基于LIN总线的车窗防夹控制系统研究-硕士论文

硕士学位论文硕士学位论文 基于 LIN 总线的车窗防夹控制系统研究 RESEARCH ON ANTI PINCH CONTROL SYSTEM OF POWER WINDOW BASED ON LIN BUS 苏苏 洪洪 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2015 年年 6 月月 国内图书分类号：U463.82 学校代码：10213 国际图书分类号：629.11 密级：公开 工学工学硕士硕士学位论文学位论文 基于 LIN 总线的车窗防夹控制系统研究 硕 士 研 究 生 ： 苏洪 导 师 ： 马新军 讲师 申 请学位 ： 工学硕士 学科 ： 电气工程 所 在 单 位 ： 深圳研究生院 答 辩 日 期 ： 2015 年 6 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 Classified Index: U463.82 U.D.C: 629.11 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON ANTI PINCH CONTROL SYSTEM OF POWER WINDOW BASED ON LIN BUS Candidate： Su Hong Supervisor： Lecturer Ma Xinjun Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Electrical Engineering Affiliation： Shenzhen Graduate school Date of Defence： June, 2015 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 电动车窗是现代汽车不可缺少的零部件之一，早期自动升降的电动车窗 不具备防夹功能，车窗关闭过程中的举升力很大，易夹伤乘客，防夹功能是 汽车人性化的重要组成部分，但是由于国内相关技术起步稍晚，与国外有着 很大的差距，技术上的很多空白有待填补。车窗控制器接收传感器反馈的信 号，通过确定车窗的位置与它的受力情况实现夹持判断，但是易受干扰而产 生误动作， 传统的防夹算法， 对于车窗在使用中受到雨雪天气、 密封条老化、 机械磨损、供电波动等因素造成的影响无法适应，导致车窗的防夹甚至基本 功能失效，因此现有的防夹技术还需更多改进。 LIN 仅使用一根信号线，采用单主多从模式，避免了总线报文竞争，传 输速率最高可以达到 20kbit/s， 用户可以直接在网络上增加或去除从机节点， 在汽车中的分布式电子控制系统充当辅助网络，车窗通过 LIN 总线实现远程 控制，且节点可根据总线提供的车况信息自动调整，在汽车高速行驶时自动 关闭，颠簸路面上实现更稳定的防夹，提供更加舒适的乘车体验。本文通过 对 LIN2.2 规范的研究，完成车窗控制网络的设计，并在 CANoe.LIN 环境下 仿真，最终将 LIN 总线应用到防夹车窗上，并对总线功能进行测试。 本文主要研究两种防夹方案，对比分析各自的优势与缺陷，针对车窗结 构的特点，提出了基于电流霍尔方案的摩擦力分离算法，使车窗具备适应环 境变化的能力，减小了误动作发生的概率，简化了车窗的匹配方式，将分离 得到的防夹区摩擦力作为防夹参数，提高了防夹的响应速度，设计了车窗位 置矫正和摩擦力参数的自动更新方法，保证了车窗能够稳定工作，实验测试 中取得了良好的效果。 针对汽车天窗的工作特点，提出了定时计算电机加速度的防夹算法，并 成功移植到开发的产品中，在产线上对天窗的平滑及起翘关闭进行了严格地 测试，防夹力阈值可在线调整，波动范围在 5N 以内，并且可以适应控制电 压的变化，而不会产生误动作。 关键词：电动车窗；防夹算法；夹持力；参数自更新；LIN 总线 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract Power window is one of the indispensable part of the modern automobile, the early power window doesnt have anti-pinch function, the huge lifting force is easy to injure passengers, anti-pinch technology is an important humanized part of car, there are still many gaps in this technology to be filled in, due to domestic technology start late. Anti-pinch technology can be divided into two types, the non-contact type prevent pinch from the viewpoint of vision, but needs more cost, the contact type judge the clamped through