基于LIN总线的电动车窗设计.doc

西华大学毕业设计说明书目录摘要3abstract3绪论51、课题研究目的及意义52、课题相关技术的现状和前景63、课题完成的任务8第2章 电动车窗整体结构设计102.1、电动车窗工作原理102.2、电动车窗开关工作原理122.3、电动车窗开关选型122.4、车窗电动机15第3章 车窗系统硬件电路设计163.1、车窗系统的总体框架设计163.2、车窗控制系统的硬件结构193.2.1、lin节点设计193.2.2、电源模块设计213.2.3、电机驱动模块设计213.3、系统硬件抗干扰设计233.4、本章小结24第4章 lin总线协议的研究254.1、lin总线特点254.2、lin协议的研究264.3、报文帧结构274.4、本章小结31第5章 车窗系统的软件设计325.1、报文内容定义325.2、lin节点软件设计335.3、车窗电动机启动控制算法355.4、车窗系统防夹功能的实现365.5、数据采集375.6、数据处理385.7、本章小结39第6章 总结展望406.1、全文总结406.2、研究展望40谢 辞42参考文献43附 录45摘要随着汽车电子技术的飞速发展，人们对汽车的安全性和舒适性的要求也在不断提高。车窗系统是汽车车身重要的组成部分，多数购车者都将电动车窗视为必备的舒适功能，它能使人们更好地驾驶和保护汽车，因此汽车厂商都将其作为一种基本功能。当前车窗系统正沿着模块化、智能化、人性化的方向发展。本文提出了基于lin总线技术的车窗lin网络控制系统。主要工作内容如下：（1）首先研究了lin v2.1总线协议规范，使用lin总线构成车窗控制系统，然后给出了基于lin总线网络的汽车车窗控制系统的硬件设计方案。对车窗智能控制系统的功能进行了需求分析，根据系统功能需求分析选择了相关的功能芯片，完成了相关的硬件电路设计，包括电源电路、mcu电路、电机驱动电路、a/d采样电路等。（2）给出了基于lin总线网络的汽车车窗控制系统的软件设计。采用了模块化和层次化的设计思想，设计了车窗智能控制系统的整体程序流程图。使用了飞思卡尔公司的智能功率芯片mc33486，通过监测车窗运行中永磁直流电机的电流变化来实现防夹功能。采用车窗升降过程中遇到阻力的电流变化快慢程度不一样和事先预存在eeprom中车窗上升到顶端的最大时间这两组数据来判断是否遇到阻力，增加了判断的准确性。实现了基于lin总线的车窗控制系统的软件设计。（3）最后通过mc9s08dz60的开发板对车窗lin网络系统进行了仿真，验证了lin通信方案的合理性和达到的效果。关键词： lin总线，车窗智能控制，防夹功能abstractwith the rapid development of automobile electronic technology, automotives safety and comfort requirements are becoming constantly improving for people. windows system is an important part of automotive systems, most terms will be deemed the comfortable electric window system is necessary, it can make people better driving and protect motor cars, so that the carmakers think it as a basic function. the car window system become modular, intelligent and humanized with the direction of development now. this paper proposes a technology of lin bus with the automotive windows system.main job content as follows:(1)first of all,researehing the lin v2.l bus protoeol and using lin bus to constitute the window control system.then the hardware design of the automobile window control system based on a lin bus network was given.the requirednlents of the window intelligent control system function was analysed.according to the requiredments of system function the design of relevant hardware circuits was completed,including the power supply circuit,mcu circuit,motor drive circuits,the a/d sampling circuit, etc.