摘要 為達(dá)到電動車窗的安全性和快速響應(yīng)要求，采用信號檢測技術(shù)設(shè)計了基于LIN總線的電動車窗防夾系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過霍爾傳感器檢測車窗玻璃的實時位置，選擇直流電機的電流變化作為障礙檢測判斷的主要指標(biāo)，采用Freescale公司的MM912F634為車窗控制器，該平臺通過LIN總線連接實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地檢測障礙物，并能快速進行防夾控制，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、快速、抗干擾能力強且成本低，具有一定的市場推廣價值。
關(guān)鍵詞 LIN；電動車窗；防夾系統(tǒng)；MM912F634

    隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車的電子化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化提高了汽車的舒適性，但同時對于汽車的安全性提出了新要求。電動車窗通過電機來驅(qū)動車窗玻璃自動升降，許多電動車窗不具備檢測障礙物自行防夾，對乘客存在了一定的安全隱患，特別是年齡較小的兒童乘客。美國交通部頒布了FMVSS118，并嚴(yán)格規(guī)定轎車和小型貨車強制執(zhí)行該法規(guī)。雖然國內(nèi)還沒有相關(guān)法律的規(guī)定，但在不影響舒適性的前提下，設(shè)計一款防夾系統(tǒng)是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢。
    LIN(Local Interconnect Network)總線全稱為區(qū)域互連網(wǎng)絡(luò)，是一種結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線。文中設(shè)計了一種基于LIN總線電動車窗防夾系統(tǒng)，通過LIN總線可將車窗狀態(tài)、控制參數(shù)傳輸至主控終端進行顯示，并組建車窗防夾網(wǎng)絡(luò)，可以拓展到車身的其他部分。車窗玻璃的實時位置通過霍爾傳感進行檢測，根據(jù)驅(qū)動電機的電樞電流變化進行障礙物判斷，將其結(jié)合以實現(xiàn)防夾功能。選取Freescale公司的MM912F634為車窗控制器，電機驅(qū)動采用繼電器。該方案生產(chǎn)工藝簡單、兼容性好、成本低、抗外界干擾能力強，解決了安全隱患，提高了汽車的安全性能。