the information of sensors, which easily cause misoperation by disturbed., The traditional anti-pinch algorithm couldnt adapt to the environment changes, which is caused by weather, mechanical wear, power supply fluctuations and other factors, resulting in even the basic function and anti-pinch function failure. Therefore, there are still much left to be improved. LIN bus use a single signal line with one master mode, thus avoiding the bus message competition. Transmission rate is less than 20kbit/s. Users can directly add or remove slave nodes in the network, LIN bus act as an auxiliary network in the distributed electronic control system. Window nodes automatic adjust the car condition message through LIN bus, achieving more stable anti-pinch function during the bumps. According to the LIN2.2. Window control LIN bus is designed under the CANoe.LIN environment, finally the bus function is tested. Two method of anti-pinch is researched in this paper, their respective advantages and defect are analyzed. According to the mechanism of the vehicle window, the friction separation algorithm is proposed based on current and hall method, which reduce the probability of the occurrence of the error, and adapt the window to the environmental changes. An auto update method for the correction of window position and friction parameters is designed to ensure the stability of window function, and the experimental tests have achieved good results. An anti-pinch algorithm based on the acceleration of the motor is proposed, for the working features of sunroof, it was successfully transplanted to a product to be developed, the smooth and up-off closure of sunroof has been strict tested in the production line, anti-pinch threshold can be adjusted online. The range of fluctuations is within 5N, and it can be adapted to the change of the control voltage without the false operation. Keywords: power window, anti-pinch algorithm, pinch force, self-update, LIN bus 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题背景及研究的意义 1 1.2 电动车窗发展遇到的问题 1 1.3 国内外研究现状 2 1.3.1 国内外防夹方案 2 1.3.2 车窗防夹的稳定性 4 1.3.3 LIN 总线的发展 5 1.4 本文的主要研究内容 . 7 第 2 章 车窗控制系统的 LIN 总线设计 . 8 2.1 引言 8 2.2 LIN 总线协议规范 8 2.2.1 帧结构 . 8 2.2.2 进度表 . 9 2.2.3 帧的类型 . 