基于LIN通信的电动车窗控制系统设计与开发

牛继高， 王振京， 李晨旭， 李　根

(中原工学院, 郑州 450007)



基于LIN通信的电动车窗控制系统设计与开发

牛继高， 王振京， 李晨旭， 李根

(中原工学院, 郑州 450007)

摘要：针对某型乘用车的四门电动车窗，以Freescale的MC9S08SG16和SG08微控芯片分别作为主门和副门节点，基于LIN通信网络和车门识别技术设计开发了该电动车窗控制系统的硬件电路和软件算法。结果表明，驾驶员节点和副门节点控制效果良好，性能稳定可靠，具有较强的实用价值。

关键词：LIN总线；四门电动车窗；车门识别；堵转保护

随着汽车工业与电子工业的快速进步，人们对汽车舒适性、安全性和娱乐性的需求不断增加[1-2]，从而引发了整车装备电子设备研究的热潮。随着汽车内部电子控制单元的增多，各个电子控制单元之间的通信问题逐渐凸显出来。传统的汽车内部采用点对点的单一通信方式，电子控制单元及负载设备之间通过导线连接起来。但是，当电子元件增多后，汽车内部负责通信用的导线数即呈级数级上升，不仅限制了车内可用空间，增加了布线难度，最重要的是线束节点过多会降低系统的可靠性和稳定性，给用户的后期使用和维护带来更多麻烦。在这种情况下，汽车网络、总线技术应运而生，并以较快速度得到大量的应用[3]。

LIN(Local Interconnect Network，即本地内联网)通信是基于 SCI数据格式的， 采用单主多从结构， 仅使用一根12 V 信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线[4-5]。LIN总线具有低速、单线、低成本等优点，可作为汽车多重传输网络的补充，为汽车网络(例如CAN总线)提供辅助功能。目前汽车车窗控制系统大多采用LIN总线网络，可节省成本和网络资源。随着LIN总线网络在汽车行业的普及应用，电子控制器件将采用模块的形式，方便插入到LIN总线网络中。在汽车车身控制领域，LIN总线与CAN总线技术相辅相成，构成车身控制网络的主流技术[6]。

本文设计了一个基于LIN通信的汽车电动车窗控制系统，为相关研究提供一定的参考。

1电动车窗控制系统的组成和工作原理

乘用车四门电动车窗控制系统[7]的总体框架如图1所示。当驾驶员按下主车窗开关按键时，主节点控制器对车窗开关信号进行数据判断，如果是主驾驶本地的车窗升降信号，则左前门控制器控制本地电机，以完成左前门车窗的升降动作；如果是其他车窗的升降信号，主节点控制器则根据通信协议，将封装好的数据通过LIN收发模块发送到LIN总线上，从节点则根据ID码机制接收总线上的数据，通过对数据解析得到各个节点的控制信号，然后由本地ECU(Electronic Control Unit)完成对各副门电动车窗的升降控制。同时，从节点ECU及时将本地的工作状态信息发送回主节点ECU，主节点ECU随时诊断其他从节点的工作状况。

图1　车窗控制系统的总体框架

电动车窗控制系统的重点在于LIN通信对于3个副车门从节点的识别。以往的车窗控制系统有两类：一是依托于车身控制器BCM(Body Control Module)的控制，车窗控制器只起到一个开关的作用，这无疑给BCM的设计带来很大困难，容易造成系统不稳定；二是3个副车门互不相同的硬件设计，给产品的生产、管理和分类都增加了不小压力，很容易造成产品混装，如出现将左后车窗控制器装到右后车门的情况。基于此考虑，本文设计了一种3个副门从节点硬件电路一样的控制器。副门识别原理为：在副门的硬件电路设计中增加左门地址选择线(L)和右门地址选择线(R)，对L和R进行赋值(如表1所示)，这样可使3个从节点有相同的硬件电路和控制程序。在安装车窗控制器时按照LIN协议[8]使左门接左门地址选择线，两个右门一个接一个不接地址选择线。这种设计不仅有利于产品的生产、管理，而且大大地精简了软件的编程。

