基于LIN总线的电动车窗控制器设计

摘  要： 提出了一种采用LIN作总线为控制网络的电动车窗设计，通过驾驶员侧主节点对4个车窗从节点进行升降集中控制。阐述了车窗升降的工作模式和功能需求，给出了硬件和软件设计方案。通过使用逻辑分析仪测试，车窗控制模块的通信要求达到了设计标准。
关键词： LIN总线；电动车窗；PIC16F887
       车窗控制系统是汽车的重要组成部分，传统的车窗控制采用的是线束控制，较为简单，并且线束和相关的设备都比较庞大。为了摆脱这种局面，汽车电子技术逐步向整车集成电子化、智能化方向发展，而总线式网络控制技术正是目前汽车网络控制所采用的主要方式。
     根据美国SAE（汽车工程师协会）划分的汽车数据传输分类，汽车车窗控制系统属于A类的面向传感器/执行器控制的低速网络。数据传输位速率通常只有1 b/s～10 kb/s。而在这种速率上采用LIN总线方式的网络控制，正好可以满足其要求，并且LIN总线能节省大量的线束、便于维护和实现汽车诊断功能。本文提出了一种将LIN总线运用到车窗控制系统中的设计方案，并给出系统硬件及软件的实现方法。
1 车窗控制系统的网络结构设计
     本设计主要实现4个车窗的升降功能及车窗防堵转。驾驶员侧车窗开关总成可以控制全车4个车窗的手动升降和自动升降，驾驶员侧车窗安全锁开关可以使能或禁止其他车窗的升降，其他3个车窗的分开关也可以控制各自车窗的升降。
     车窗控制系统采用了LIN总线构建的控制网络，并按照LIN2.0协议规范来编写控制程序。网络框架如图1所示。一个驾驶员侧主节点通过LIN总线和4个车窗从节点进行通信，通信速率为19 200 b/s，4个车窗从节点上带有电机驱动电路，可以驱动车窗电机的运行。
   
   2 硬件系统设计
     从LIN总线的通信方式来说，对硬件的要求并不高，它由基于UART接口的低成本硬件实现，几乎所有的微控制器都具有LIN通信的条件，但对于芯片的选择还需要考虑到性价比和稳定性，这在实际的产品制造中相当重要。
2.1 微控制器的选择
     主节点微控制器的功能主要是对按键进行检测，并按LIN2.0协议的帧格式发送相应控制命令，同时还需具有休眠功能，在无操作时最大限度地节省汽车能源。在本次设计中选择了Microchip公司的PIC16F系列微控制器PIC16F887，具有8 KB Flash、368 B SAM、256 B ROM、增强型USART 模块（支持RS-485、RS-232和LIN 2.0，自动波特率检测，遇到起始位时自动唤醒）、节能休眠模式。其抗干扰能力完全能在汽车复杂电磁环境中正常工作[1]。
     从节点选用PIC16F883，其主要性能和PIC16F887相同，片内容量和引脚数要少于PIC16F887，为28个引脚，不过能满足从节点车窗控制的要求。
2.2 LIN通信接口及电源系统
     LIN总线驱动电路采用了Microchip公司的MCP2021，该器件遵循LIN1.3、LIN2.0和2.1总线规范，并符合SAE J2602规范。宽供电电压，连续情况下可为6.0 V～18.0 V，扩展的温度范围为-40 ℃~+125 ℃，可以与标准的UART器件接口。MCP2021内部包含一个电压调整电路，在温度范围内，可输出电压为5.0 V，50 mA电源，误差为±3%。稳压器采用LDO设计，具有短路保护功能，在输出电压降到3.5 V以下时将关闭输出。MCP2021还具有热关断保护功能。经过特别设计的稳压器可在汽车环境下工作，在电池反向连接、+43 V瞬变负载突降和双电池启动情况下不至毁坏[2]。
     MCP2021在单片机和LIN半双工总线之间提供了物理接口，它针对的是串行总线速度达20 kb/s的汽车及工业应用。MCP2021在单片机和串行网络总线之间提供了半双工、双向通信接口。将CMOS/TTL电平转换为LIN逻辑电平。
     LIN2.0规范要求系统中所有节点的收发器通过LIN引脚连接。以地为参考，从LIN总线到供电电池间的外部终端电阻最大为510Ω。510 Ω电阻对应 1个主节点和 16个从节点。
     LIN接口及电源系统如图2所示。二极管D2用于防止系统电源反接输入对器件产生的破坏，二极管D3和电阻R构成上拉以满足LIN2.0规范中对主节点的要求，从节点则不需要D3和R31构成上拉。24 V瞬态抑制二极管TVS3和TVS4可对器件进行保护，C3、C4为外部电源滤波电容，C6是负载电容。
   
   2.3 从节点电机驱动及A/D采样电路
     目前汽车上的车窗电机可以采用电机驱动IC来实现控制，但成本相对较高。因此，在从节点电机驱动中采用两个单刀双掷继电器组成一个闭合回路，以控制直流电机的正反转从而实现开闭窗操作。具体电机驱动电路如图3所示。通过微控制器的RB2和RB3输出控制信号，以导通三极管来推动继电器动作实现开启和闭合。二极管D3和D4用于保护继电器不被电感释放的反向电流冲击，电阻R4为电流采样电阻，用于车窗上升到顶或下降到底的情况下，电机发生堵转时采样电机的堵转电流。微控制器通过A/D采样值的变化量来判断是否停止电机动作。
   
       图4为从节点主控芯片的复位电路及A/D采样电路，电阻R1和R2为分压电阻，D1和D2为钳制二极管，将输入电压范围钳制在-0.7 V～+5.7 V，以防止芯片端口电压过高损坏。C6、D9和R15构成复位保护电路，AD IN为A/D采样输入通道。