9 2.3 车窗 LIN 总线的仿真 10 2.3.1 LIN 总线的网络设计 .11 2.3.2 LIN 总线仿真 .13 2.4 LIN 总线应用程序的设计 13 2.5 车窗 LIN 总线测试 14 2.6 本章小结 15 第 3 章 防夹算法的研究与设计 16 3.1 引言 . 16 3.2 霍尔信号防夹方案 . 16 3.2.1 车窗电机的数学模型 .17 3.2.2 基于卡尔曼滤波的防夹算法 .18 3.2.3 加速度防夹算法 20 3.3 电流霍尔防夹方案 . 21 3.3.1 车窗夹持力的计算.22 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 3.3.2 电机电流数据的获得与处理 .23 3.4 电机转速及车窗位置信息的处理 24 3.4.1 防夹区位置标定 26 3.4.2 堵转识别 27 3.5 颠簸影响分析 . 27 3.6 车窗防夹流程 . 28 3.7 本章小结 28 第 4 章 防夹参数的匹配与自更新方法 29 4.1 引言 . 29 4.2 防夹参数的匹配方法 . 29 4.2.1 防夹参数组成的历史数组 29 4.2.2 动态指数平滑方法的基本原理 .30 4.3 防夹参数的自更新 . 33 4.3.1 车窗运行位置失效分析 .33 4.3.2 车窗运行位置矫正方法 .34 4.3.3 防夹区摩擦力值失效影响分析 .34 4.3.4 防夹区摩擦力值自更新 .35 4.4 本章小结 36 第 5 章 防夹性能实验测试 37 5.1 引言 . 37 5.2 车窗性能测试 . 37 5.3 车窗防夹稳定性验证 . 40 5.4 天窗功能测试 . 40 5.5 本章小结 42 结 论 .43 参考文献 .44 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 47 致 谢 .48 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究的意义 随着汽车技术的不断发展，人们更多的注重于车身的舒适性，汽车车窗 从之前的摇臂式到如今的电动式， 给乘车人员带来了前所未有的便利性体验。 车窗举升力巨大，容易对人体造成伤害，由美国公路交通安全管理局的数据 中可以看到，仅在 1993 年至 2003 年这 10 年内，美国有 23 人被电动车窗夹 死，夹伤事件频频发生1。美国很早就公布了针对预防车窗夹持的相关法规 FMVSS118，规定自 2008 年的 10 月起，所有在北美进行销售的乘用车都要 遵循该法规，欧洲也同样出台了类似的法规 74/60/EEC 这两种法规都明确要 求具有自动上升功能的车窗在发生夹持时能自动回退，释放障碍物，夹持时 对障碍物施加的力量不能超过 100N2，以确保不会夹伤人体，同时也起到电 机的自我保护作用，避免过载损伤电机。 我国 2012 年颁布的机动车运行安全技术条件中也有对电动车窗的规定， 对于装有电动车窗的机动车，控制器在车窗上升过程中能够使其可靠停止， 当车窗遇到障碍物能够控制车窗自动下降3。 车窗的控制方式可以分为本地控制和远程控制，远程控制是指通过组合 按键控制其他座位的车窗，传统的工作方式是点对点式操作，弊端较多，LIN 总线只需一根线束就可以完成控制需求，它对硬件的要求不高，数据传输可 靠，车窗防夹技术以及车窗的维护和控制都得益于良好的总线通信服务4。 车窗控制系统作为车身网络控制系统中的一个重要组成部分，它的存在 提高了汽车的智能化程度，而总线、防夹技术上的一些问题亟待解决，需要 深入的研究，国内许多研究人员及汽配设计公司都在相关的开发上面投入了 大量的精力，本文的研究在于实现准确快速的防夹，简化车窗匹配模式，提 高车窗的自适应能力，最终实现电动车窗的安全可靠运行，具有重要实用价 值。 1.2 电动车窗发展遇到的问题 国内外大部分车型都装配了电动车窗，甚至是电动天窗，虽然在宣传中 厂商都提及了防夹功能，但是在后续的媒体报道中，经常可以发现，会有防 夹功能失效，或者控制失灵的情况，仍然会有夹伤事故发生。目前市场上的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 电动车窗需要很多的人力和物力去维护，不可靠的防夹功能给用户及汽车制 造商带来了不少麻烦，国外的几大汽车零配件制造厂商掌握着防夹技术的关 键，它们不断地冲击着尚处于起步阶段的国内市场，国内对于防夹算法的研 究距离国际水平还有很长的一段的距离5。车窗的驱动方式基本都是通过车 用继电器来实现的，因此各种控制器在硬件上的区别很小，差异几乎都体现 在防夹策略以及防夹算法的设计上，国内外主要的研究方向是车窗夹持的准 确识别，防夹算法的稳定性，以及车窗控制网络设计这三个方面。 车窗夹持的准确识别要求在车窗夹持障碍物时，控制器能准确的对夹持 力进行识别，这对于复杂的车窗工作环境来说意义重大，过大的夹持力识别 偏差会造成车窗控制异常，同时要求车窗位置计算准确，能够满足防夹区的 设定。车窗导轨变形，温度剧烈变化，雨雪、沙砾附着在车窗玻璃及滑轨上， 车窗机构老化磨损变形等这些必然存在的现象6，它们对防夹判断有着重大 的影响，改变了车窗固有的受力信息，如果防夹算法不针对这些变化做出调 整，那么防夹的判断就不再可靠。