基于LIN總線的電動(dòng)車窗控制器設(shè)計(jì)

車窗控制系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，傳統(tǒng)的車窗控制采用的是線束控制，較為簡(jiǎn)單，并且線束和相關(guān)的設(shè)備都比較龐大。為了擺脫這種局面，汽車電子技術(shù)逐步向整車集成電子化、智能化方向發(fā)展，而總線式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)正是目前汽車網(wǎng)絡(luò)控制所采用的主要方式。
根據(jù)美國SAE（汽車工程師協(xié)會(huì)）劃分的汽車數(shù)據(jù)傳輸分類，汽車車窗控制系統(tǒng)屬于A類的面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸位速率通常只有1 b/s～10 kb/s。而在這種速率上采用LIN總線方式的網(wǎng)絡(luò)控制，正好可以滿足其要求，并且LIN總線能節(jié)省大量的線束、便于維護(hù)和實(shí)現(xiàn)汽車診斷功能。本文提出了一種將LIN總線運(yùn)用到車窗控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)方案，并給出系統(tǒng)硬件及軟件的實(shí)現(xiàn)方法。
1 車窗控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)4個(gè)車窗的升降功能及車窗防堵轉(zhuǎn)。駕駛員側(cè)車窗開關(guān)總成可以控制全車4個(gè)車窗的手動(dòng)升降和自動(dòng)升降，駕駛員側(cè)車窗安全鎖開關(guān)可以使能或禁止其他車窗的升降，其他3個(gè)車窗的分開關(guān)也可以控制各自車窗的升降。
車窗控制系統(tǒng)采用了LIN總線構(gòu)建的控制網(wǎng)絡(luò)，并按照LIN2.0協(xié)議規(guī)范來編寫控制程序。網(wǎng)絡(luò)框架如圖1所示。一個(gè)駕駛員側(cè)主節(jié)點(diǎn)通過LIN總線和4個(gè)車窗從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，通信速率為19 200 b/s，4個(gè)車窗從節(jié)點(diǎn)上帶有電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可以驅(qū)動(dòng)車窗電機(jī)的運(yùn)行。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
從LIN總線的通信方式來說，對(duì)硬件的要求并不高，它由基于UART接口的低成本硬件實(shí)現(xiàn)，幾乎所有的微控制器都具有LIN通信的條件，但對(duì)于芯片的選擇還需要考慮到性價(jià)比和穩(wěn)定性，這在實(shí)際的產(chǎn)品制造中相當(dāng)重要。
2.1 微控制器的選擇
主節(jié)點(diǎn)微控制器的功能主要是對(duì)按鍵進(jìn)行檢測(cè)，并按LIN2.0協(xié)議的幀格式發(fā)送相應(yīng)控制命令，同時(shí)還需具有休眠功能，在無操作時(shí)最大限度地節(jié)省汽車能源。在本次設(shè)計(jì)中選擇了Microchip公司的PIC16F系列微控制器PIC16F887，具有8 KB Flash、368 B SAM、256 B ROM、增強(qiáng)型USART 模塊（支持RS-485、RS-232和LIN 2.0，自動(dòng)波特率檢測(cè)，遇到起始位時(shí)自動(dòng)喚醒）、節(jié)能休眠模式。其抗干擾能力完全能在汽車復(fù)雜電磁環(huán)境中正常工作[1]。
從節(jié)點(diǎn)選用PIC16F883，其主要性能和PIC16F887相同，片內(nèi)容量和引腳數(shù)要少于PIC16F887，為28個(gè)引腳，不過能滿足從節(jié)點(diǎn)車窗控制的要求。
2.2 LIN通信接口及電源系統(tǒng)
LIN總線驅(qū)動(dòng)電路采用了Microchip公司的MCP2021，該器件遵循LIN1.3、LIN2.0和2.1總線規(guī)范，并符合SAE J2602規(guī)范。寬供電電壓，連續(xù)情況下可為6.0 V～18.0 V，擴(kuò)展的溫度范圍為-40 ℃~+125 ℃，可以與標(biāo)準(zhǔn)的UART器件接口。MCP2021內(nèi)部包含一個(gè)電壓調(diào)整電路，在溫度范圍內(nèi)，可輸出電壓為5.0 V，50 mA電源，誤差為±3%。穩(wěn)壓器采用LDO設(shè)計(jì)，具有短路保護(hù)功能，在輸出電壓降到3.5 V以下時(shí)將關(guān)閉輸出。MCP2021還具有熱關(guān)斷保護(hù)功能。經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器可在汽車環(huán)境下工作，在電池反向連接、+43 V瞬變負(fù)載突降和雙電池啟動(dòng)情況下不至毀壞[2]。
MCP2021在單片機(jī)和LIN半雙工總線之間提供了物理接口，它針對(duì)的是串行總線速度達(dá)20 kb/s的汽車及工業(yè)應(yīng)用。MCP2021在單片機(jī)和串行網(wǎng)絡(luò)總線之間提供了半雙工、雙向通信接口。將CMOS/TTL電平轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)IN邏輯電平。
LIN2.0規(guī)范要求系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器通過LIN引腳連接。以地為參考，從LIN總線到供電電池間的外部終端電阻最大為510Ω。510 Ω電阻對(duì)應(yīng) 1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和 16個(gè)從節(jié)點(diǎn)。
LIN接口及電源系統(tǒng)如圖2所示。二極管D2用于防止系統(tǒng)電源反接輸入對(duì)器件產(chǎn)生的破壞，二極管D3和電阻R31構(gòu)成上拉以滿足LIN2.0規(guī)范中對(duì)主節(jié)點(diǎn)的要求，從節(jié)點(diǎn)則不需要D3和R31構(gòu)成上拉。24 V瞬態(tài)抑制二極管TVS3和TVS4可對(duì)器件進(jìn)行保護(hù)，C3、C4為外部電源濾波電容，C6是負(fù)載電容。

