基于LIN總線的電動車窗控制器設計

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，較為簡單，并且線束和相關的設備都比較龐大。為了擺脫這種局面，汽車電子技術逐步向整車集成電子化、智能化方向發(fā)展，而總線式網(wǎng)絡控制技術正是目前汽車網(wǎng)絡控制所采用的主要方式。
根據(jù)美國SAE（汽車工程師協(xié)會）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。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、便于維護和實現(xiàn)汽車診斷功能。本文提出了一種將LIN總線運用到車窗控制系統(tǒng)中的設計方案，并給出系統(tǒng)硬件及軟件的實現(xiàn)方法。
1 車窗控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構設計
本設計主要實現(xiàn)4個車窗的升降功能及車窗防堵轉。駕駛員側車窗開關總成可以控制全車4個車窗的手動升降和自動升降，駕駛員側車窗安全鎖開關可以使能或禁止其他車窗的升降，其他3個車窗的分開關也可以控制各自車窗的升降。
車窗控制系統(tǒng)采用了LIN總線構建的控制網(wǎng)絡，并按照LIN2.0協(xié)議規(guī)范來編寫控制程序。網(wǎng)絡框架如圖1所示。一個駕駛員側主節(jié)點通過LIN總線和4個車窗從節(jié)點進行通信，通信速率為19 200 b/s，4個車窗從節(jié)點上帶有電機驅動電路，可以驅動車窗電機的運行。

2 硬件系統(tǒng)設計
從LIN總線的通信方式來說，對硬件的要求并不高，它由基于UART接口的低成本硬件實現(xiàn)，幾乎所有的微控制器都具有LIN通信的條件，但對于芯片的選擇還需要考慮到性價比和穩(wěn)定性，這在實際的產品制造中相當重要。
2.1 微控制器的選擇
主節(jié)點微控制器的功能主要是對按鍵進行檢測，并按LIN2.0協(xié)議的幀格式發(fā)送相應控制命令，同時還需具有休眠功能，在無操作時最大限度地節(jié)省汽車能源。在本次設計中選擇了Microchip公司的PIC16F系列微控制器PIC16F887，具有8 KB Flash、368 B SAM、256 B ROM、增強型USART 模塊（支持RS-485、RS-232和LIN 2.0，自動波特率檢測，遇到起始位時自動喚醒）、節(jié)能休眠模式。其抗干擾能力完全能在汽車復雜電磁環(huán)境中正常工作[1]。
從節(jié)點選用PIC16F883，其主要性能和PIC16F887相同，片內容量和引腳數(shù)要少于PIC16F887，為28個引腳，不過能滿足從節(jié)點車窗控制的要求。
2.2 LIN通信接口及電源系統(tǒng)
LIN總線驅動電路采用了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，擴展的溫度范圍為-40 ℃~+125 ℃，可以與標準的UART器件接口。MCP2021內部包含一個電壓調整電路，在溫度范圍內，可輸出電壓為5.0 V，50 mA電源，誤差為±3%。穩(wěn)壓器采用LDO設計，具有短路保護功能，在輸出電壓降到3.5 V以下時將關閉輸出。MCP2021還具有熱關斷保護功能。經(jīng)過特別設計的穩(wěn)壓器可在汽車環(huán)境下工作，在電池反向連接、+43 V瞬變負載突降和雙電池啟動情況下不至毀壞[2]。
MCP2021在單片機和LIN半雙工總線之間提供了物理接口，它針對的是串行總線速度達20 kb/s的汽車及工業(yè)應用。MCP2021在單片機和串行網(wǎng)絡總線之間提供了半雙工、雙向通信接口。將CMOS/TTL電平轉換為LIN邏輯電平。
LIN2.0規(guī)范要求系統(tǒng)中所有節(jié)點的收發(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電阻對應 1個主節(jié)點和 16個從節(jié)點。
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)電源反接輸入對器件產生的破壞，二極管D3和電阻R31構成上拉以滿足LIN2.0規(guī)范中對主節(jié)點的要求，從節(jié)點則不需要D3和R31構成上拉。24 V瞬態(tài)抑制二極管TVS3和TVS4可對器件進行保護，C3、C4為外部電源濾波電容，C6是負載電容。

2.3 從節(jié)點電機驅動及A/D采樣電路
目前汽車上的車窗電機可以采用電機驅動IC來實現(xiàn)控制，但成本相對較高。因此，在從節(jié)點電機驅動中采用兩個單刀雙擲繼電器組成一個閉合回路，以控制直流電機的正反轉從而實現(xiàn)開閉窗操作。具體電機驅動電路如圖3所示。通過微控制器的RB2和RB3輸出控制信號，以導通三極管來推動繼電器動作實現(xiàn)開啟和閉合。二極管D3和D4用于保護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，電機發(fā)生堵轉時采樣電機的堵轉電流。微控制器通過A/D采樣值的變化量來判斷是否停止電機動作。

圖4為從節(jié)點主控芯片的復位電路及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構成復位保護電路，AD IN為A/D采樣輸入通道。

3 系統(tǒng)軟件設計
軟件設計采用C語言在MPLAB集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā)，軟件的調試和下載采用ICD3下載器實現(xiàn)。
根據(jù)實際車窗設計的要求，其主要的功能需求如下：
(1)車窗升降控制功能，又分為點動和自動。
點動：車窗升降按鍵按下時間(100 mst600 ms)。
自動：車窗升降按鍵按下時間(t>600 ms)。
同時按下則無效，按鍵動作間隔200 ms，若開關在電機自動運行時又發(fā)出手動信號，則電機停止。
(2)門窗鎖止功能，駕駛員側門窗開關總成鎖止按鈕按下后，只有駕駛員側門窗開關總成可以控制車窗升降，從節(jié)點不能控制升降。
(3)按鍵無操作時，60 s后微控制器進入休眠狀態(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的設計思想，通過10 ms的延時時間去抖，防止誤操作[3]。

4 傳輸信號分析
在完成硬件及軟件的設計后，需要對模塊的傳輸信號延時及相關的協(xié)議幀是否滿足協(xié)議規(guī)范進行分析測試。通過邏輯分析儀對LIN總線的信號傳輸進行分析測試，如圖6所示。
從圖6可以看出，其發(fā)送的信號完全是按照LIN2.0協(xié)議規(guī)范來進行的。其中幀頭部分包括了13位0的發(fā)送間隔，0X55同步字符，受保護標識符0X14，幀響應部分為數(shù)據(jù)字節(jié)和校驗和，其響應間隔時間滿足LIN2.0協(xié)議的規(guī)范要求[4]。

采用LIN總線設計了車窗控制系統(tǒng)，在車窗的升降控制方面表現(xiàn)出很好的性能優(yōu)勢，完全符合汽車在復雜環(huán)境中的正常使用，同時能節(jié)省大量的線束，便于維護和制造?？偩€式的汽車控制網(wǎng)絡是汽車電子工業(yè)的一個發(fā)展趨勢，在未來的汽車電子市場有很好的發(fā)展前景。
參考文獻
[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.PIC單片機常用模塊與綜合系統(tǒng)設計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[4] LIN Specification package revision 2.0,Motorola.