车窗出厂后并不具备防夹功能，需要一个 人工操作的过程，使控制器获得防夹参数，根据传感器的不同，防夹参数的 数据类型也有所区别7。防夹参数的匹配通常只能使用在特定款式车型上， 在其他规格的车窗条件下需要修改算法才能完成匹配，同时要求人去参与匹 配过程，这增加了生产的时间和人力成本。在防夹参数失去有效性后，需要 更多的成本来重新匹配，为防夹参数设计自动更新的方法就显得极为关键。 4 个车窗及天窗要求可以通过主驾的按键直接控制8，此外车窗节点需 要获得点火信号以及车速信号， 传统的点对点通信方式增加布线难度和成本， 制约了车内空间，LIN 总线技术可以解决线束的问题，并提供诊断服务。LIN 总线的设计出发点是针对车上一些传感器信号及开关型器件控制等的应用， 但是因为在大多数文献中，对 LIN 总线的开发关键的部分没有进行充足的研 究，造成对 LIN 总线使用的不标准化，缺少对具体的 LIN 总线网络的设计， 这些让初次接触总线技术的设计人员走了不少的弯路9。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 国内外防夹方案 目前国内外出现的防夹策略可以分为两大类，一类是接触防夹：车窗玻 璃与障碍物之间接触挤压， 针对判断挤压过程传感器信号的变化来实现防夹； 另一类是视觉防夹：障碍物靠近玻璃时产生信号，提前停止关窗动作，不发 生挤压10，这种方式不会对人体造成的伤害，但是成本高且控制难度大。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 早在 2004 年，美国德尔福（Delphi）公司曾宣布开始量产他们所开发的 红外线非接触式车窗控制系统“Smart Window”如图 1-1 所示，其工作原理 是在窗框上埋置红外线传感器，由此监视障碍物，实现防夹，目前市场这一 类车窗并不常见，究其原因，也就是成本过高，不被当前市场所接受11。 红外线传感器 图 1-1 Smart Window 文献12中介绍了一种成本相对低一点的非接触防夹方案，将红外线装 置替换成廉价的电容装置， 以介电常数的变化来评判该区域内是否有障碍物， 计算传感器的电荷量来判断车窗的位置，同红外线类似，面对烟雾、雨雪以 及空气中的特殊物质，很可能产生错误的判断，使车窗控制增加了难度。 目前市场上主流的防夹技术还是接触式防夹，但都不是直接测取车窗对 障碍物的压力，而是以电机为对象，通过电机反馈的信号识别出夹持状态， 这样可以节省来自压力传感器的成本13。 基于电机角速度的防夹算法最早由 Markus G 和 Kliffken 提出14，在电 机转子端部固定磁环，磁环周围埋置了开关型霍尔传感器，电机旋转时霍尔 传感器输出脉冲信号，脉冲信号的宽度为电机旋转特定角度所经过的时间， 一旦发生夹持，电机转速下降，脉冲宽度增大，继而实现防夹。之后 Ra W 和 Lee H 通过建立电机的物理模型，采用 H滤波的方式确定转矩变化的阈值， 当转矩变化率高于稳态最低转矩变化率的 74%时，可以判定为车窗夹持障碍 物，立刻对电机提供反转控制释放障碍物15。 车窗使用的传动机构惯性大，电机的转速变化缓慢，可以准确的反映车 窗受力的趋势，但是因为成本问题，转子磁极个数较少，整个系统的响应速 度较慢，更重要的一点是仅由转速很难计算出车窗夹持力的大小，靠实验数 据进行估算，带来的后果就是，测得的夹持力的变化范围很大，即便没有超 过防夹规定的 100N，也会造成一定的伤害16。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 为了提高系统对夹持状态的响应速度，同济大学英飞凌实验室的科研人 员提出了一种无霍尔传感器的方法，车窗的电机在运行时，电流中存在着一 种纹波17，如图 1-2 所示，纹波来自于电机换向，电机旋转一周时，电流中 会有固定数量的纹波，纹波的数量就与车窗的行程对应上，他们提供了一种 方便的纹波计数方法，捕捉纹波中的跳变沿，获得纹波数量。 时间（s） 电流（A） 车窗位置（mm） 图 1-2 电流纹波方案 通过电流的平均值的大小判断是否夹持，纹波信息提供车窗位置。由于 电机中各个元件之间的电磁干扰，导致电流中产生很多的毛刺，这对纹波的 识别来说是很大的干扰，而且在车窗达到机械停止位时，纹波更难捕捉，位 置信息不可靠，最终会造成控制失效18。Atmel 公司提出了一种电流与霍尔 信号同时使用的方案，具备电机电流对转矩的快速响应，同时具有准确的位 置判断信号，通过实验将夹持时电机电流设定为阈值，车窗上升过程中，当 采样电流大于阈值时就判断为夹持状态，良好的位置信息是实现这个方案的 基础19，此方案是以电流值得大小为判断标准，对于夹持力的大小却很难准 确计算得到，电流不规则波动对于判断来说也是一个挑战。 1.3.2 车窗防夹的稳定性 国内市场的汽车所使用的车窗大多都不具备自学习的功能，其原因是自 学习的开发有一定难度，且可靠性不高。车窗在出厂时会进行一次初始化， 以转速变化方案为例，初始化就是为了确定车窗的各个特征位置，如机械停 止位和密封胶条位置，标定好了位置初始化完成，在有的方案中会记录关窗 过程中的速度变化情况，被保存为防夹参数，当位置信息因为长期使用导致 的误差累计严重时，防夹功能就不再可靠，甚至造成无法关闭车窗，这个时 候用户多为返修车窗，或者车窗再次初始化，需要一定复杂的步骤实现，浪 费了很多时间，很多研究都针对这些问题开展，文献20提出了建立工作环 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 境数据库，通过预估车窗当前工作情况，利用总线的通讯功能将经验表内的 数据填入，实现控制器对环境的适应功能，显然这种方法耗时且无法移植。 