2.3 從節(jié)點(diǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及A/D采樣電路
目前汽車上的車窗電機(jī)可以采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC來實(shí)現(xiàn)控制，但成本相對(duì)較高。因此，在從節(jié)點(diǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中采用兩個(gè)單刀雙擲繼電器組成一個(gè)閉合回路，以控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)開閉窗操作。具體電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。通過微控制器的RB2和RB3輸出控制信號(hào)，以導(dǎo)通三極管來推動(dòng)繼電器動(dòng)作實(shí)現(xiàn)開啟和閉合。二極管D3和D4用于保護(hù)繼電器不被電感釋放的反向電流沖擊，電阻R4為電流采樣電阻，用于車窗上升到頂或下降到底的情況下，電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)采樣電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流。微控制器通過A/D采樣值的變化量來判斷是否停止電機(jī)動(dòng)作。

圖4為從節(jié)點(diǎn)主控芯片的復(fù)位電路及A/D采樣電路，電阻R1和R2為分壓電阻，D1和D2為鉗制二極管，將輸入電壓范圍鉗制在-0.7 V～+5.7 V，以防止芯片端口電壓過高損壞。C6、D9和R15構(gòu)成復(fù)位保護(hù)電路，AD IN為A/D采樣輸入通道。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)采用C語言在MPLAB集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā)，軟件的調(diào)試和下載采用ICD3下載器實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)實(shí)際車窗設(shè)計(jì)的要求，其主要的功能需求如下：
(1)車窗升降控制功能，又分為點(diǎn)動(dòng)和自動(dòng)。
點(diǎn)動(dòng)：車窗升降按鍵按下時(shí)間(100 mst600 ms)。
自動(dòng)：車窗升降按鍵按下時(shí)間(t>600 ms)。
同時(shí)按下則無效，按鍵動(dòng)作間隔200 ms，若開關(guān)在電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)又發(fā)出手動(dòng)信號(hào)，則電機(jī)停止。
(2)門窗鎖止功能，駕駛員側(cè)門窗開關(guān)總成鎖止按鈕按下后，只有駕駛員側(cè)門窗開關(guān)總成可以控制車窗升降，從節(jié)點(diǎn)不能控制升降。
(3)按鍵無操作時(shí)，60 s后微控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)，通過按鍵中斷喚醒微控制器。
其主程序流程圖如圖5所示。其中按鍵防抖采用了軟件延時(shí)的設(shè)計(jì)思想，通過10 ms的延時(shí)時(shí)間去抖，防止誤操作[3]。

4 傳輸信號(hào)分析
在完成硬件及軟件的設(shè)計(jì)后，需要對(duì)模塊的傳輸信號(hào)延時(shí)及相關(guān)的協(xié)議幀是否滿足協(xié)議規(guī)范進(jìn)行分析測(cè)試。通過邏輯分析儀對(duì)LIN總線的信號(hào)傳輸進(jìn)行分析測(cè)試，如圖6所示。
從圖6可以看出，其發(fā)送的信號(hào)完全是按照LIN2.0協(xié)議規(guī)范來進(jìn)行的。其中幀頭部分包括了13位0的發(fā)送間隔，0X55同步字符，受保護(hù)標(biāo)識(shí)符0X14，幀響應(yīng)部分為數(shù)據(jù)字節(jié)和校驗(yàn)和，其響應(yīng)間隔時(shí)間滿足LIN2.0協(xié)議的規(guī)范要求[4]。

采用LIN總線設(shè)計(jì)了車窗控制系統(tǒng)，在車窗的升降控制方面表現(xiàn)出很好的性能優(yōu)勢(shì)，完全符合汽車在復(fù)雜環(huán)境中的正常使用，同時(shí)能節(jié)省大量的線束，便于維護(hù)和制造。總線式的汽車控制網(wǎng)絡(luò)是汽車電子工業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，在未來的汽車電子市場(chǎng)有很好的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
[1] PIC16F883/887 datasheet[A].Microchip Technology Inc.2006.
[2] MCP202X datasheet[A].Microchip Technology Inc.2009.
[3] 夏彬彬，任明全，屈金學(xué).PIC單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[4] LIN Specification package revision 2.0,Motorola.