主要指标。

3.3 电路板

本文所研究嵌入式系统，用来驱动天窗开闭的部件为永磁式的直流电机。选择该直流电机的原因，主要是它具有噪音小、体积小、结构简单和安全可靠的特点。通过对电机电枢绕组所对应电流的方向进行改变，就能够达到控制电机，使其正反转或停止的效果，汽车天窗开闭功能由此得以实现。在过去很长一段时间内，负责控制汽车电动天窗电流方向的部件均是触点开关和继电器，嵌入式系统则利用单片机对PWM信号进行输出，以此来达到对电机旋转速度或是正反转进行直接控制的目的，触电开关及继电器被精简。这样做不仅减少了需要应用到的电子元件的数量，节约的成本，还提高了对汽车天窗进行控制时具有的安全水平和自动响应相率，无论是从驾驶员还是从乘客的角度出发，乘坐舒适性自然会得到改善。该系统驱动板所应用IR2104S的数量为2片，也正是因为这2片IR2104S的存在，才组成了控制汽车天窗所必须的全桥，由于文中讨论的集成电路板兼具逻辑电平输出和输入两个功能，因此，将其和最小系统板进行连接的过程就变得十分简单。当然，此集成电路具有的特性还包括调整转换率，检测并诊断电流，欠压保护等。除此之外，为了避免掉电导致电路系统出现瘫痪的可能，还应当将隔离保护芯片设置在单片机系统和驱动芯片之间。

3.4 报警系统

报警系统这一功能需要在人体靠近传感器以及玻璃破碎传感器的辅助下才能够实现，具体来说，就是通过上文提到的传感器对相关数据进行采集，再经由主控芯片进行计算，一旦高于报警提示阈值，立即启动报警系统，完成报警。人体靠近传感器所遵循的原理如下：对人体的红外光谱进行探测，一旦有人进入到传感器的感应范围内，该传感器便会接通报警系统，若3秒后入侵者没有离开，或有后续的入侵动作，则对整车报警系统进行启动[3]。玻璃破碎传感器所遵循的原理如下：以振动传感器为依托，对由于破碎而产生的声响和振荡进行检测，一旦玻璃在破碎过程中发出了2KHz这一频率，便对整车报警系统进行启动，以此来达到提醒车主并对入侵者进行驱赶的目的。

3.4 天窗防夹系统

对电动天窗而言，防夹功能的实现往往需要借助霍尔传感器的力量。作为嵌入式系统对信号进行采集的主要部件，霍尔传感器内部往往装有施密特触发器，将单片机输入捕获端口和输出端口进行连接，便可以实现脉冲信号的高质量输出。除此之外，该系统所应用单片机对应的 I/O 端口，可与A3187EU接地端进行直接连接，这样做的好处是，如果直流电机没有处于工作状态，那么，就可以通过关断传感器的方式，达到降低电流消耗的效果。

4 结论

通过对本文所设计的适用于汽车天窗智能控制的嵌入式系统进行实际应用可以发现，该系统的各项功能均与设计要求相符。由于该系统舍弃了触点开关、继电器等传统部件，转而选择单片机作为实现对汽车天窗进行智能控制的主要工具，与传统系统相比较而言，该嵌入式系统具有反应灵敏，可操作性强以及响应速度较快等诸多优点，所具有的市场价值自然不言而喻。

[1]李全民.基于嵌入式系统的汽车天窗智能控制[J].现代计算机(专业版),2017(27):77-79.

[2]徐玉荣.嵌入式系统在汽车电动天窗硬件系统设计上的应用[J].山东工业技术,2015(08):167-168.

[3]张志敏,陶永琴.基于嵌入式系统的智能汽车天窗的设计[J].电子测试,2013(09):111-113.