PIC单片机在汽车电动车窗控制器中的应用

Ｈａｒｄｗａｒｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ＰＩＣ单片机在汽车电动车窗控制器中的应用　王义　，邱云峰　（１．贵州师范大学物理与电子科学学院，贵州贵阳５５０００１；　２．贵州大学理学院，贵州贵阳５５００２５）　摘要：针对汽车控制系统减少线束和较低成本的要求，提出了以集成ＣＡＮ控制器的ＰＩＣ１８Ｆ２５８　单片机为核心设计而成的汽车电动车窗控制系统，给出了系统主要硬件结构和软件设计流程。相对　于传统的点对点控制方式，不仅减少了车内的线束、降低了成本，而且控制灵活、实时性强。试验表　明，该系统工作正常、性能可靠，具有低成本、低功耗和易于维修等优点。　关键词：汽车网络；ＣＡＮ总线；ＰＩＣ１８Ｆ２５８；电子控制单元　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—７７２０（２０１０）１２—００２６—０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｗｉｎｄｏｗ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｏｒ　ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ＷＡＮＧ　Ｙｉ　，ＱＩＵ　Ｙｕｎ　Ｆｅｎ　（１．Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５０００１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ　５５００２５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｒｅｄｕｃｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｒａｃｋ　ｔｉｅ　ｉｎｓｉｄｅ　ａｎｄ　ｄｅｃｌｉｎｅ　ｃｏｓｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｗｉｎｄｏｗ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＰＩＣ１８Ｆ２５８，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ＣＡＮ　ｂｕｓ．Ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ，ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｉｎｔ－ｔｏ－ｐｏｉｎｔ　ｃｏｎｔｒｏ１．ｔｈｅ　ｂｕｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｗｉｉｒｎｇ　ｈａｒｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｃｏｓｔ．ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｒｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｆａｓｔ．Ｔ｝ｌｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｏ　ｂｅ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｌｏｗ—ｃｏｓｔ．ＩＯＷ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｍａｉｎｔａｉｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＡＮ　ｂｕｓ：ｐｏｗｅｒ　ｗｉｎｄｏｗ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｎｉｔ　随着汽车电子技术的发展，越来越多的电子产品装　发器ＰＣＡ８２Ｃ２５０进行数据操作时只需要ＴＸＤ、ＲＸＤ两　载到汽车上，极大地提高了汽车的动力性和舒适性，同　条数据线，这样就大大简化＿『硬件电路的设计　提高了　时也增加了车内布线的难度和成本。ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　系统的可靠性。　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）作为一种串行数据通信总线，由于具有良　１电动车窗控制系统通信网络的构成　好的可靠性、实时性及灵活性，已经成为国际标准　电动车窗控制系统通信网络共有４个ＣＡＮ节点电　（ＩＳＯＩ１８９８）…，在汽车电子系统中得到了广泛的应用。　