PIC單片機在汽車電動車窗控制器中的應用

     隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子產(chǎn)品裝載到汽車上，極大地提高了汽車的動力性和舒適性，同時也增加了車內(nèi)布線的難度和成本。CAN（Controller Area Network）作為一種串行數(shù)據(jù)通信總線，由于具有良好的可靠性、實時性及靈活性，已經(jīng)成為國際標準（ISO11898），在汽車電子系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。

　　目前，在CAN系統(tǒng)設計中，使用最多的是單片機外掛獨立的CAN控制器，如Philips公司的PCA82C200、SJA1000以及Intel公司的82526、82527等芯片。但是采用此類芯片的設計方案不利于系統(tǒng)集成化。本文以Microchip公司內(nèi)部集成的CAN模塊PIC18F258單片機為核心，介紹CAN總線電動車窗控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)及軟件設計流程。由于PIC18F258單片機對CAN收發(fā)器PCA82C250進行數(shù)據(jù)操作時只需要TXD、RXD兩條數(shù)據(jù)線，這樣就大大簡化了硬件電路的設計，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　1 電動車窗控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的構(gòu)成

　　電動車窗控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡共有4個CAN節(jié)點電子控制器，分別是：左前門主控制器、右前門子控制器、左后門子控制器、右后門子控制器。采用CAN總線通信技術(shù)可以實現(xiàn)4個車門控制器之間的通信,如圖1所示。

　　操作主控制器除了可以控制駕駛員的車窗玻璃升降外，還可以通過CAN總線控制其余乘客車窗玻璃的升降，同時子控制器也可控制各自位置車窗玻璃的升降。主控制器由Microchip公司的內(nèi)部集成了CAN模塊的PIC18F258單片機、6N137高速光電耦合器、PCA82C250總線收發(fā)器等三個主要部分組成?？紤]到設計成本和軟件編程的方便性，子控制器選用了與主控制器相同的芯片，且具有相同的硬件電路結(jié)構(gòu)。

　　2 功率驅(qū)動芯片及其應用電路

　　Motorola公司的功率驅(qū)動芯片MC33486以其強大的功能和優(yōu)異的性能在汽車電子中得到了廣泛的應用。此芯片的應用模式為橋式結(jié)構(gòu),芯片內(nèi)部有2個高端MOSFET驅(qū)動管MOS1、MOS2，外接2個低端MOSFET驅(qū)動管MOS3、MOS4組成一個完整的H橋，實現(xiàn)車窗電機的正、反向控制。同時，利用Cur R端的電流鏡像功能可方便地實現(xiàn)過流保護和車窗的防夾功能，如圖2所示。

　　OUT1和OUT2是MC33486的兩個高端輸出引腳，直接驅(qū)動車窗電機M。IN1和IN2受微控制器的控制。當IN1為高電平‘1’，IN2為低電平‘0’時，相應的GLS1輸出低電平，GLS2輸出高電平，此時MOS1、MOS4導通，MOS2、MOS3截止。OUT1輸出正電壓而OUT2接地，車窗電機朝某一個方向運轉(zhuǎn)。反之，當IN1為低電平‘0’，IN2為高電平‘1’時，相應的GLS2輸出低電平，GLS1輸出高電平，此時MOS2、MOS3導通，MOS1、MOS4截止。OUT2輸出為正，OUT1接地，車窗電機反轉(zhuǎn)，達到升降車窗玻璃的目的。此外，MC33486在待機模式下有非常低的靜態(tài)電流，在正常工作時的輸出電流為10 A，最大峰值電流為35 A，直流輸入電壓的范圍較寬，可達8 V~28 V。當電壓高于28 V時芯片具有過壓保護功能。由于該器件性能完善，因而可減小電動車窗控制器的體積，提高EMS（電磁兼容）特性。

　　3 CAN控制器硬件電路設計

　　對電動車窗控制器硬件電路設計的總體要求是系統(tǒng)簡單、容易實現(xiàn)、性能穩(wěn)定可靠，在滿足要求的情況下盡量降低成本。

　　CAN通信系統(tǒng)硬件電路主要由三部分組成：PIC18F258單片機、6N137高速光電耦合器、PCA82C250總線收發(fā)器。電路原理如圖3所示。