(2) based on the lin bus network, presents the car window control system software design. using modular and hierarchical design ideas and design a window of intelligent control system overall program flowchart. use the freescale company mc33486 chip, intelligent power by monitoring the windows operating in the current change permanent magnet dc motor to prevent clip function. using windows encountered in the process of lifting the current speed of the resistance of different beforehand existence and gets up the windows eeprom reach maximum time these two sets of data to determine whether meet resistance, increase the accuracy of judgment. using the software watch-dog technique as software anti-interference measures based on lin bus, the window of the control system of the software design.(3) finally,through the window of the development mc9s08dz60 wants lin network system simulation verified the rationality and lin communication solutions to effect.keywords: lin bus, windows, prevent clamping intelligent control function绪论1 课题研究目的及意义近年来随着我国汽车行业的迅速发展，汽车电子市场迅速扩大，整个市场以超过40%的比例快速增长，其中车身电子产品占到整个汽车电子产品的35%40%。在目前，车身电子的热点应用排名前三的是车载空调、车窗控制和车灯控制。在车身电子中，对半导体需求量排列前三位的应用领域分别是:车载空调，约占44%;车窗控制，约占22%车灯控制，约占10%，第四位是电动车门控制。根据汽车电子专业调研公司的数据，去年中国汽车市场车身电子的半导体器件需求量约为19亿美元，而中国本地设计的比例大约为10%15%之间，预计未来几年这一比例将会迅速增长。如上所述，车窗控制产品己成为车身电子产品重要的组成部分。随着汽车的普及，人们对汽车的安全性方面也越来越重视。在车窗控制系统中，汽车电动车窗具备防夹功能成为系统的必需要求。这样当车窗上升遇到障碍物(如手、头等)时可以自动后退到底，从而可以避免事故的发生，车窗防夹功能对汽车的安全性能而言是一种十分人性化的设计。与此同时，在我国国外企业垄断了技术含量高、利润丰厚的发动机电子、底盘电子和车身电子等产品的汽车电子市场，国内企业仍局限在低端产品，如车载音响等。国内的汽车公司大多没有建立自己的总线网络技术标准，更多的还主要是开发支持can/lin车载设备，配合某种车型的can/lin网络使自己的产品支持这种总线通信协议。目前我们的研发工作还处在向国外学习的阶段，但很多与汽车电子技术相关的国外文献都是讲其优势，不讲其缺陷。结果使得我国许多从事汽车电子技术的研发人员在研发过程中，不能进行取长补短，使研发陷入困境。突破技术封锁也是我们面临的巨大挑战。本课题旨在提出一种基于lin线技术的汽车车窗智能控制系统中，使得该系统具有低成本、低功耗、易于维护和很好的稳定性等优点。首先对lin总线协议进行了研究，制定相应的lin总线协议规范，然后完成了车窗控制系统的软硬件功能实现，包括汽车车窗防夹系统和温控车窗舒适系统的实现，改进了车窗控制系统的安全性和舒适性，使得车窗控制系统的设计更人性化。此次课题的研究成功对以后逐步实现汽车电子技术的国产化有重要意义。