基于LIN通信的汽车玻璃升降控制器的设计

阮耀梅

【摘 要】随着科技的迅猛发展，汽车电子技术的发展也极为迅速，消费者对汽车玻璃升降系统愈来愈关注，对其操作的可靠性和高效性提出了更高的要求。因此，玻璃升降控制系统需要向更加智能化的方向发展。文章就玻璃升降控制系统中的控制器进行了智能化设计，该控制器带处理器和通信芯片，着重提高系统功能的高效性和可靠性，同时系统也更具易操作性，更人性化。

【关键词】汽车玻璃升降系统；处理器；电机驱动；LIN通信

【中图分类号】U467 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）06-0046-03

近年来，我国汽车行业发展迅速，汽车电子技术的发展更是突飞猛进，除了多媒体音响等车载娱乐系统迅速发展外，汽车基础的子系统，如车门、车灯、门窗玻璃的升降等的控制方式也由传统的、简单的、硬线的控制方式逐步更改为使用各类控制器、继电器来实现控制。汽车车窗玻璃的升降系统是消费者使用车辆过程中使用频率非常高的零部件，其升降控制的易操作性、操作的可靠性和稳定性极大地影响消费者的用车体验。在汽车电子发展的过程中，其车窗玻璃的升降也经历由手摇式控制到电动式控制的转变。随着汽车的普及，消费者对汽车车窗玻璃的升降提出了更高的要求，要求其操作更便利，性能更人性化，系统运行更可靠，故障率更低，所以对智能化的汽车车窗玻璃控制器的需求越来越大。鉴于此，文章就车窗玻璃的控制提出了新的方案。

1 基于LIN通信的车窗玻璃升降控制器的设计分析

玻璃升降系统是汽车操作系统的重要组成部分，在汽车智能化技术快速发展的过程中，汽车玻璃升降控制系统也朝着智能化的方向发展。如图1所示，基于LIN通信的汽车车窗玻璃升降控制系统，主要由4个部分组成，包括车窗玻璃升降信号、玻璃升降控制器、车窗玻璃升降电机及其他的通信设备。其中，控制器是汽车车窗玻璃升降控制系统的核心部件，其内部还包含很多不同的功能模块，主要包括单片机（CPU）、继电器和电流检测电路，以及用于与外部设备进行通信的LIN芯片。

1.1 处理器设计

作为智能化的基于LIN通信的汽车玻璃升降控制器的核心部件，处理器肩负重任，其主要的功能为接收玻璃升降开关信号、其他外部玻璃升降控制信号（如遥控钥匙的遥控升/降玻璃信号），并对信号进行处理，然后进行逻辑运算，再根据运算结果给继电器正确的输出信号，继电器通电来驱动玻璃升降电机完成玻璃的上升/下降动作，其功能的过程逻辑框图如图2所示。由图2可知，处理器首先必须正确识别玻璃升降控制信号，去除无效的干扰信号，即处理器需要具备输入信号的滤波功能；其次在正确识别输入信号的前提下，处理器要进行精确并且高速的逻辑运算；最后根据逻辑运算的结果给继电器正确的输出信号。玻璃升降处理器若要更好地满足这些控制功能，就需具备极高的硬件配置与高精度的模拟水平，同时还需要具备高性能数字信号处理能力。鉴于此，在设计时，主要采用ST系列芯片STM8S003，该处理器内核为8位，主频为16 MHz，Flash为8 K，是一款高性能的数字混合处理器，可以很好地处理各种外部信号，逻辑运算精确且高速，能保证玻璃升降控制系统快速、可靠地进行工作。