文献21使用的是基于速度变化的防夹算法，提出了使用 PID 调节车窗关闭 速度的方法来提高系统的自适应性，但是因为速度变化算法响应慢的问题， 同时在电机驱动电路中需要添加更多的功率器件，使控制器的成本提升，这 些都使得这个方案并不能适用在电动车窗控制上，目前的研究还无法很好的 处理防夹稳定性的问题，文献22中提出了一种自动防夹匹配的方法，用既 定程序代替人力完成复杂的初始化，提供一种线下的维护方法，因为市场上 制造防夹车窗的过程中都会在线上完成车窗的匹配，仅仅依靠自动匹配并不 能缩短生产时间，所以将初始化的步骤精简是匹配效率提升的关键，为客户 提供方便自行操作的再初始化入口， 省去因防夹参数失效而造成的维修成本。 1.3.3 LIN 总线的发展 1996 年，Volcano 通讯（VCT）同 Volvo 公司开发了一种基于 UART/SCI 的协议，名为 Volcano Lite，第二年，Motorola 加入，帮助改进了协议，使其 满足各种不同的需求，如无需晶振的从机设备自动同步等，1998 年年底， Audi、Daimler Chrysler、Volkswagen 及 BMW 等公司宣布加入，共同组成了 LIN 协会23。开发 LIN 标准的目的是为了适应分层车内网络在低端的需求， LIN 主要经历了以下 6 个版本的发布和更新，如表 1-1 所示： 表 1-1 LIN 总线版本修订历史24 发布时间 发布内容 1997/07/01 1.0 版本发布 2002/12/13 1.3 版本发布，对物理层做了修改，提高了节点兼容性 2003/09/16 2.0 版本发布，配置诊断标准化，规定节点性能文件 2006/11/24 2.1 版本发布，澄清、配置修正，传输层增强，提升诊断功能 2010/12/31 2.2 版本发布，针对 2.1 版本文档的更新，以及一些小的改动 2010/12/31 2.2A 版本发布，2.2 版本中唤醒信号描述的修正 LIN 总线在汽车中通常要与上层网络相连，而不独立存在，LIN 总线协 议的主要特点： （1）单主多从的模式，无需总线仲裁。 （2）基于通用 UART/SCI 接口，仅用一根线进行信号传输，节省成本。 （3）从节点不需要石英，可以实现自同步。 （4）信号传输速率最最大为 20kbit/s，这样做是为了限制 EMI。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - （5）基于应用程序的交互信号。 （6）配置的灵活性，增加或减少网络节点无需更改软件及硬件设置。 （7）节点的操作行为具备可预测性。 （8）信号具有确定性，任意信号的时间可以提前算出。 图 1-3 显示汽车各个总线传输能力以及成本对照， 总线的传输能力越高， 它的成本也就越高，而在很多的实际应用中，一般的或者较低的传输速率就 可以满足要求，LIN 总线以相对比较低的成本在分布式网络中占据了一定的 优势25。 Speed 100M 10M 1M 100k 10k 1k SAE J2602 LIN2.2 SW CAN FT CAN HS CAN FlexRay MOST Ethernet MOST150 Cost 图 1-3 常见的汽车总线 SAE（Society of Automobile Engineering，汽车工程师协会）根据位速率 对汽车网络进行了如表 1-2 所示的分类： 表 1-2 汽车网络分类 网络分类 位速率 应用 A 类低速网络 1Mbit/s 多媒体应用 如今 LIN 总线已经占据了 A 类网络的主要位置。历经 10 余年，它目前 主要应用于车门、车窗、空调、天窗、雨刷器和雨量传感器、座椅、车灯及 后视镜等，这些应用对速度和可靠性要求相对较低26。 现在的汽车网络为分层网络，通过网关实现上下级通信，车窗 LIN 总线 网络位于最底层27， 每个车窗控制器都是一个从机节点， 负责完成从机任务， 对所属车窗进行升降控制，而主机节点负责实现上层网络和 LIN 网络通信的 任务，同时检测位于主驾驶位置的集中控制按键组，对于具备远程控制功能 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 的车窗系统，当红外远程遥控信号输入接收器后，接收器节点还要负责将信 号翻译，并发布到总线上28。 LIN 总线的开发需要建立在网络设计的基础上，通常借助于 CANoe.LIN 完成 LIN 总线的设计29，软件来自 Vector Informatik 公司，它是全球领先的 分布式系统设计开发工具、 网络节点测试验证工具和嵌入式软件组件提供商， 为总线网络的设计、建模、仿真、分析、测试以及网络节点的开发、测试、 标定和诊断等过程提供一系列强有力的软硬件工具和组件， 支持 CAN、 LIN、 MOST、FlexRay、CANopen、SAE J1939 等多种总线系统和协议，在全球范 围内，来自汽车业、商用车业、运输业和控制工程业的客户都在应用 Vector 提供的解决方案和产品 30，开发 LIN 总线需要编写对应的 LDF（LIN Description file）文件31，LDF 文件描述了一个完整的 LIN 网络，设计 LDF 文件既为设计车窗控制网络。 