2 课题相关技术的现状和前景现代的汽车电子技术已体现出网络化的发展方向，车载网络成为汽车电子领域的最大热点，提高控制单元间通信可靠性和降低导线成本的网络总线技术应用成为动力所在，包括can、lin、flexray、most等已成为现代汽车网络总线的关键技术。（1）flexray 高速度（每通道高达10mbps）、双通道、时间触发、强大的容错协议，设计用作骨干网。一般的目标应用是所谓的x-by-wire（线控）概念。其目的是通过电子信号传输来替代传统的制动踏板和制动器或方向盘和车轮之间的机械传动。 （2）can 中等速度（最高1mbps）、单通道、双线容错协议，目前不仅在汽车业，还在许多工业应用中广泛使用。can协议的目标应用可以包括电机控制、悬架控制和车内资讯娱乐功能。 （3）lin 低速（最高20kbps）、单线低成本协议，可用於终端节点应用。lin的概念注定这种协议用於传感器/执行器中，一般用于低速通讯，即速度不是关键因素的应用中。 图11是面向总线的汽车设计理念的一个例子。这种设计显示三种通讯协议的共存。图11 总线车概念在20世纪80年代初，众多国际知名的汽车公司已积极致力于汽车总线技术的研究与应用。其中德国博世公司(bosch)为汽车应用引入了can总线系统，其目的是将本地网络的概念应用到汽车系统内，有效的解决了汽车内部众多控制器与测量设备之间的数据交换问题。汽车电子技术分为发动机电子、底盘电子、车身电子和信息娱乐系统。车窗控制系统是车身电子的重要组成部分，主要负责各个车窗单元的控制以及防夹功能的实现，早期的车窗控制系统采用了can总线标准。然而can针对高达1mbps的高速数据传输设计，对于普通的汽车应用，如车窗、车灯、车椅等，can模块的成本比较高。在1999年针对低成本的汽车应用引入了lin总线网络，本地互联网络lin(local interconnect network)是一种低成本的串行通信网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制，lin的目标是为现有汽车网络(例如can总线)提供辅助功能。如今的车窗控制系统大多采用了lin总线网络，可以大量节省成本和网络资源。lin总线的目标是低成本的汽车网络应用，将来随着lin总线网络在汽车行业的普及应用，电子控制器件将会采用模块的形式，可以方便地插入到lin总线网络，并与位于仪表板或驾驶室附近的主控制器单元连接在一起。在汽车车身控制领域，lin总线以成本低、可靠性强，与can总线技术相辅相成，构成车身控制网络的主流技术。值得注意的是，作为一种十分人性化的安全设计，汽车电动防夹车窗己经在欧美高档车上流行开来，它的设计目标是彻底消除目前汽车上流行的电动车窗在自动关闭过程中可能引起的卡死、挤压及伤人危险。因为电动车窗是没有感觉的，如果司机稍不留神，那么就很容易对乘坐的儿童带来潜在的危险性，因为他们的手或头很容易被上升的玻璃夹着或伤着。对于追赶世界汽车电子技术的中国本土品牌汽车制造商来说，这是一个十分容易实现和吸引客户的差异化设计功能，因为这可使得他们能够很快提供新的卖点和创造更高的利润。目前在国际上基于lin总线技术的车窗控制系统具有很广阔的应用前景，是国内外汽车电子领域研究的热点之一，也是本文研究的主要内容。lin的标准化将简化多种现存的解决方案，促使不同汽车舒适系统零部件供应商产品的标准化和通用化。目前lin协议规范已发展到 linv2.1版本，同时各大半异体厂商和相应的技术支持方所推出的lin总线产品也是层出不穷，更加显示了基于lin总线的车窗控制系统的强大生命力和广阔的发展前景。3 课题完成的任务本课题根据 linv2.1总线协议规范，实现了基于linv2.1协议的车窗控制系统的软硬件设计，对电动车窗机械结构作了介绍，对电动车窗主开关进行了选型和参数分析，使用了智能功率芯片mc33486实现了车窗防夹功能，对车窗控制系统lin通信的硬件进行了功能性仿真测试。本课题主要完成以下工作：（1）首先对电动车窗的机械结构、工作原理以及种类作了介绍，然后对电动车窗主开关进行了选型，最后对电动车窗开关的工作原理进行了分析（2）研究了linv2.1总线协议规范，选取lin总线构成车窗控制系统，然后给出了基于lin总线网络的汽车车窗控制系统的硬件设计方案。对车窗智能控制系统的功能进行了需求分析，根据系统功能需求分析选择了相关的功能芯片，完成了相关的硬件电路设计，包括电源电路、mcu电路、电机驱动电路、lin收发通讯模块等。（3）给出了基于lin总线网络的汽车车窗控制系统的软件设计。采用了模块化和层次化的设计思想，设计了车窗智能控制系统的整体程序流程图。选取了飞思卡尔公司的智能功率驱动器件mc33486，通过监测车窗运行中永磁直流电机的电流变化来实现防夹功能。采用车窗升降过程中遇到阻力的电流变化快慢程度不一样和事先预存在eeprom中车窗上升到顶端的最大时间这两组数据来判断是否遇到阻力，增加了判断的准确性。采用a/d转换判断车窗开关的档位变化，车窗电机采用软启动方式有效地避免电机出现卡死现象。同时使用了软件“看门狗”技术作为软件的抗干扰措施，实现了基于lin总线的车窗控制系统的软件设计。