表1　副门识别原理表

2硬件电路设计

本文设计的电动车窗控制系统硬件电路以飞思卡尔[9]芯片为核心，它由MC9S08SG16主节点芯片、MC9S08SG08从节点芯片、主节点按键电路、LED背景灯光电路、双胞胎继电器设计电路、LIN通信控制电路等组成。整机控制系统结构如图2所示。

图2　电动车窗控制系统结构框图

2.1控制芯片及其编译环境

综合考虑成本和加工制造难度，选择飞思卡尔系列MC9S08SG16为主节点芯片，MC9S08SG08为从节点芯片。飞思卡尔芯片为汽车专用级芯片，该芯片针对LIN的数据收发进行了优化设计，并针对汽车的恶劣环境(如温度和湿度变化大、电磁干扰严重)做了性能优化。而且，其质量稳定可靠，有配套的编译环境CodeWarrior，内置专家模式(Processor Expert，PE)，便于对芯片底层编程初始化和离线模拟仿真，开发十分方便，便于产业化。

LIN收发器采用常用的MCP2021-500芯片。MCP2021系列为汽车及工业LIN系统提供了双向、半双工通信物理接口，符合LIN 2.0版总线规范，器件整合了经过特别设计的稳压器，具有5 V @ 50 mA或3.3 V @ 50 mA 的稳压电源、短路保护和内部热关断电路保护，在电池反接、+43 V瞬变负载突降和双电池启动情况下不易毁坏，具有极低的电磁发射(EME)和高抗电磁干扰性(EMI)，该器件的设计符合汽车工业对静态电流的严格要求，可在各种工况下工作。

2.2硬件设计

硬件电路采用以飞思卡尔芯片为核心的设计方法。它包括：

(1)主节点按键电路设计。主节点按键电路设计是在按键断开时为高电平，选用常用的触发型开关把玻璃上升或下降指令生成的低电平信号输入给主芯片控制器，由主控制器来判断玻璃上升或者下降(见图3)。

图3　主节点按键电路

(2)LED背景灯光电路设计。在光线昏暗的情况下，为了方便操作，在每个按键中设计一个LED背景灯辅助操作。利用三极管的开关作用，由主芯片控制器来控制LED灯的开关(见图4)。

图4　LED背景灯光电路

(3)双胞胎继电器电路设计。车窗控制系统的最终目的是对车窗电机进行控制。本设计由主控制器发送信号给Q2来驱动双胞胎继电器，通过双胞胎继电器某一引脚闭合或断开来控制电机的正反转以达到车窗上升或下降的目的(见图5)。

图5　双胞胎继电器电路

(4)LIN通信模块电路设计。主门与副门控制器之间的通信依赖于LIN通信模块，是本设计的重点和难点。主节点控制器将封装好的数据通过LIN通信模块传输给副门控制器以控制副门动作(见图6)。

图6　LIN通信模块电路

3软件设计

飞思卡尔芯片专用的开发软件CodeWarrior内有专家模式PE，在软件开发过程中可大幅减少开发成本和时间，提高工作效率。利用该软件并结合硬件设计，可设计出更巧妙的算法来实现对车窗的控制。

3.1软件设计的总体框架

本文车窗控制系统的软件设计包括两个部分:车窗主节点和车窗从节点。程序流程分别如图7、图8所示。

图7　主节点程序流程图

图8　从节点程序流程图

3.2车窗识别的算法设计

根据LIN协议与硬件电路设计，安装车窗时可将左右车门地址选择线与电源负极相连，给车窗控制器输入低电平，以实现对车窗ID的设定。车窗识别的算法设计为：当左门地址选择线(L)引脚置0时，令ID=0x27，此车窗控制器为左后门控制器；当右门地址选择线(R)引脚置0时，令ID=0x28，为右后门；当左右门地址选择线引脚都未置0时，令ID=0x26，为右前门。