1.4 本文的主要研究内容 国内的车窗防夹技术还不是很成熟，电动车窗的匹配方式有待改进，防 夹的易失效造成了极大的困扰，本文主要研究了车窗控制系统的通信方式， 车窗机械结构，各防夹方案所使用的算法的优劣，车窗启动及堵转对防夹判 断的影响，本文主要进行的研究内容如下： （1）对 LIN2.2 协议规范进行研究，设计标准化的 LIN 总线网络，在 CANoe.LIN 平台上对网络进行仿真测试，评估网络性能，设计各节点故障诊 断的方法，并将网络应用到车窗控制上。 （2）对两种主流的防夹方案进行分析，比较各方案的优缺点，针对车窗 和天窗进行防夹算法设计，并设计相关实验测试防夹性能。 （3）设计车窗匹配模式，提高防夹响应速度，分析堵转和夹持两种状态 下的数据特征，设计模式识别方法，解决因启动电流造成的判断错误。 （4）分析车窗位置信息和车窗摩擦力信息失效对防夹的影响，设计位置 矫正的方法和摩擦力自动更新方法，设计实验验证系统的稳定性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 第 2 章 车窗控制系统的 LIN 总线设计 2.1 引言 在实际要求中，电动车窗控制器需要获得驾驶员的钥匙点火信号后，才 具备各种功能，并要求控制单元可以将诊断信息发布到总线上，车窗控制对 于实时性要求很低，宜采用 LIN 总线完成各控制器的互联，本章从实现车窗 的基本功能为起点，首先对 LIN2.2 规范进行研究，在 CANoe.LIN 环境下设 计车窗控制网络，仿真评估网络性能，结合实际的应用情况，完成各节点应 用程序设计，通过实验结果去验证设计的合理性。 2.2 LIN 总线协议规范 2.2.1 帧结构 一个完整的帧包括帧头和应答两部分，响应过程如图 2-1 所示。 帧头 （HEADER） 应答 （RESPONSE） 帧头 （HEADER） 应答 （RESPONSE） 从机任务1 从机任务2 主机任务 帧1 帧2 图 2-1 LIN 总线帧的传输 如图 2-2 所示，帧的具体内容，包括同步间隔场、同步场、PID 场，数据 场以及校验和场。 CHECK SUM 同步场PID场数据场校验和场 帧头应答 DATA8DATA1PID . 显性或隐性位帧间隔应答间隔字节间间隔 同步场间隔场 图 2-2 帧的结构 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 2.2.2 进度表 进度表是 LIN 总线的关键部分，为了保证总线不会处于过载的状态，同 时保证信号完整的周期性，作为帧的调度表，它规定着帧传输次序和传输时 间，如图 2-3 所示执行一个进度表的最后一帧后，由下一进度表的第一针作 为入口继续执行，总体上是一个首尾相连的循环过程，在执行某些进度表时 会发生中断，如事件触发帧的冲突，这时要执行中断进度表后才能返回32。 第1帧 . 第n帧 进 度 表 A 第1帧 . 第n帧 进 度 表 B 第1帧 . 第n帧 进 度 表 C 三个进度顺序执行 第1帧 . 第n帧 进 度 表 A 单个进度表循环执行 事件触发帧 发生冲突 第n帧 . 冲 突 解 决 进 度 表 进度表发生中断 关联的无条件 第1帧 关联的无条件 第n帧 图 2-3 进度表循环 帧时隙是进度表规定的连续两个帧帧头的时间间隔，帧时隙必须是时基 的整数倍，在进度表内规定了帧时隙的大小。 Frame_Slotbase TnT (2-1) 式中 Frame_Slot T帧时隙（s） ； base T时基（s） ； n间隔数。 2.2.3 帧的类型 （1）无条件帧 它具有单一发布节点，一旦发出，报头都会被无条件 应答。无条件帧是在主机任务分配好的固定帧时隙中传输的，如果没有接收 到应答，可视为网络出现错误。无条件帧是最主要的帧类型。 （2）事件触发帧 它的引入是为了减小带宽的占用，可以避免主机任 务逐个询问从机任务的信号情况，它允许只有报头而无应答的情况，而如果 有多个从机对此帧头应答就会产生冲突，这是事件触发帧的一种特殊情况。 如图 2-4 所示，当发生冲突时主机节点放弃此次查询，当前进度表中断，启 动冲突解决进度表，调用所有关联的无条件帧开始以轮询的方式等待应答。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - Slave 1MasterSlave 2 ID=0x10 ID=0x11 ID=0x10 ID=0x10 主机帧头发送方向 帧时隙 从机响应发送方向 ID=0x12 总线竞争 进入关联进度表 图 2-4 事件触发帧 （3）偶发帧 只能由主机节点发布，它的应答关联着一组无条件帧， 这些帧共享同一个帧时隙，它是当前时隙中自身关联信号发生变化时自动向 总线发送的帧，当多个信号发生变化时，可以通过预先设定好的优先级来仲 裁决定发送哪一个关联无条件帧，当所有关联的无条件帧的信号没有发生变 化时，该帧时隙总线静默如图 2-5 所示。 