1、引言
目前．以微控制器為代表的汽車電子在整車電子系統中應用廣泛，汽車控制正由機電控制系統轉向以分布式網絡為基礎的智能化系統。CAN總線是一種支持分布式和實時控制的串行通信網絡，以其高性能和高可靠性在自動控制領域廣泛應用。作為目前最具應用潛力的現場總線之一，CAN總線技術為我國汽車產業升級、降低成本，擴大市場占用率提供支持。
現在各中高檔轎車都安裝有電動車窗，按鈕控制車窗玻璃的升降。如果車窗無智能，司機在沒有注意到乘客的手或物體伸出窗口的情況下按下按鈕，乘客容易被車窗夾傷。為了安全，很多乘車都采用電動防夾車窗。在充分研究有關CAN總線在汽車電子系統中的應用和電動車窗防夾方案的基礎上，提出一種基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統的設計方案，實現車窗在正常工作模式下防夾控制功能和緊急情況下（異常工作模式）快速升降車窗控制功能。
2、 系統功能結構
2．1 CAN總線通信實現原理
CAN總線屬于多路復用總線的一種，最早是由德國Bosch公司研制的主要用于汽車電器系統控制的總線規范。它采用非破壞總線仲裁技術，多主方式工作。直接通信距離最遠可達10 km，通信速率最高可達1 Mb／s，幀消息采用CRC校驗和其他檢錯措施，具有自動關閉錯誤嚴重的節點功能。CAN節點通過報文的標識符濾波實現數據傳輸，不同優先級滿足不同實時要求，節點數取決于總線驅動電路，通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證數據出錯率極低。汽車網絡系統中的總線以報文為單位傳輸數據，節點對總線的訪問采用位仲裁方式。報文起始發送節點標識符分為功能標識符和地址標識符。CAN總線系統節點分為不帶微控制器的非智能節點和帶微控制器的智能節點。該系統采用智能節點設計，轎車車窗按CAN總線結構和電器元件在汽車中的物理位置劃分為左前、右前、左后和右后4個節點單元。其中左前節點為主控制單元，除負責本地（左前）車窗的升降，還可以遠程控制其他車窗。各節點采用獨立的帶CAN功能的微控制器設計，其CAN網絡結構如圖1所示。
基于CAN控制器P8xC591和傳感器實現車窗智能控制系統的設計
2．2 車窗的智能控制
電動車窗系統每個車門都有一個車窗玻璃升降機構，與傳統的手搖機構相似，只不過是采用直流永磁電機驅動。電機尺寸非常小，可以安裝在車門里面，并且帶有一套減速機構，用來增加輸出扭矩、減小輸出轉速。電機轉動方向（即車窗的上下移動）通過改變輸入電壓的極性來實現，車窗升降速度取決于輸入電壓的大小。
系統使用一個小阻值（約1Ω）的電阻作為電流傳感器，傳感電阻與電機串聯，其壓降與電機的工作電流成正比，通過檢測電阻兩端的電壓檢測流過電機的電流。在傳感電阻上的電壓未到達設定的閾值前，電機一直工作，一旦傳感器的壓降達到閾值。電機停止轉動，檢測車窗位置。如果車窗位置未達到最終位置。說明車窗遇到障礙，車窗將自動退回初始位置。如果車窗到達行程終點，電機電路斷開。為了完成該操作控制，需要實時控制車窗位置，為此在車窗導軌的頂部和底部各安裝壓電傳感器，根據壓力產生的電壓來判斷車窗是否到達預先設的極限位置。
該系統設計除了在正常情況下實現自動防夾功能，還要求在突發事件（如歹徒搶劫或乘客遇險逃生等）時司機能夠控制車窗的強制關閉或打開。系統對每個節點單元都有3個用于車窗控制的按鍵（K1、K2和K3）。其中Kl用于控制車窗的上升和下降，是一個2值信號開關；K2暫停／恢復按鍵用于車窗上升或下降途中的暫停，再次按下K2將繼續運動；K3模式選擇按鍵，其默認為執行正常工作模式（帶防夾功能），按下K3后執行異常工作模式（不帶防夾功能），具有最高優先級，用于快速設定車窗上升或下降。主控節點單元即左前節點單元，除負責本地車窗的升降外，還控制所有節點單元的車窗同步動作，在前3個控制按鍵基礎上，增加了本地／全局控制模式按鍵K4，默認為本地控制模式，按鍵后切換控制模式。以主控節點單元按鍵動作說明車窗的智能控制過程，其結構邏輯如圖2所示。
3、 系統硬件設計
系統左前節點單元除具有全局控制外，其余節點單元只負責控制本地車窗，硬件設計僅多一個按鍵K4，主要在于軟件設計。該系統設計的控制電路不僅支持節點單元間的CAN總線通信，還要檢測壓電傳感器和負載電流等模擬量，判斷各種邏輯，通過驅動器實現控制功能。
該系統采用片內含有CAN控制器的P8xC591作為節點單元主控制器。P8xC591采用強大的80C51指令集；內部集成有SJAl000 CAN控制器的PeliCAN功能；全靜態內核提供了擴展的節電方式：振蕩器停止和恢復而不丟失數據；改進的1：l內部時鐘分頻器在12 MHz外部時鐘頻率時實現500ns指令周期。