子控制器，分别是：左前门主控制器、右前门子控制器、　’　目前，在ＣＡＮ系统设计中，使用最多的是单片机外　左后门子控制器、右后门子控制器。采用ＣＡＮ总线通信　挂的ＣＡＮ控制器，如Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＰＣＡ８２Ｃ２００、　技术可以实现４个车门控制器之间的通信，如图１所示。　ＳＪＡ１０００以及Ｉｎｔｅｌ公司的８２５２６、８２５２７等芯片。但是采　操作主控制器除了可以控制驾驶员的车窗玻璃升降　用此类芯片的设计方案不利于系统集成化。本文以　外，还可以通过ＣＡＮ总线控制其余乘客车窗玻璃的升降，　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司内部集成的ＣＡＮ模块ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机　同时子控制器也可控制各自位置车窗玻璃的升降。主控　为核心，介绍ＣＡＮ总线电动车窗控制系统的硬件电路　制器由Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的内部集成了ＣＡＮ模块的　结构及软件设计流程。由于ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机对ＣＡＮ收　ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机、６Ｎ１３７高速光电耦合器、ＰＣＡ８２Ｃ２５０总　基金项目：贵州省科技厅工业攻关（黔科合ＧＹ字【２００８］３０２３）　线收发器等三个主要部分组成。考虑到设计成本和软件　２６　《微型机与应用》２０１０年第１２期　Ｈａｒｄｗａｒｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ＯＵＴ１和ＯＵＴ２是ＭＣ３３４８６的两个高端　左后门车窗电机　Ｍ／Ｉ　左前门车窗电机　Ｍ　输出引脚，直接驱动车窗电机Ｍ。ＩＮ１和ＩＮ２　受微控制器的控制。当ＩＮＩ为高电平‘１’，　主　主　ＩＮ２为低电平‘０’时，相应的ＧＬＳ１输出低电　窗　窗　平，ＧＬＳ２输出高电平，此时ＭＯＳ１、ＭＯＳ４导　升　升　通，ＭＯＳ２、ＭＯＳ３截止。ＯＵＴＩ输出正电压　降　降　开　６Ｎ１３７　开　６Ｎ１３７　ＯＵＴ２接地，车窗电机朝某一个方向运转。反　关　ＰＣＡ８２Ｃ２５Ｏ　关　ＰＣＡ８２Ｃ２５０　之，当ＩＮ１为低电平‘０’，ＩＮ２为高电平‘１’　时，相应的ＧＬＳ２输出低电平，ＧＬＳ１输出高　左后门子控制器　左前门子控制器　电平，此时ＭＯＳ２、ＭＯＳ３导通，ＭＯＳＩ、ＭＯＳ４　截止。ＯＵＴ２输出为正，ＯＵＴ１接地，车窗电机　反转，达到升降车窗玻璃的目的。此外，　车　ＭＣ３３４８６在待机模式下有非常低的静态电　窗　ｌ匮　ＰＣＡ８２Ｃ２５０　车　窗　升　升　流，在正常工作时的输出电流为１０　Ａ，最大　ＰＩＣ１８Ｆ２５８　降　降　峰值电流为３５　Ａ，直流输入电压的范围较　开　开　宽，可达８　Ｖ～２８　Ｖ。当电压高于２８　Ｖ时芯片　关　关　　右后门子控制器　右前门子控制器　因而可减小电动车窗控制器的体积，提高　右后门车窗电机【Ｍ　右前门车窗电机【Ｍ　孽　具有过压保护功能。由于该器件性能完善，ＥＭＳ（电磁兼容）特性。　３　ＣＡＮ控制器硬件电路设计　图１电动车窗ＣＡＮ总线网络结构图　对电动车窗控制器硬件电路设计的总体要求是系　编程的方便性，子控制器选用了与主控制器相同的芯　统简单、容易实现、性能稳定可靠，在满足要求的情况下　片，且具有相同的硬件电路结构。　尽量降低成本。　２功率驱动芯片及其应用电路　ＣＡＮ通信系统硬件电路主要由三部分组成［　Ｉ：　Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的功率驱动芯片ＭＣ３３４８６以其强大的　ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机、６Ｎ１３７高速光电耦合器、ＰＣＡ８２Ｃ２５０　功能和优异的性能在汽车电子中得到了广泛的应用。此　总线收发器。电路原理如图３所示。　芯片的应用模式为桥式结构［２１，芯片内部有２个高端　ＰＩＣ１８Ｆ２５８是美国Ｍｉｅｒｏｅｈｉｐ公司生产的内部嵌有　ＭＯＳＦＥＴ驱动管ＭＯＳ１、ＭＯＳ２，外接２个低端ＭＯＳＦＥＴ驱　ＣＡＮ总线控制器的高性能ＰＩＣ系列单片机，由于其超小　动管ＭＯＳ３、ＭＯＳ４组成一个完整的Ｈ桥，实现车窗电机　型、低功耗、低成本、多品种的特点，其应用范围十分厂‘　的正、反向控制。同时，利用Ｃｕｒ　Ｒ端的电流镜像功能可　泛。ＰＩＣ１８Ｆ２５８是集成了ＣＡＮ模块的微控制器，有着先进　方便地实现过流保护和车窗的防夹功能，如图２所示。　