Master Slave 关联信号未更新，该帧 时隙保持静默 关联帧0x22中有信号更新，该 帧时隙发送关联帧 关联帧 0x22中 信号发 生变化 图 2-5 偶发帧 （4）诊断帧 包括主机请求帧和从机应答帧，用于配置识别和诊断， 其数据段规定为 8 个字节。 2.3 车窗 LIN 总线的仿真 车窗控制系统的基本需求如下。 （1）手动及点动升降 按下车窗开关下降或上升键时间小于 300ms， 为点动升降操作， 车窗自动执行升降动作， 大于 300ms 手动升降， 松手即停， 在自动升降过程中按下上升或下降键，车窗停止升降。 （2）主驾驶位远程控制 主驾驶位远程控制按钮对其他的车窗或者天 窗远程控制，同时具备禁止或允许它们的本地控制的功能。 （3）诊断功能 霍尔元件故障的诊断，电机过流诊断和开路诊断。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - （4）点火信号检测 点火信号由上层网络通过 BCM 或者从 I/O 口获 得，主节点在车窗 LIN 总线发布点火信号。 （5）速度信号检测 主节点监测汽车速度信号，汽车高速行驶时，为 了提高乘车舒适度，所有的车窗都会自动关闭，而在颠簸路面上，速度信号 有明显波动，各节点控制器更改防夹策略，以提高系统的稳定性。 （6）防夹功能 车窗遇到阻碍自动回退，避免关闭时夹伤人体。 2.3.1 LIN 总线的网络设计 车窗网络采用 5 个节点的方案，1 个主节点置于主驾驶车窗位置，其余 4 个从节点分布在其他车窗位置，网络结构如图 2-6 所示。各从机任务负责 管理本地的车窗电机控制，主节点通过驾驶员处的组合按键实现对其他节点 的远程控制。在此结构下，建立 LDF 文件，首先是对 LIN 版本、语言规范以 及总线位速率的声明， 本次设计采用 LIN2.2 版本协议， LIN 语言版本为 2.2， 位速率 9.6kbit/s。 Master taskSlave task Slave taskSlave task Slave task LIN Bus Master Node 左前窗 Slave Node 右前窗 Slave Node 左后窗 Slave Node 右后窗 Motor Motor Motor Motor 图 2-6 车窗控制网络结构 2.3.1.1 节点定义 GWI 作为主节点，四个从节点分别为 Win_FL、Win_FR、Win_RL 和 Win_RR，分别控制四个车窗，时基设定为 1ms，抖动时间设定为 0.1ms，主 节点地址定义为 0x01，产品代码设为默认值。 2.3.1.2 信号定义 将信号分为控制信号和数据信号，各信号位于指定的帧中，长度和初值 由此定义，具体设置见表 2-1。 （1）数据信号 包括各个车窗位置数据，故障数据和主节点提供的车 速信号。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - （2）控制信号 包括汽车点火信号 KEY，各节点升降键信号以及中控 锁信号 LOCK，手动信号还有按键释放信号。 表 2-1 车窗信号设置 信号 初值 发布 节点 起始位 （bit） 长度 （bit） C_FL 000 GWI 0 3 C_FR 000 GWI 3 3 C_RL 000 GWI 6 3 C_RR 000 GWI 9 3 KEY 0 GWI 12 1 LOCK 0 GWI 13 1 SPEED 0x00 GWI 14 8 P_FL 0xFF Win_FL 0 8 P_FR 0xFF Win_FR 0 8 P_RL 0xFF Win_RL 0 8 P_RR 0xFF Win_RR 0 8 FL_error 0x00 Win_FL 8 8 FR_error 0x00 Win_FR 8 8 RL_error 0x00 Win_RL 8 8 RR_error 0x00 Win_RR 8 8 按键信号 000 代表手动按键释放，001 和 100 为电动升降，110 和 011 为 手动升降按下，错误标志信号中第一位表示电机短路故障，第二位表示电机 开路故障，其余的表示霍尔传感器故障。 2.3.1.3 进度表定义 如表 2-2 所示，进度表 1 内共设置 4 个无条件帧，FL01、FR01、RL01、 RR01，还有一个偶发帧 GWI01，数据场为 3 个字节，四个无条件帧为从节点 返回数据帧， 数据长度定义为 2 个字节， 返回信号有 2 个， 一个是错误标志， 另一个是车窗位置，网络延迟时间均为 10ms。 表 2-2 进度表 1 帧属性 FL01 FR01 RL01 RR01 GWI01 发送周期（ms） 5 5 5 5 5 数据长度（字节） 2 2 2 2 3 标识符 0x03 0x04 0x05 0x06 0x01 帧时隙位置 02 03 04 05 01 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 13 - 2.3.2 LIN 总线仿真 如图 2-7 所示，将 4 个节点和网络数据库 LDF 文件添加到在总线网络 上，网络通道选取 LIN1。 