1.2 玻璃升降電机驱动设计

在汽车使用的一般工况下，汽车玻璃升降过程中，玻璃升降控制电机中的电流为6～8 A，堵转电流约10 A。而在一些比较恶劣的情况下，比如天气寒冷，车门上胶条硬化，或者汽车玻璃升降系统使用时间较长，零部件老化、退化之后，玻璃升降过程阻力就会变大，玻璃升降控制电机中的电流也会随之增加，堵转电流有可能高达18 A。而控制器PCB板上的其他电子元器件的负载能力远远不能满足这个需求，CPU的输出电流也仅是毫安级别，无法驱动电机正常运转；并且玻璃升降控制电机的堵转电流足以将PCB板上的电子元器件全部烧毁。因此，控制器设计时必须有电流转化模块，将控制器输出的毫安级的电流转换成可以驱动玻璃升降电机的大电流。基于此，文章在设计时使用了继电器进行电流转换，选用的是全新“松下”的CT系列继电器，该系列继电器在额定状态下，线圈端的动作电流仅为66.7 mA，吸合时间和释放时间均在10 ms以下，却能够提供20 A的额定电流输出，能够及时、可靠地将处理器的控制输出传送给玻璃升降器控制电机，使系统正常运行。

1.3 电机堵转保护设计

由以上分析可知，非理想情况下，电机的堵转电流相当大，长时间的大电流对玻璃升降系统中的控制器、电机都极为不利，严重影响控制器和电机的使用寿命和系统运行的可靠性。所以，电机堵转时需要一定的保护措施，即玻璃升降控制器需要具备电机堵转保护功能。要实现电机堵转保护，首先，控制器需要有电流反馈电路，电路中有检测回路电流的传感器，以识别电机当前是否处于堵转状态；其次，当识别到电机已经处于堵转状态时，需要快速地切断输出，以切断回路电流，中断当前动作。具体的工作逻辑如图3所示。

由图3可知，以下3个关键点需要明确。

（1）Ia-堵转电流限值的设置。为控制器设置合理的堵转电流限值，即当采样传感器中的电流值大于或者等于这个电流限值时，处理器就认为电机已经处于堵转状态，会切断输出以中断当前工作，以保护玻璃升降系统中的各种零部件；当采样传感器中的电流值小于这个电流限值时处理器就认为当前玻璃上升或者下降还未到位，要保持当前输出状态。因此，电机堵转电流限值的设置影响整个系统的可靠运行，设置过大，会对系统造成损伤；设置过小，系统不能可靠运行。

那么如何正确地设定电机的堵转电流限值（Ia）呢？需要针对不同的车型进行具体设置，同时对玻璃升降系统进行标定，即通过对系统在不同工况下电机的工作电流、堵转电流进行标定，从而设置合理的堵转保护电流值。具体的标定过程如下：{1}低温工况——在低温（-10 ℃、-30 ℃）环境下，电机在实际车门系统上的电流变化曲线，包括电机启动电流、正常工作时电流、堵转电流；{2}常温工况——在常温（20 ℃）环境下，电机在实际车门系统上的电流变化曲线，包括电机启动电流、正常工作时电流、堵转电流；{3}高温工况——在高温（85 ℃）环境下，电机在实际车门系统上的电流变化曲线，包括电机启动电流、正常工作时电流、堵转电流。

（2）控制器需要对电机电流进行精确的识别，本文在设计时采用了A/D采样对当前电机的电流进行采样，采样电流精度高。

（3）切断时间的设置。当处理器检测到电机当前处于堵转状态时，需要快速地切断回路电流的时间，文章设计时，结合玻璃升降系统实际使用状况和控制器的CPU晶振频率，设置时间为1 s。

1.4 通信设计

智能化汽车玻璃升降控制器除了能在系统内部进行工作，还能与外部的设备，如车身控制器或者其他信号的发射器/接收器进行通信，从而对玻璃的上升和下降进行更智能化的控制。本文中，结合各个总线通信模式使用的可靠性和系统应用的实际需求，为控制器选用了LIN通信。LIN收发器使用的是“恩智浦”（NXP）的TJA1028，该收发器带集成稳压器，其总线输出采用耐高压设计，可提供较强的静电放电（ESD）和电磁兼容性（EMC），同时为了降低电流消耗，其还提供休眠模式，可以通过LIN总线提供唤醒功能，从而使设计更可靠和智能化。