3.3电机堵转及时间保护算法

电动车窗玻璃运动行程固定，根据实验可计算出玻璃从底部上升到顶端或者从顶端下降到底部所需要的时间为7 s，上升、下降到端点或者遇到障碍物时，直流电机的转速减小，电流变大。由此，设计车窗的电机堵转及时间双重保护算法，保证电机正常运行，车窗安全。电机堵转及时间保护算法见图9。

图9　电机堵转及时间保护算法设计

4实验

完成对系统的硬件和软件设计后，需对车窗 LIN 总线系统进行测试。测试分为两部分：总线信号的测试和系统功能的测试。

4.1总线信号的测试

使用示波器测量 LIN 总线电平信号，测得一组信号如图 10所示。将信号与协议规范中报文传输的规定进行对比，对报文帧的格式、内容等进行验证。测试结果表明，车窗系统的 LIN 总线能够进行正常的总线通信。

4.2系统功能的测试

将车窗控制系统接到车窗控制台架上进行测试，各车窗在单独动作或LIN 通信的控制下都运行良好、功能正常，验证了所设计的控制系统的可行性。

5结语

本设计使用飞思卡尔MC9S08系列芯片为控制核心， MCP2021-500为LIN总线报文收发器， 通过对软硬件设计实现了对电动车窗的控制。利用CodeWarrior编译器进行编程，减少了开发成本和时间，提高了工作效率。设计的电动车窗控制系统性能稳定、工作可靠，经实际装车实验，系统的各项功能都得到了很好的实现，为产品的产业化实施提供了一定的指导。

参考文献：

[1]王庆丰，胡娜.基于因子分析的新能源汽车消费影响因素研究[J].中原工学院学报，2013，24(5)：68-72.

[2]朱从云，朱亚伟，姜春英，等.基于平顺性某型汽车悬架的优化选择[J].中原工学院学报，2013，24(5)：6-9.

[3]赵方庚,龙理华,蔚建玺,等.现代汽车总线技术的发展[J]. 汽车运用, 2009(12):30-31.

[4]LIN Consortium. LIN Specification Package Revision 2.1. [EB/OL]. (2006-11-24). http://www.lin-subbus.org/.

[5]Ra W S, Lee H J,Yoon T S, et al. Real-Time Robust Pinch Detection Algorithm for Automotive Applications[C]//2006 IEEE Intelligent Transportations Systems Conference. New Jersey, United States: Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE) Inc.,US, 2006:17-20.

[6]胡思德.汽车车载网络(CAN/VAN/LIN)技术详解[M].北京:机械工业出版社,2007:204-216.

[7]廖强,程金堂,张衡.汽车电动车窗防夹控制系统的研究与开发[J].重庆理工大学学报(自然科学版),2011,25(3) :1-5.

[8]Specks J W, Rajnak A. LIN-protocol, Development Tools and Software Interface for LIN in Vehicles [R]. Düsseldorf:VDI-Verlag,2000.

[9]王宜怀,曹金华.嵌入式系统设计实战:基于飞思卡尔S12X微控制器[M].北京:航空航天大学出版社,2011: 81-85.

(责任编辑：姜海芹)

收稿日期：2016-01-15

作者简介：牛继高(1970-)，男，河南郑州人，讲师，博士，主要研究方向为新能源汽车。

文章编号：1671-6906(2016)03-0022-04

中图分类号：U463.33

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.005

Design and Development of Power Window Control System Based on LIN Communication

NIU Ji-gao, WANG Zhen-jing, LI Chen-xu, LI Gen

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China)

Abstract：For a certain type of passenger car of the four-door electric windows, Freescale MC9S08SG16 and SG08 micro control chip respectively as the main gate and vice gate node, based on the Lin communication network and door recognition technology, hardware circuit and software algorithm of the power window control system are designed and developed. The experimental results show that the control effect is good, the performance is stable and reliable, and it has strong practical application value.

Key words:LIN bus; four-door electric windows; the door identification; locked rotor protection