图 2-7 网络配置界面 在进行节点仿真时，通过 CAPL（CAN Access Programming Language） 语言编写节点应用程序，利用 Panel Designer 工具使仿真的过程可视化，为 了模拟车窗关闭过程的时间特性， Trace 窗口中设置显示各车窗位置以及主 节点控制信号的数据，在网络管理窗口可以对总线进行休眠和唤醒的操作负 载率在工作过程中没有发生变化，过高的负载率会带来隐患，可能发生超载 甚至会丢弃低优先权的指令，可能使车身网络系统工作异常，本次设计的网 络的负载率为 29.16%，满足要求。 2.4 LIN 总线应用程序的设计 LIN 总线的开发流程如图 2-8 所示，将 LDF 文件和 NPF（Node Private Description File，节点性能文件）通过节点设计工具生成 Node Configuration Code（节点配置代码） ，将其和驱动文件一起下载到目标中33。 节点配置工 具 LIN节点性能文件 （LDF 文件） 节点性能描述文件 （NPF文件） 节点配置code LIN 驱动文件 编译 器 下载程序到目标 图 2-8 LIN 总线开发流程 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 14 - 在应用程序设计中，主节点使用定时器来实现进度表功能，调用 l_sch_tick 函数使总线的状态回到进度表入口，将节点性能描述文件写入 MCU，主节点应用程序结构如图 2-9 所示。 点火信号 N 发布进度表 处理总线信号 Y 扫描按钮 修改控制信号 唤醒总线 4s内有 信号发生变化 Y 进入休眠模式N 帧时隙到来 图 2-9 主节点应用程序 从节点的程序中需加入等待点火信号，同时在帧 GWI01 到来时根据各 自的按键命令，实现远程控制，该节点可根据反馈的电机信息，分析车窗的 故障，再之后该从节点帧时隙到来时，发布车窗位置以及故障信息。 2.5 车窗 LIN 总线测试 获得点火信号前， 各节点不受 LIN 总线上的按键信号的控制， 当 KEY 为 1 时，从节点接收来自总线信号的控制如图 2-10 a)所示，4s 内 GWI01 没有 信号变化，主节点将进度表切换到 LI0_GOTO_SLEEP，总线进入休眠状态如 图 2-10 b)所示。 a) 进度表 1 b) 总线进入休眠模式 图 2-10 总线信号 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 15 - 如图 2-11 a)为帧的波形，位间距为 200s，输出的位速率为 5000bit/s， 校验场数据如图 2-11 c)所示，为增强型校验码 0x49，数据准确性得到验证。 a) 帧 b) 帧头 c) 校验场 图 2-11 帧信号 因为 GWI01 是偶发帧，只有帧内信号发生变化时，该帧才发送，否则该 帧时隙为空闲。通过手动及点动方式控制各个车窗动作，手动模式下，松手 车窗立刻停止，点动升降过程中按下反向按键后车窗立刻停止，在 GWI01 没 有信号变化的时间内，示波器只显示进度表 1 的其他 4 个无条件帧，当任意 按键出现动作，该帧时隙立即出现 GWI01，总线信号 4s 内不发生变化，主节 点控制总线进入休眠模式，休眠模式下，按下任意节点按键，200ms 后总线 恢复至进度表 1。将从节点的车窗电机开路，可以看到 FL01 的 FL_error 的 第二位由 0 变为 1， 在另一种情况下， 将霍尔信号 1 断开， FL_error 变为 0x04。 2.6 本章小结 本章针对 LIN 总线协议特点， 重点分析了 LIN 总线规范的协议层及网络 管理，通过 LIN 总线的 LDF 文件的编写，完成网络设计，在 CANoe.LIN 上 对网络进行仿真，车窗网络性能良好，满足需求。根据 LIN 总线规范，将设 计的 LIN 总线应用到车窗控制器上， 最后对控制器的 LIN 总线进行了功能测 试，总线符合车窗控制需求及标准化要求。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 16 - 第 3 章 防夹算法的研究与设计 3.1 引言 近几年， 国内取得了很多关于车窗防夹算法的研究成果， 诸如鲁棒控制、 模糊控制、自适应控制等都应用于此34，这些研究都基于理想化的假设，算 法的复杂度过高，使得它们无法应用到实际的工程中来，为了解决实际的问 题，保证防夹效果，需要调整防夹策略，以夹持力本身为出发点进行研究。 本章主要研究两种防夹方案，分析它们各自的优劣，并针对车窗和天窗 设计适用的防夹算法，重点研究夹持力计算的实现方法，设计了堵转识别方 法，计算出系统的脉冲当量，完成对车窗位置的准确跟踪，并结合 LIN 总线 设计了颠簸路面的控制方法。 3.2 霍尔信号防夹方案 车窗玻璃跟随滑块在导轨上做升降运动， 电机通过蜗杆、 齿轮、 联轴器、 滑索以及滑轮从而驱动滑块在滑轨上滑动，车窗电机由继电器驱动，机构原 理如图 3-1 所示。 电机 车窗玻璃 滑轨 滑轮 蜗杆联轴器导轮 滑索 滑块 密封胶条 图 3-1 车窗机械结构 开关型霍尔元件是一种常见的磁电转换元件，其主要特点是响应快、工 作频率高、功耗低，但是霍尔信号本身存在误差，即使它的测量非常准确， 但是霍尔元件的安装误差、定子线圈或者转子磁极加工产生的误差，都会影 响使用效果。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 17 -