控制器P8xC2591讀取按鍵信息，驅動車窗電機按預先編制的軟件指令運行，同時監測傳感器的輸出電壓和負載電流，作為車窗在上升（下降）過程中與障礙物夾持時的邏輯判斷，然后驅動電機。為了防止車窗玻璃上升到頂部或下降到底部時，電動機受到沖擊堵轉而降低電動車窗機械的使用壽命，該系統設計具有軟停止功能，并且手動或自動上升、下降時都有此功能。當玻璃上升（下降）快到頂（底）部時，在上升軟停止點切斷電動機的電源使其停止工作，通過電動機的慣性使玻璃上升（下降）到頂（底）部。
各節點單元相關命令和狀態通過CAN控制器以報文格式由CAN總線完成與其他節點單元信息間的傳輸和共享。系統節點單元硬件設計框圖如圖3所示。
電機驅動電路采用汽車電子專用的電機驅動器MC33486。該器件帶有兩個雙高端開關和兩個預驅動低端開關，其低端開關可外接兩個MOSFET管，可連續輸出10 A的電流。同時能夠采集電機電流，利用它反饋給單片機A／D轉換采樣模塊得到電機電流值，完成電機控制，實現車窗堵轉和防夾功能。系統通過濾波電容降低噪聲的耦合，收發器PCA82C250與CAN總線之間加接光電隔離器6N137，采用DC—DC變換器隔離電源，總線兩端接終端電阻以消除反射信號。
4、 系統軟件設計
系統軟件設計目主要包括CAN控制器初始化、節點發送接收報文和主控程序3個模塊。
4．1 CAN控制器初始化
CAN控制器上電或硬件復位后必須初始化，包括操作模式、驗收濾波器、總線位定時、中斷和配置TXDC輸出引腳。
4．2 節點發送／接收報文
報文的發送由CAN控制器遵循CAN協議規范自動完成。首先CPU必須將待發送的數據按特定格式組合成一幀報文，進入CAN控制發送緩沖器中，并置位命令寄存器中的發送請求標志，發送處理可通過中斷請求或查詢狀態標志進行控制。其發送程序分發送遠程幀和數據幀兩種，遠程幀無數據場。
報文的接收程序負責節點報文的接收以及總線關閉、錯誤報警、接收溢出等其他情況處理。報文的收發主要有中斷接收方式和查詢接收方式。軟件設計采用報文接收的查詢中斷控制方式和報文發送的中斷控制方式。報文的發送／接收程序流程如圖4所示。
4．3 主控程序
在各車窗節點單元中，左前節點單元功能最復雜，具有最高控制優先權。這里以左前節點單元為例，詳細介紹其主控程序設計。首先初始化系統，包括P8xC591控制器的CAN模塊初始化、中斷、I／0端口、定時模塊、看門狗模塊、A／D轉換器模塊和設置全局變量，還要將電機堵轉時的最大電流和車窗到頂（底）時傳感器的電壓閾值寫入EPROM。P8xC591將實測電流與EPROM中的標定值比較，實現防夾功能，比較電壓閾值與測得的傳感器電路電壓值判斷車窗到達極限位置。初始化完成后，讀取組合按鍵信息，根據按鍵動作實施具體操作，同時發送CAN報文，完成各節點單元間的CAN通信和智能化控制。圖5為左前節點單元主控程序流程。
5 、系統主要技術參數和功能
電動車窗控制系統除了具有車窗自動上升、下降和手動暫停、恢復功能外，還有以下功能：
（1）防夾功能 初始化后，手動和自動上升時都具有防夾功能，防夾次數不受限制；從車窗上極限下沿40mm往下，車窗上極限上沿40 mm往上的區間為防夾區間：在室溫（22±5）℃、80 mΩ的線間電阻、15 V的工作電壓，以10 N／mm的測量儀測量時，玻璃上升的防夾力小于100 N。
?。?）省電模式 在輸入信號消失120 ms后。且電動機溫度接近室溫25℃時，系統自動進入省電模式．靜態電流小于300μA。當電動機控制單元一旦得到輸入指令就被喚醒。
?。?）軟停止功能 上升軟停止點為上極限位置約2 mm處，下降軟停止點為下極限位置上約12 mm處。
?。?）電動機保護功能對電動機采取保護措施，提高電動機和電動車窗系統的使用壽命。在電動機堵轉的250 ms內，控制單元切斷電動機電源，電動機停止工作。在控制單元接通電源后，如果沒有初始化，則電動機的初始溫度定為80℃；如果初始化，則電動機初始溫度定為160~C。正常情況下，如果電動機溫度達到170℃，則輸入的指令無效，一旦電動機溫度降低后就恢復功能；如果電動機溫度到190℃，則立即停止電動機的工作，一旦電動機溫度降低后就恢復功能。
?。?）自診斷保護功能 為保證系統的可靠性，同時提高系統的平均無故障時間，采用自診斷保護措施：如果電源電壓超過16 V±0．5 V，關閉自動上升功能。
?。?）系統抗干擾設計技術軟件抗干擾以其設計靈活、節省硬件資源、成本低等優勢得到廣泛應用。該系統的軟件設計嵌入看門狗，進一步提高系統的可靠性。
6、 結語
設計了基于CAN總線的轎車車窗智能控制系統，節點單元以P8xC591單片機為核心，將車窗電機和電子控制元件接入系統。采用CAN總線傳輸、共享和查詢數據，實現分布式控制。與傳統汽車電器手動操作和點對點式互聯方式相比．采用CAN總線技術，布線明顯減少，車身系統結構簡單，系統可靠性高，更易于維護。同時，系統通過監測車窗電機的電流實現電動車窗的防夾功能，并針對人身安全隱患設計了強制車窗“動作”功能，使整車的智能化、人性化和安全性得到進一步提高。目前，該系統設計已在國內某轎車上安裝試行．反映效果良好。所提出的方案具有較強的可移植性和可擴展性，同樣也適用于汽車電氣系統的智能化升級，開發其他功能更為強大的CAN總線智能產品。