的精简指令集构架、增强型内核、３２级堆栈，片内具有　Ｆｌａｓｈ程序存储器、ＥＥＲＯＭ数据存储器、自　编程功能、在线调试器（ＩＣＤ）和多种内部、　外部中断源，并采用了程序和数据空间完　全分开的“哈佛”结构。这种结构大大降低　了ＰＩＣ微控制器的总体成本，同时提高了　运行效率。在电路中，ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机是　ＣＡＮ总线接口电路的核心，主要完成ＣＡＮ　总线上数据的发送和接收，实现串行数据　的分解及组合，保证通信的正常畅通。　ＰＣＡ８２Ｃ２５０是Ｐｉｌｉｌｉｐｓ公司的ＣＡＮ总线　接口芯片，是ＣＡＮ控制器与物理总线之间　的接口，提供对总线的差分发送和接收的　功能，它与ＩＳＯ１１８９８标准完全兼容，有三种　不同的工作方式，即高速、斜率控制和待　机，可以根据实际情况加以选择，在本方案　中选择高速工作方式。该芯片引脚少，使用　图２功率芯片ＭＣ３３４８６驱动电路　《微型机与应用》２０１０年第１２期　欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ　２７　Ｈａｒｄｗａｒｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｖｃｃ　Ｖ　ｃｃ　３９０ｎ　ＴＸＣＡＮ　ＩＮ　ＥＮ　—ｒ　０ｎ　ｎ　—ＣＡＮ＾　线　—　ｒ＿——　－　ｎ　Ｖ　ＯＵＴ　１ｏｏｎＦ　ＧＮＤ　—．　・一Ｌ一　ＴＸＤ　ＣＡＮＨ　５　ｎ　ＲＸＤ　ＣＡＮＬ　Ｒ　一　一　一　一　Ｔ　Ｖｃｃ　ＧＮＤ　＝　＝　＝　＝　ＧＮＤ　ＲＸＣＡＮ　ｒ丰１００　Ｆ　ＶＩｍ　ＩＮ　Ｉ￣３９０ｉ】　０ＵＴ　ＥＮ　Ｉ　］ａ７　ｋＤ，　３９０ｎ　一　３ＯｐＦ　４００７　３０ｐＦ　４００７　ｌ　ｌ　Ｖ（Ｅ　ＰＩＧ１８Ｆ２５８　一　－－１００ｎＦ　三　图３　ＰＩＣ１８Ｆ２５８通信系统电路原理图　简单。ＣＡＮ总线采用ＰＣＡ８２Ｃ２５０芯片作为与总线之问的　接Ｉ－１，ＰＣＡ８２Ｃ２５０的ＣＡＮＨ、ＣＡＮＬ引脚各自通过一个电　阻与ＣＡＮ总线相连，电阻可以起到一定的限流作用，保　护ＰＣＡ８２Ｃ２５０免受过流的冲击。另外，ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ与　地之间并联两个小电容，可以滤除总线上的高频干扰和　防电磁辐射。光电耦合器采用Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司生　产的高速逻辑门输出光电耦合器６Ｎ１３７，它的最大传输延　迟时间是７５　ｎｓ，典型值是４６　ｎｓ，采用６Ｎ１３７高速光电耦　合电路可以很好地实现总线上节点之间的电气隔离，同　ｌｌ将ＲＢ３设置为输入　ＲＢ２设备为输出　、●一　ｌ将ＣＡＮ模块设置为配置模式ｌ　时可提高系统的抗干扰能力和传输信号的能力。使用　时，光电耦合器的两个电源Ｖ　和Ｖ　必须采用电源隔　离电路进行完全隔离。　设置波特率　Ｉ　设置接收寄存器和接收屏蔽寄存器　４　ＣＡＮ通信系统软件设计流程　软件设计是系统设计的关键。使用开发软件　ＭＰＬＡＢ　ＩＤＥ、仿真器ＩＣＤ　２，以及灵活简便的Ｃ语言。为　了提高可靠性和可理解性［４１，内部软件设计采用了模块　Ｊ　ｌ设置接收、发送控制寄存器ｌ　ｌ将ＣＡＮ模块设置为标准模式Ｉ　Ｎ　结构，主要包括主程序、系统初始化子程序、数据发送子　程序、数据接收子程序和电机控制子程序，　外，还应有　中断服务子程序、Ａ／Ｄ采样子程序、故障诊断予程守和　终端子程序等。这里主要对系统初始化子程序和电机控　制子程序进行探讨。　系统初始化子程序是系统设计工作中极为重要的　图４初始化子程序流程图　部分，它是ＣＡＮ总线系统正常工作的前提，关系到整个　ＣＡＮ系统能否正常工作。因此，初始化设计是一个重　点，主要包括ＣＡＮ模块工作方式的配置、接收滤波器的　设置、接收屏蔽寄存器设置、波特率参数设置、发送优先　处理、车窗防夹的判断和处理等［５１，其工作流程如图５　所示。程序初始化完成后，在按键端口扫描到有上升或　下降按键输入的控制命令后，主程序调用电机控制子程　序，车窗电机进入ＰＷＭ软启动阶段。ＰＷＭ软启动分为　级设置和中断允许寄存器设置等。初始化子程序流程如　图４所示。　１０步，每步２０ｍｓ，占空比从ｌ０％逐渐增加到１００％。随　后电机进入上升或下降的工作状态『６＇。电动车窗采用　ＰＷＭ控制方式后，启动较为平稳，启动快速性好。　对电动车窗的控制可分为软启动、满ＰＷＭ输出、续　流和停止４个阶段。其中包括对电动车窗“手动／自动”　控制的判断和处理、车窗上升到顶或下降到底的判断和　车窗的防夹功能是利用功率芯片ＭＣ３３４８６的Ｃｕｒ　Ｒ　《微型机与应用》２０１０年第１２期　Ｈａｒｄｗａｒｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　统可以减少车内的线束。