（4）最后通过mc9s08dz60开发板对本次设计进行了lin通信的功能性方案测试，达到了预期的要求。第2章 电动车窗整体结构设计2.1 电动车窗工作原理现代轿车中普遍安装了电动车窗，以使车窗的升降更加方便。电动车窗主要由车窗玻璃、车窗玻璃升降器、电动机和控制开关等组成。车窗电动机、控制开关及车窗继电器在车上的布置如图21和图22所示。图21车窗开关布局图22 电动车窗部件在车上的布置电动车窗上的电动机是双向的，有永磁式的，也有双绕组串励式的。每个车门各有一个电动机，通过开关控制电动机中的电流方向从而控制玻璃的升降。控制开关一般有两套，一套为总开关，装在仪表板或驾驶员侧的车门上，这样驾驶员就可以控制每个车窗玻璃的升降。另一套为分开关，分别安装在每个车窗上，这样乘客也可以对各个车窗进行升降控制。常见的电动车窗升降机构有绳轮式、交臂式和软轴式等几种，图23、图24所示分别为绳轮式和软轴式的升降机构，其中绳轮式和交臂式电动车窗升降机构使用较为广泛。图23 绳轮式电动车窗的基本结构图24 软轴式玻璃升降机构2.2 电动车窗开关工作原理电动车窗开关和传统的开关有比较大的区别，其档位的改变是通过电压的改变来实现的，自动上升，手动上升，自动下降，手动下降，四个档位上的电压通过接入的分压电阻不同从而使基点电压也不同。然后通过单片机mc9s08dz60内置的a/d转换模块转换模块得到四个不同的数据。再通过程序的判断来控制车窗电机进行相应的动作。其原理图如25图所示。图25 电动车窗开关原理图2.3 电动车窗开关选型在电动车窗开关选型上，除了要求开关的使用寿命和性能要求要符合jt1-3716-09-231汽车用开关总成通用技术条件 外，在实际操作过程中还希望开关能有良好的“手感”，这里的“手感”即开关表面的触摸感好坏，操作过程中使用力量的大小，开关接触行程的长短，因为对于目前的消费者来说，这是最主要的评价标准，也直接影响到消费者对产品的主观评价。由于目前的电动车窗开关的手动档和自动档都是集成在一起的，其主要区别在于他们各自的接触行程不同，为了防止在实际操作过程中出现自动档和手动挡之间的误操作，电动车窗的开关档位之间应该要有比较大的区别，包括操作力量和接触行程的大小都应该相隔较大，在操作过程中还要具有良好的流畅性，即无卡滞现象。对比表26中三种市面上的电动车窗开关我们发现，a主动车窗开关的力谱图曲线连贯性较好，作用力和行程基本上成正比例变化。但是其作用力较大，而且在档位变化的操作过程中虽然作用力变化的连续性很好，但是由于在每个档位处的作用力变化不大，而且其有效行程也较短，因此很不容易操作到位，需要多次练习，才能比较好的找到档位之间的具体位置。而c主动车窗开关的力谱图曲线的波动性较大，在实际操作过程中，按键的作用力连续性不好，有卡滞的现象。而且其档位处的力矩变化和有效行程都很小，容易出现档位的误操作。b主动车窗开关的曲线虽然没有a的连贯，但是在每个档位处的作用力变化跨度较大，这种好处就是能让操作者比较明显的感觉到档位之间的变化。档位之间的有效行程的跨度也较大。不易出现档位的误操作。其作用力最大值在5n左右，力度适合。操作者可以很轻松的操作按键。综上所述，b主动开关的测评结果较好，因此本次设计选用b主动开关。表26 三种电动车窗主开关参数对比表a主电动车窗开关b主电动车窗开关c主电动车窗开关 俯 视 图 侧 视 图 按 键 上 拉 按 键 下 按上拉最大值第一档3.47n第二档5.01n（ 相差1.54n ）第一档2.52n第二档5.06n（ 相差2.54n ）第一档2.54n第二档5.56n（ 相差3.02n ）下按最大值第一档4.82n第二档8.06n（ 相差3.24n ）第一档3.82n第二档4.54n（ 相差0.72n ）第一档2.68n第二档4.05n（ 相差1.37n ）上拉行程第一档2mm第二档3.5mm（相差1.5 mm ）第一档1.5 mm第二档4 .0mm（相差2.5 mm ）第一档0.7 mm第二档1.6 mm（相差0.9mm ）上拉行程第一档1 mm第二档2 mm（相差1.0 mm ）第一档0.8 mm第二档2.8 mm（相差2 mm ）第一档0.64 mm第二档1.47 mm（相差0.83mm ）外观尺寸93.6443.7425.80mm106.1040.8036.48mm160.0044.7238.56mm材料abspbt-gf20abspbt-gf30abspbt-gf202.4 车窗电动机车窗电动机作为电动车窗系统的唯一执行机构，其性能好坏直接影响到车窗系统的工作情况。尤其是运用在汽车控制中，对其性能要求比较严格。电动车窗上的电动机是双向的，按照种类不同分为永磁式直流电动机和双绕组串励式电动机。本次选用的车窗电动机是永磁式直流电动机，其主要参数如表27所示。表27 车窗电动机性能参数表第3章 车窗系统硬件电路设计3.1 车窗系统的总体框架设计传统的电动车窗控制电路结构图如图31所示,车窗系统的主体控制单元是驾驶室的主电动车窗开关。