1 電動車窗防夾系統(tǒng)方案
    電動車窗防夾主要是指在玻璃上升過程中，夾到障礙物達(dá)到一定程度后，車窗會自行停止。防夾區(qū)域、防夾閾值力、防夾執(zhí)行動作，是實現(xiàn)防夾功能的3個重要指標(biāo)。根據(jù)FMVSS118標(biāo)準(zhǔn)可知：(1)防夾區(qū)域定義為從離門窗頂端4～200 mm的區(qū)域。(2)防夾閾值力為100 N。(3)當(dāng)遇到障礙物時，車窗電機反向，車窗玻璃下降一段距離后停止，等待用戶的進一步指令。防夾功能只在指定的防夾區(qū)域開啟，準(zhǔn)確檢測車窗玻璃的實時位置是首要任務(wù)。
1．1 車窗玻璃位置檢測
    車窗升降方式一般分為鋼絲式和機械手臂式，論文著重針對于手臂式進行研究。車窗的上升、下降主要通過車窗電機及機械手臂實現(xiàn)，機械手臂采用交叉式，隨著電機的轉(zhuǎn)動，兩個交叉手臂的交叉角度會發(fā)生變化，進而使車窗的驅(qū)動力臂變化，最終車窗玻璃將隨著電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)升降。在車窗玻璃升降過程中，升降距離跟電機的轉(zhuǎn)數(shù)成比例，電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，會使霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號，MM912F634將霍爾脈沖信號進行計數(shù)，通過多次實際測量獲取參考基準(zhǔn)值，根據(jù)參考值可計算出當(dāng)前車窗玻璃的位置，同時將參考基準(zhǔn)值通過LIN總線傳到主控單元中進行保存，車窗控制器可根據(jù)車窗玻璃當(dāng)前所處的區(qū)域判斷是否啟動防夾功能。由于車窗結(jié)構(gòu)存在磨損，主控單元可自行對每一個車窗進行校正。
1．2 電流檢測
    車窗電機電流檢測是檢測防夾閾值力的一個主要手段，電機電樞電流會根據(jù)負(fù)載變化而產(chǎn)生改變，電流檢測部分的關(guān)鍵是電流閾值的判斷，電流閾值的準(zhǔn)確性決定防夾系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電流的檢測往往容易受到電機啟動、車窗機械結(jié)構(gòu)等因素的干擾，檢測電流時需要對信號進行放大、濾波等處理，保證電流檢測的準(zhǔn)確性。信號采集過程需要通過多次測試，以選取合適的濾波方法。
1．3 系統(tǒng)方案的確定
    車窗防夾系統(tǒng)主要包括4個子單元和一個主控單元，主控單元由控制器(MC9S12DG128)和液晶控制屏(Z2104)組成。每個子單元包含控制器(MM912F634)、位置檢測模塊、電流檢測模塊和電機驅(qū)動模塊，通過LIN總線連接到主控單元上，形成車載LIN網(wǎng)絡(luò)，駕駛員可以通過液晶控制屏對每個車窗進行控制。每個車窗的構(gòu)成基本相同，車窗位置、閾值力均參考FMVSS118標(biāo)準(zhǔn)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 防夾系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 控制器
    設(shè)計選取兩種微處理器分別作為主控制器和子控制器，型號分別為MC9S12DG128、MM912F634，這兩款均為Freesclae公司高性能汽車電子芯片，特別是MM912F634，內(nèi)置集成穩(wěn)壓器、電流放大器、LIN物理接口、大電流高低端驅(qū)動、溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能模塊，外圍元件較少，有利于降低成本，節(jié)省硬件體積，適用于車載電子設(shè)備，資源配置如圖2所示。液晶模塊是駕駛員與系統(tǒng)相互連接的媒介，型號為Z2104，該屏幕為電阻屏，內(nèi)置VGA控制板，與控制器通過串口進行通信，工作電壓為12 V。主控制器可以直接通過串口讀取液晶屏觸摸信號對液晶屏幕的畫面進行控制，將液晶屏幕的觸摸信號轉(zhuǎn)換成LIN總線指令，對子單元進行控制，同時，也能將車窗的狀態(tài)反饋給駕駛員。

2．2 車窗玻璃位置檢測硬件設(shè)計
    霍爾傳感器是電動車窗系統(tǒng)的主要信號采集元件。英飛凌公司的TLE4923霍爾傳感器，輸出的脈沖信號無需額外復(fù)雜的整形電路，輸出端(OUT)經(jīng)過無源低通濾波器，直接連到MM912F634的PTB0，PTB0為定時器的一個捕捉通道，可直接對霍爾傳感器的脈沖信號進行計數(shù)，霍爾脈沖采集原理如圖3所示。

2．3 電流檢測及電機驅(qū)動硬件設(shè)計
    電機是實現(xiàn)電動車窗升降的執(zhí)行器，每個車窗均配有一個直流電機，通過機械傳動實現(xiàn)車窗自行升降，電機驅(qū)動可采用兩種方式：一種采用MOSFET搭制的H橋電路，成本較高但性能穩(wěn)定；另一種采用繼電器控制，成本較低且控制簡單。設(shè)計出于成本的考慮，選用繼電器控制方式，型號為松下公司的ACT212，MM912F634集成了高低端驅(qū)動器，可直接對ACT212進行控制，無需外搭繼電器驅(qū)動電路，具體原理結(jié)構(gòu)圖如圖4上部分所示。