　　PIC18F258是美國Microchip公司生產(chǎn)的內(nèi)部嵌有CAN總線控制器的高性能PIC系列單片機，由于其超小型、低功耗、低成本、多品種的特點，其應用范圍十分廣泛。PIC18F258是集成了CAN模塊的微控制器,有著先進的精簡指令集構(gòu)架、增強型內(nèi)核、32級堆棧，片內(nèi)具有Flash程序存儲器、EEROM數(shù)據(jù)存儲器、自編程功能、在線調(diào)試器（ICD）和多種內(nèi)部、外部中斷源，并采用了程序和數(shù)據(jù)空間完全分開的“哈佛”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)大大降低了PIC微控制器的總體成本，同時提高了運行效率。在電路中，PIC18F258單片機是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN總線上數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的分解及組合，保證通信的正常暢通。

　　PCA82C250是Philips公司的CAN總線接口芯片，是CAN控制器與物理總線之間的接口，提供對總線的差分發(fā)送和接收的功能,它與ISO11898標準完全兼容，有三種不同的工作方式,即高速、斜率控制和待機，可以根據(jù)實際情況加以選擇，在本方案中選擇高速工作方式。該芯片引腳少，使用簡單。CAN總線采用PCA82C250芯片作為與總線之間的接口，PCA82C250的CANH、CANL引腳各自通過一個電阻與CAN總線相連，電阻可以起到一定的限流作用，保護PCA82C250免受過流的沖擊。另外，CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個小電容，可以濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射。光電耦合器采用General Instrument公司生產(chǎn)的高速邏輯門輸出光電耦合器6N137，它的最大傳輸延遲時間是75 ns，典型值是46 ns，采用6N137高速光電耦合電路可以很好地實現(xiàn)總線上節(jié)點之間的電氣隔離,同時可提高系統(tǒng)的抗干擾能力和傳輸信號的能力。使用時，光電耦合器的兩個電源VCC和V′CC必須采用電源隔離電路進行完全隔離。

　　4 CAN通信系統(tǒng)軟件設計流程

　　軟件設計是系統(tǒng)設計的關(guān)鍵。使用開發(fā)軟件MPLAB IDE、仿真器ICD 2，以及靈活簡便的C語言。為了提高可靠性和可理解性，內(nèi)部軟件設計采用了模塊結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、系統(tǒng)初始化子程序、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序、數(shù)據(jù)接收子程序和電機控制子程序。此外，還應有中斷服務子程序、A/D采樣子程序、故障診斷子程序和終端子程序等。這里主要對系統(tǒng)初始化子程序和電機控制子程序進行探討。

　　系統(tǒng)初始化子程序是系統(tǒng)設計工作中極為重要的部分，它是CAN總線系統(tǒng)正常工作的前提，關(guān)系到整個CAN系統(tǒng)能否正常工作。因此，初始化設計是一個重點，主要包括CAN模塊工作方式的配置、接收濾波器的設置、接收屏蔽寄存器設置、波特率參數(shù)設置、發(fā)送優(yōu)先級設置和中斷允許寄存器設置等。初始化子程序流程如圖4所示。

　　對電動車窗的控制可分為軟啟動、滿PWM輸出、續(xù)流和停止4個階段。其中包括對電動車窗“手動/自動”控制的判斷和處理、車窗上升到頂或下降到底的判斷和處理、車窗防夾的判斷和處理等，其工作流程如圖5所示。程序初始化完成后，在按鍵端口掃描到有上升或下降按鍵輸入的控制命令后，主程序調(diào)用電機控制子程序，車窗電機進入PWM軟啟動階段。PWM軟啟動分為10步，每步20 ms，占空比從10%逐漸增加到100%。隨后電機進入上升或下降的工作狀態(tài)。電動車窗采用PWM控制方式后，啟動較為平穩(wěn)，啟動快速性好。

　　車窗的防夾功能是利用功率芯片MC33486的Cur R輸出端所具有的負載電流線性鏡像功能實現(xiàn)的。Cur R端能夠輸出與車窗電機負載電流Iload成比例的監(jiān)控電流ICur R，有如下數(shù)學關(guān)系：

　　將此電流轉(zhuǎn)化為電壓輸入到PIC單片機的A/D采樣端，能夠完成對車窗電機的控制，實現(xiàn)電動車窗的防夾功能。

　　網(wǎng)絡化控制是現(xiàn)代汽車電子控制的發(fā)展趨勢。相對于傳統(tǒng)的控制方式，采用CAN總線的電動車窗控制系統(tǒng)可以減少車內(nèi)的線束。同時可以通過軟件編程在不改變原有網(wǎng)絡硬件結(jié)構(gòu)的前提下,增加許多功能。PIC18F258單片機內(nèi)部集成了CAN控制器，可以在線編程。用該芯片設計而成的電動車窗控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠，經(jīng)實際裝車試驗，系統(tǒng)的各項功能都得到了很好的實現(xiàn)，為系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化實施奠定了基礎。