实际的电路图如图32所示。图31 传统电动车窗控制电路结构图图32 传统电动车窗电路图传统的电动车窗系统虽然制造成本较低，但是在实际的线路连接上却比较复杂，需要的连线比较多，导致车身上的线束截面积比较大。而通常情况下车窗开关都安装在车门扶手位置处，车门本身是需要经常活动的，这种结果就使线束的安装和铺设比较困难，并且由于连线的数量较多导致系统本身的可靠性和稳定性也不能得到很好的保证。其次，由于电路结构的局限性使车窗控制只能实现单一的上升和下降。在实际使用过程中容易出现在车窗自动关闭过程中可能引起卡死、挤压及伤人危险等现象。最后，由于电机的转向改变是靠改变开关的档位来改变电机的极性，开关本身承受的电流较大，这种结果容易导致开关触点出现氧化，接触不良的现象。而在目前使用得比较多的车载网络中可分为驱动网络和舒适网络。一般can协议用于驱动网络，而lin协议用于舒适网络。相对于开发高速can网络所需要的成本较高，lin网络更适合用于性能要求不高的舒适网络，于是在车门，车窗，车灯等部件中，引入了lin总线，这样既能满足系统运行的正常需要，又能使整车成本得以减少。此次车窗控制系统总体框架图如图33所示。 图 33 lin总线控制车窗控制系统总体框架图当驾驶员按下车窗按键开关时，车窗开关得到的电压信号传到主节点ecu内进行a/d转换后进行数据判断，如果是主驾驶车窗的数据，那么主车窗ecu控制主车窗电机动作，如果是其他车窗的开关信号，主节点ecu将相应的数据通过lin收发模块发送到lin总线上，其余的从节点ecu则检测此时lin总线上的数据，如果与自己的设置的数据相对应则控制电机动作。反之则不进行操作。同时从节点ecu及时将工作状态信息发送回主节点ecu，主节点ecu随时诊断其他从节点的工作情况。在车窗升降过程中，智能功率驱动器件mc33486通过监测电机的电流变化，通过相关的防夹算法实现车窗的防夹功能，实现了车窗系统的智能化控制过程，提高了驾驶员行车过程中的安全性和舒适性。在本次设计中，车窗控制系统采用了lin总线协议构建了车窗lin总线网络并使用了linv2.1协议规范。3.2 车窗控制系统的硬件结构车窗控制系统主要是由车窗、车窗升降器、车窗电机模块、控制开关以及相关的电子电路模块等装置组成。车窗和车窗升降器主要是机械结构。车窗控制开关有两套，一主一从，可以控制每个车窗的升降。一般在主开关上装有断路开关，如果它断开，分开关就不起作用。如今的车窗控制系统内装有的先进电子设备，具有安全保护功能，能够通过电子模块控制对电机的过流、过压以及过热保护，而且当玻璃上升途中遇到障碍时会自动识别而停止转动，防止乘客夹伤，实现防夹功能。下面对本次设计的电子电路模块给出了详细说明。3.2.1 lin节点设计微处理器需要选择带有异步串行收发器模块(uart)的微控制器和符合linv2.1规范的收发器，因为它决定了系统的硬件设计连接以及软件开发环境等一系列的问题。在汽车专用微控制器(mcu)领域，美国mierochip(微芯)和freescale(飞思卡尔)两家公司的mcu针对lin的数据收发进行了优化设计，同时，针对汽车的恶劣环境如温度，湿度变化大、电磁干扰严重做了性能优化，是用于车内lin控制节点微控制器的较好方案。本文选用freescale公司的mc9s08dz60单片机和lin物理层收发器mcz33661芯片构成节点的硬件。mc9s08dz60单片机提供了工业级的制造工艺与流片工艺保证，因此可以适用于严酷的车内运行环境。而mcz33661是lin总线收发器，在单片机和lin半双工总线之间提供了一个物理接口，可以为汽车和工业应用捉供一个最高20kbit/s的串行总线传输速率。lin收发器mcz33661芯片针对工作在汽车环境下的情况进行了特别设计，符合linv2.1总线规格。图34 lin节点硬件电路图图34显示了lin总线的节点硬件连接示意图。图中c7应该选用电解电容电容或胆电容，使芯片能在更大的温度范围内工作。c1用作外部电压源的滤波电容。d2则是27v的瞬态电压抑制二极管，同为可选器件，可以在电源瞬变的时候起保护作用。因lin总线为单主多从结构，无需总线仲裁，由主节点控制总线访问，故对lin主节点的保护额外重要，故采用了图中包含二极管d1的虚线部分来实现对主节点的保护。图中mcz33661为mc9s08dz60和lin总线之间提供了一个双向通信接口，能够把lin总线的电平转换成微控制器能够接收的txd，rxd信号，或者进行与之相反的转换。其中，mc9s08dz60供电电源5.0v由汽车电源经电源转换稳压得到。mcz33661的供电由汽车电源直接供给12v。mcz33661的增强型异步收发器可以用硬件完成lin报文帧的同步间隔场接收，并以中断的方式告知单片机开始接收总线的数据。lin报文帧的数据收发满足1位起始位，8位数据位，1位停止位条件，用微控制器的uart模块和uart中断功能即可完成lin总线上数据的收发。