    相關(guān)實驗表明，車窗玻璃在上升過程中，遇到障礙物的瞬間，電機軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩會突然增大。因此，電機軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率對障礙物較靈敏。然而，在實際應(yīng)用中，電機軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩卻不易測量。根據(jù)直流電機的特性，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化會引起電樞電流的變化，電樞電流的變化能夠間接地反應(yīng)車窗的運行狀態(tài)，檢測電樞電流進而確定電動車窗的閾值力。論文采用直接測量方式，將一段康銅絲串入電機回路，康銅絲具有較低的電阻溫度系數(shù)，較寬的使用溫度范圍，加工方便，具有良好的焊接性能，可根據(jù)實際調(diào)試情況進行調(diào)整阻值大小，一般范圍為0～15 mΩ。電流檢測基本原理如圖4所示。
    根據(jù)電路理論可得
   
    電機電樞電流經(jīng)過康銅絲轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過濾波、放大直接接入。MM912F634的A／D通道，MM912F634的A／D轉(zhuǎn)換精度為10位，由式(1)可得A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果uAD(t)
   
    由式(2)可知，直流電機的電樞電流與A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果uAD(t)之間是線性關(guān)系，因此，電機軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩與A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間也是線性關(guān)系，選擇A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的變化率作為障礙物檢測的判斷指標(biāo)是合理的。MM912F634對A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行處理，確定當(dāng)前的車窗運行狀態(tài)，進行車窗的智能防夾，同時與主控單元進行總線通信，隨時發(fā)送子系統(tǒng)狀態(tài)。

3 防夾系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    電動車窗防夾系統(tǒng)主要包括主控和子單元兩部分，為增強主控的拓展性，主控系統(tǒng)軟件設(shè)計基于嵌入式實時操作系統(tǒng)，將μC-OSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)移植到MC9S12DG128中，每個車窗防夾為系統(tǒng)的一個任務(wù)，同時車身的其他控制也可以以任務(wù)的形式添加到主控系統(tǒng)之中。每個子系統(tǒng)采用中斷的方式進行檢測、控制，提高了系統(tǒng)的實時響應(yīng)性。
    由于MM91217634沒有集成E2PROM，車窗的閾值電流Ion、車窗位置計數(shù)值count，均需要通過LIN總線發(fā)送到主控單元中進行保存，在上電啟動時，需要通過LIN總線去讀取車窗位置、主控的觸摸輸入，控制ACT212實現(xiàn)車窗的升降，在運行過程中實時對電樞電流進行采集，與閾值電流進行比較，同時要確定車窗的位置是否在防夾區(qū)域內(nèi)，由于電機啟動時，電樞的瞬時電流可能會高于閾值電流，在啟動檢測電流時，需要一定的時間延時。若車窗的電流>Ion，車窗又在防夾區(qū)域內(nèi)，則控制繼電器實施防夾。在車窗升降的過程中，MM912F634需要對霍爾脈沖信號進行計數(shù)，實時測量車窗位置，在防夾過程結(jié)束后，子控制器需要將當(dāng)前的車窗狀態(tài)參數(shù)通過LIN總線反饋給主控器并進行顯示，子系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。

4 實驗測試
    完成整個系統(tǒng)設(shè)計后，首先進行系統(tǒng)校正，測試出系統(tǒng)的各項參數(shù)，然后進行整體的防夾功能檢測。圖6所示為車窗在上升過程中，由電樞電流轉(zhuǎn)變的電壓變化曲線，在啟動時，電樞電流會有個瞬時增高，經(jīng)過一段時間平穩(wěn)后，車窗遇到了障礙物，電樞電流已超過閾值電流，并持續(xù)了一段時間，當(dāng)車窗進入到防夾區(qū)域時，系統(tǒng)啟動防夾功能將車窗關(guān)閉，此時電流為零。經(jīng)過反復(fù)測試，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)防夾功能。

5 結(jié)束語
    闡述了電動車窗防夾系統(tǒng)的設(shè)計，通過霍爾傳感器、電流檢測，實現(xiàn)了電動車窗智能防夾功能，并將其接入LIN網(wǎng)絡(luò)，通過主控液晶進行監(jiān)測控制，提高了系統(tǒng)的集成度、降低了成本、方便駕駛員控制。通過安全實驗證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并且能準(zhǔn)確地實現(xiàn)防夾功能。