1.5 其他设计

基于LIN通信的智能化玻璃升降控制器的设计还包括很多细节的设计，比如稳压电路的设计，将汽车电器提供的13 V的工作电压转换成5 V的CPU工作电压，同时可以消除整车电源波动时对玻璃升降控制造成影响。还有其他的外围电路，如复位电路、时钟信号电路、存储扩展电路等，这些硬件电路都对智能玻璃升降控制系统的运行起着关键性的作用，保证了系统设计的全面性，是系统的重要组成部分。

2 基于LIN通信的玻璃升降控制器的其他设计亮点

前面对基于LIN通信玻璃升降控制器的处理器设计、电机驱动设计、电机堵转保护和通信设计方面的优点进行了论述，除此之外，基于LIN通信玻璃升降控制器还有很多亮点。

2.1 按钮滤波功能

如前文所述，智能化汽车玻璃升降控制器需要具备对输入信号的滤波功能。文章在设计时，软件上设置了按钮滤波，只有处理器接收到玻璃升降开关信号或遥控升降信号，并且信号的持续时间大于或者等于100 ms时，即判定玻璃升降信号输入有效，否则视为无效输入信号，不执行玻璃的上升/下降动作。这样可以有效地避免一些特殊状况下汽车玻璃的升降误动作，如车辆行驶时路况很差时，汽车震动过大，玻璃升降开关按钮抖动导致触点瞬时接通后马上断开；或者当驾驶员或者乘客不小心按压到玻璃升降开关或者遥控钥匙时，信号输入触点瞬时接通后马上断开。这2种情况都会导致控制器接收到极短时间的玻璃升降控制信号输入，但因为此输入持续时间过短（不足100 ms），控制器则认为玻璃升降输入信号无效，不执行任何动作，使用系统的功能更可靠，也保证了消费者的用车安全。

2.2 延时保护功能

通过对不同的汽车在不同的使用工况下，汽车玻璃升降过程研究和统计，在汽车正常使用的一般工况下（常温22 ℃左右），基本3～4 s汽车玻璃就可以实现上升到位或者下降到位，在极端恶劣的情况下（如低温—30 ℃左右），需要6～7 s方能完成。玻璃上升或者下降到位后，电机就处于堵转状态。为了增加系统的保护措施，本文在设计时为系统设置了延时保护功能。当玻璃已经持续上升或者下降时间一段时间后，处理器将直接切断输出，中断系统当前正在进行的动作，从而有效地保护系统中的零部件，提高了系统运行的安全级别。

3 结语

随着社会科技的快速发展，智能化技术也被广泛应用到各行各业中，各种电器功能的扩展将是今后消费者对汽车使用功能的重点关注对象，成为汽车行业发展的重点之一。智能化的汽车玻璃升降控制系统更是汽车电子的重要内容，其设计的有效性、合理性和可靠性将直接影响整个系统的运行效率，从而影响消费者的使用。本文结合工作实践，分析了汽车玻璃升降控制系统中的各个零部件及其之间的相互关系，从处理器设计、电机驱动设计、电机堵转保护和通信设计方面进行论述，对汽车玻璃升降控制器进行智能化设计。

参 考 文 獻

[1]王旭芳，郑太雄，程安宇，等.基于CAN/LIN总线的车门控制系统开发[J].汽车技术，2008（3）.

[2]潘耀三.关于汽车玻璃升降器常见故障问题的分析与研究[J].科技与企业，2016（6）.

[3]刘湖平.基于LabVIEW玻璃升降器性能试验台系统研究[J].上海汽车，2015（2）.

[4]欧阳方宾.浅谈玻璃升降器系统[J].消费导刊，2015（6）.

[责任编辑：钟声贤]