3.2.2电源模块设计目前汽车内的蓄电池电源通常都是直流 +l2v，汽车内很多电子设备需要依靠它来供电，比如电子打火器，各类电子仪表，自动车窗等，虽然是蓄电池，仍难以保证其稳定输出。车载网络中主要用到两种电源 :+12v、+5v。 +12v的电压主要是为电机驱动和lin收发器供电，+5v的电压则是给电路中的其它芯片供电，因此需要进行 +12v到+5v的转换，而且车载电源的稳定性差，需要其输出电压进行稳压。电源电路采用了lm2575稳压电源电路芯片，对 +12v转+5v供电电路可以参考图35电路。图35 +12v转+5v电源转换电路稳压芯片lm2575是按照开关电源的工作原理集成的电源芯片，因此其工作效率高，输出电压稳定，最大输出电流能达到3a，在稳压芯片lm2575瞬间停止输出时，由电感的电磁感应效应形成的电压给电路供电，此时快恢复型肖特基二极管in5822作为回路的一部分，其工作电流的大小直接影响电源实际输出电流的大小。图中的电容c6和c7选用电解电容，可以有效滤除高低频干扰。3.2.3 电机驱动模块设计由于本次车窗电机采用供电电压11v15v，工作电流不大于15a，堵转电流不大于28a的永磁直流电机，需要的电机功率较大并伴有冲击电流的正反相控制要求。智能功率芯片mc33486是飞思卡尔半导体公司生产的专用于车身电子的电机驱动芯片，该芯片可外接两个mosfet管(这里选用p60n06，能够输出较大的工作电流驱动电机)组成一个h桥来实现电机的双向控制。其正常工作温度范围在40到+150，正常连续输出电流最大达到10a，直流输入电压范围为828v，而且当电压高于28v时具有过压保护功能。它能够采集电机的电流，利用它反馈给单片机a/d采样模块得到电机电流值，从而完成电机的双向控制和实现车窗防夹功能，达到了车窗电机驱动模块的设计要求。其电路图如图36所示。图36电机驱动电路电机控制原理如下:初始状态中，glsi和glsz都同时置高电平或低电平，outi和outz一直保持高电平。当u6中的栅极为低电平且u7的栅极为高电平时，直流电机正转，车窗上升;反之，当u6中的栅极为高电平且u7的栅极为低电平时，直流电机反转，车窗下降，这样就足以完成永磁直流电机的正反相控制要求。除此之外，飞思卡尔的功率芯片mc33486还具有负载电流的线性复制功能，cur-r输出电流和负载电流成线性比例，cur-r输出电流再通过采样电阻和限流电阻把电流转化为电压输入到单片机的采样端。电压进行a/d转换和一些计算后就可以得到负载的真实电流。因此，监测输入到单片机端口的电压就等同于监测车窗运动中电机的电流。车窗上升过程、下降过程、上升遇到阻力过程中，经过电机的电流都呈规律性的变化，而这些电流变化都可以通过电流采样实时地反映到单片机中，其中为玻璃升降器的电机电流：这个电流通过采样电阻r8和限流电阻r9把电流转化为电压输入到单片机adc的采样端。输入到单片机端的电压为：将电压进行ad转换和一些计算后就可以得到负载的真实电流。因此，监测输入到单片机端口的电压就等同于监测车窗运动中电机的电流。车窗上升过程中遇到阻力时经过电机的电流都呈规律性的变化，而这些电流变化都通过电流采样实时地反映到单片机中。3.3 系统硬件抗干扰设计目前汽车上电子装备大量增加，而半导体逻辑器件对于电磁干扰相当敏感，车载电器低电压、大电流负载特性使其开、关过程在供电线路上产生很多干扰，继电器或电机等负载的开关过程也能产生干扰汽车电子系统的瞬变电压，还有一些其他等原因使得车载电子器件一直处在恶劣的电磁环境。为了保证车载网络的系统安全和可靠运行，其必须具备良好的电磁兼容性(emc)，所以进行硬件设计时必须考虑抗干扰的问题。电磁兼容性设计主要包括二个方面，即切断电磁辐射进入电子产品内部产生相互干扰的通路，提高对电磁效应敏感器件的质量;从汽车电子系统的总体和电路设计方面采取措施对最敏感的器件和部位进行屏蔽保护。这次车窗系统硬件设计中的pcb主要采取了如下2个抗干扰措施：（1）在每个芯片输入输出端都加了相应的旁路电容和去涡电容。旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。去涡电容有三个作用:一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能;二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路;三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去涡是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这是旁路电容和去祸电容的本质区别。（2）加粗了导线宽度，以减少导线上的电阻。同时，使电源线、地线的走向一致，这样的措施也有助于加强电路板的抗干扰能力。3.4 本章小结在本章中，首先给出了车窗控制系统总体框架图，然后给出了此次车窗控制系统的硬件设计方案，包括详细的lin节点硬件原理设计、电源模块设计、直流电机驱动模块设计，最后介绍了此次硬件设计中采用的两项有效防干扰措施。