同时可以通过软件编　程在不改变原有网络硬件结构的前提下，增加　许多功能。ＰＩＣ１８Ｆ２５８单片机内部集成了ＣＡＮ　控制器，可以在线编程。用该芯片设计而成的电　动车窗控制系统性能稳定、工作可靠，经实际装　车试验，系统的各项功能都得到了很好的实现，　为系统的产业化实施奠定了基础。　参考文献　【１１　饶运涛，邹继军，王进宏，等．现场总线ＣＡＮ原　理与应用技术（第二版）（Ｍ】．北京：北京航空　航天大学出版社，２００７．　１２】杜琳，姜久春，潘磊．双高端开关器件ＭＣ３３４８６　在车身电控系统中的应用【Ｊ】．电气应用，２００５，　２４（７）：１２２－１２４．　【３］　王轶，张凡．ＣＡＮ总线技术在智能汽车系统中　的应用【Ｊ】．微计算机信息，２００５，２１（７）：４８－５０．　［４］　肖朝晖，谭进，李山．混合动力汽车中ＣＡＮ总线　技术的应用［Ｊ］．重庆大学学报（自然科学版），　５，２８（６）：６８—７０，　图５电机控制子程序流程图　［５】赵鹏，王旭东．基于ＣＡＮ总线的车门控制系统设计［Ｊ】．　输出端所具有的负载电流线性镜像功能实现的。Ｃｕｒ　Ｒ　哈尔滨理工大学学报，２００８，１３（２）：７７—８５．　端能够输出与车窗电机负载电流　成比例的监控电流　【６】吴志红，陆科，朱元．一种高性价比的电动车窗控制器　ｋ　，有如下数学关系：　设计［Ｊ］．单片机与嵌入式系统设计．２００９（１）：４３－４５．　（收稿日期：２０１０—０１—２５）　ＣｕｒＲ　将此电流转化为电压输入到ＰＩＣ单片机的Ａ／Ｄ采　作者简介：　样端，能够完成对车窗电机的控制，实现电动车窗的防　王义，男，１９５７年生，教授，博士，主要研究方向：汽车电　夹功能。　子、电路与系统。　网络化控制是现代汽车电子控制的发展趋势。相对　邱云峰，男，１９８５年生，研究生，主要研究方向：汽车电子。　于传统的控制方式，采用ＣＡＮ总线的电动车窗控制系　ｊ　－…－４　ｔ　ｊ　：　一一　…：　…＝　…　…一…………一……　艾默生的ＯｖａｔｉｏｎＴＭ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｂｕｉｌｄｅｒ帮助发电机构满足欧洲文档编制标准　智能化的软件帮助改进发电厂项目规划并保持文档一致性和跟踪在管控系统与实际环境中发生的修改　匹兹堡（２０１０年６月１０日）——艾默生过程控制有限公司隆重推出ＯｖａｔｉｏｎＴＭ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｂｕｉｌｄｅｒ，这是一款集　成的软件产品套件，帮助发电机构实现一致的过程工程、过程控制和电气工程设计，从而轻松满足欧洲的文档编制　标准。Ｏｖａｔｉｏｎ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｂｕｉｌｄｅｒ与Ｏｖａｔｉｏｎ控制系统数据库和配置工具紧密集成，提供自动生成项目文档和仪表　控制（Ｉ＆Ｃ）文档（包括Ｐ＆Ｉ图表）的功能。　Ｏｖａｔｉｏｎ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｂｕｉｌｄｅｒ具有清楚直观的界面和专门模板与向导，支持以自动化的方式快速制作图纸和布　局图，例如Ｏｖａｔｉｏｎ机柜图纸、卡件图纸、电气连接图纸、端子接线柜图纸、电缆布线报表和回路图。　使用Ｏｖａｔｉｏｎ的标准工程工具套件创建的控制系统配置能够自动与Ｏｖａｔｉｏｎ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｂｕｉｌｄｅｒ中更广泛的工　厂设计和运行数据相匹配。高度灵活的数据格式可以轻松导入用于现场设备和其他设备的客户化数据与特定于发　电厂的数据，从而节省时间并降低出现错误的可能性。　Ｏｖａｔｉｏｎ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｂｕｉｌｄｅｒ完全集成到了Ｏｖａｔｉｏｎ操作员环境中并且具有智能的导航功能，帮助轻松高效地　访问所需资料或文档。在Ｏｖａｔｉｏｎ环境中，操作员只需轻松点击一下鼠标，就可以在上下文环境中查阅所有图纸。比　如可以借助选定标签名轻松查阅回路图。　Ｏｖａｔｉｏｎ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｂｕｉｌｄｅｒ的“修订管理”功能使所有变更都可以追踪，并且能够创建编排清楚的报表以便于管　理和使用。通过集成发电厂和控制系统信息，文档能够自动更新。欢迎访问ＷＷＷ．Ｅｍｅｒｓｏｎ．ｃｏｎｌ、ｗｗｗ．Ｅｍｅｒｓｏｎ．ｃｏｒｎ．ｃａ。　ｆ艾默生供稿）　《微型机与应用》２０１０年第１２期　欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ　２９