第4章 lin总线协议的研究4.1 lin总线特点lin总线是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制，lin的目标是为现有汽车网络(例如can总线)提供辅助功能。lin总线协议建立在通用的uart(universal asynchronous receiver/transmitter)即异步串行通信)硬件接口上，实现比较简单，只要具有uart功能模块的单片机都可以作为lin网络的节点。在物理上仅使用一根12v信号线，采用单主多从的结构，避免了总线报文的竞争。通常情况下，一个lin网络上节点数量不应超过16，最大标识符数量是64。否则，节点增加将减少网络阻抗，会导致环境条件变差。用户不需要改变现有的lin从节点的软件和硬件就可以在lin网络上增加节点。lin总线目标是为现有的汽车网络提供辅助功能，lin网络作为现有网络的补充提高了汽车总体网络的性能，降低了汽车电子控制装置的开发及生产成本。在不需要can总线的带宽和多功能的场合，比如车窗控制系统中智能传感器和制动装置之间的通讯，使用lin总线可大大节约成本。lin总线的出现使得人们可以采用更低成本的解决方案来补充汽车高端can总线的不足。lin总线的主要特性有如下几点：（1）单主多从结构，无需总线仲裁，由主节点控制总线访问；（2）低成本单线12v数据传输，线的驱动特性符合改进的1509141标准；（3）基于通用的uart接口，几乎所有微控制器都具备lin必需的硬件；（4）从机节点不需石英或陶瓷谐振器可以实现自同步，减少了硬件成本；（5）传输速率最高达20kbit/s；从lin协议通讯的角度来看，一个lin网络由一个主机任务模块(master task)和若干个从机任务模块 (slave task)组成。主机节点中既有主机任务模块又有从机任务模块，其它节点都只有从机任务模块。在lin网络中，由主机任务务模块来决定什么时候在总线上传输什么报文帧，而从机任务模块则提供每一帧需要传送的数据。主机任务模块和从机任务模块都是帧处理层的组成部分。本次车窗控制系统以驾驶室侧为主节点，其他的为从节点构成了车窗系统的lin网络。在车窗lin网络中，主节点的主要功能是采集车窗升降信号，同时控制整个网络通信的发起;从节点的主要功能是通过判断由主节点发来的控制信息和本身所采集的状态，控制相应的车窗电机工作。lin总线最初是为汽车电子控制系统设计的，也可用于工业控制或家用电子产品如洗衣机、冰箱中。对车载网络的典型应用是在汽车中的联合装配单元，如车门、座椅、车灯、温度传感器等。对于这些成本较敏感的单元，lin总线可以使这些器件很容易的连接到车载网络中，并能得到十分方便的维护和服务。4.2 lin协议的研究lin协会于1998年由主要汽车制造商成立，主要目标是定义和实现汽车使用的高品质线性总线系统的低成本、开放式标准。lin协会在1999年7月发布了最初的linvl.0版本。根据国际标准组织iso/osi参考模型，lin总线具有规范的分层结构，它定义了物理层、数据链路层和传输层的协议规范。物理层定义了lin总线传输媒介的物理特性、总线驱动和接收特性、位速率误差和位定时和同步等。数据链路层实现数据帧接收和错误检测、波特率计算以及数据的包装/解包，负责报文过滤和恢复管理等功能。传输层实现了单帧或多帧数据传输，在应用层和数据链路层之间翻译数据帧，传输诊断请求和响应，提供外部总线的诊断接口，实现节点配置、识别和诊断。其中数据链路层是lin协议的核心，负责发送和接收数据帧，处理信号的组帧和解帧，如图41所示。图41 lin总线分层结构图linv2.1总线规范包括了3个主要部分：linv2.1协议规范介绍了lin的物理层、数据链路层和传输层的协议规范 。lin_api操作规程建议介绍了网络和应用程序之间的接口；lin配置语言规范介绍了lin配置文件的格式，用于配置整个网络。其中， lin_api又可以被划分为以下三个部分，lin核心api、lin节点的配置和识别api以及lin传输层api(可选)。报文传输是由报文帧的格式形成和控制。报文帧由主机任务向从机任务传送同步和标识符信息，并将一个从机任务的信息传送到所有其他从机任务。主机任务位于主机节点内部，它负责报文的进度表、发送报文头(header)。从机任务位于所有的(即主机和从机)节点中，其中一个(主机节点或从机节点)发送报文的响应(response)。4.3 报文帧结构一个报文帧的结构如图42所示，由一个帧头(由主机任务模块提供)和一个响应帧(由从机任务模块提供)组成。帧头包括一个同步间隔场 (synchbreak field)、一个同步场 (synch field)、和一个标识符场 (ident field)。报文帧的用途由标识符唯一定义，约定的从机任务根据标识符提供相关的响应帧并发送到总线上。响应帧由2，4或8字节的数据场(data field)和一个验和场 (checksum field)即3到9个字节场组成。报文帧的报文头和响应是由一个帧内响应空间分隔，最小的字节间空间和帧内响应空间是0。图42 lin报文帧结构同步间隔场是报文帧的第一个场，由主机任务发送。它使所有的从机任务与总线时钟信号同步。同步间隔场由两个不同的部分组成。第一个部分是大约持续13个位定时的显性总线电平，接着的第二部分是1个位定时的隐性电平，作为同步界定符。第二个场允许用来检测接下来的同步场的起始位，具体的结构如下图43所示。图43 同步间隔场结构同步场包含了时钟的同步信息。同步场的格式是“0x55”，表现在8个位定时中有5个下降沿(即：“隐性”跳变到“显性”的边沿)，如图44所示。图44 同步场结构标识符场定义了报文的内容和长度。其中，内容是由6个标识符位和两个id奇偶校验位表示，如图45所示。标识符位的第4和第5位(id4和id5)定义了报文的数据场数量ndata，见图46。这将把64个标识符分成4个小组，每组16个标识符这些标识符分别有2，4和8个数据场。图45 标识符场结构标识符有同样的id位id0id3，但有不同的长度代码id4、id5，可以表示不同的报文。标识符的奇偶校验位通过下面的混合奇偶算法计算：这种情况下，不可能所有的位都是隐性或显性。数据场通过报文帧传输，由多个8位数据的字节场组成。传输由最低位(lsb)开始。校验和场是数据场所有字节的和的反码。和按“带进位加(addc)”方式计算，每个进位都被加到本次结果的最低位(lsb)。这就保证了数据字节的可靠性。所有数据字节的和的补码与校验和字节之加的和必须是“0xff”。图46 报文帧中控制数据场数量报文在总线上发送的信息有长度可选的固定格式。每个报文帧都用一个分隔信号起始接着是一个同步场和一个标识符场，这些都由主机任务发送。从机任务则是发回数据场和校验场。通过主机控制单元中的从机任务数据可以被主机控制单元发送到任何从机控制单元。相应的主机报文id可以触发从机从机的通信。这样的通讯机制带来了非常理想的效果：（1）系统灵活性：不需要改变任何其他从机节点的软件或硬件，就可以在lin网络中直接添加节点。（2）报文路由：报文的内容由识别符命名。识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义。最大的标识符数量是64，其中4个保留用于专用的通讯，譬如软件升级或诊断。（3）多播:由于引入了报文滤波的概念，任何数目的节点都可以同时接收报文，并同时对此报文做出反应。报文滤波是基于整个标识符的，用户必须通过网络配置来保证:每一个从机任务对应一个传送标识符。对于在总线传输的报文，任何节点都可以同时检测到报文，并同时对此报文做出反应。如果直到帧的结尾都没有检测到错误，这个报文对发送器和接收器都有效。如果报文发生错误，则主机和从机任务都认为该报文没有发送。应当注意的地方是:主机任务和从机任务在发送和接收到一个错误报文时所采取的措施并没有在协议规范中定义。像主机重新发送或从机的后退操作都由应用的要求来决定，而且要在应用层中说明。在总线上传送的事件信息也可能丢失，而且这个丢失不能被检测到。lin协议规范共定义了6个不同的报文错误类型，介绍如下：（1）位错误：向总线发送一个位的单元同时也在监控总线。当监控到的位的值和发送的位的值不同时，则在这个位定时检测到一个位错误。（2）校验和错误：所有数据字节的和的补码与校验和字节之加的和不足“0xff”时，则检测到一个校验和错误。（3）标识符奇偶错误：标识符的奇偶错误(即错误的标识符)不会被标出。通常lin从机应用不能区分一个未知但有效的标识符和一个错误的标识符。然而，所有的从机节点都能区分id场中8位都己知的标识符和一个已知但错误的标识符。（4）从机不响应错误：如果任何从机任务在发送同步间隔场和标识符场时在最大长度时间中没有完成报文帧的发送，则产生一个不响应错误。（5）同步场不一致错误：当从机检测到同步场的边沿在给出的容差外，则检测到一个同步场不一致错误。（6）没有总线活动：如果在接收到最后一个有效信息后，在总线空闲时间内没有检测到有效的同步间隔场或字节场，则检测到一个没有总线活动条件。4.4 本章小结在本章中分析了2006年lin协会通过的lin总线协议规范 (v2.1)，介绍了lin协议中的一些基本概念，报文通信的工作过程，报文帧的结构特点，报文的通讯机制和lin协议规范中的错误类型。第5章 车窗系统的软件设计5.1 报文内容定义在本次lin通信中，设置的传输速率为9600bits,数据场为8个字节，虽然实际工作中，并不需要这么多的字节，这里是为了以后提供功能扩展才将数据场字节设置为最大的8个字节。在本次通信中只用到了两个字节的定义。一个字节用于车窗控制定义，一个字节用于状态诊断检测。其具体字节定义如下：bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit00：车窗不动作0：电机正转0：自动升降0：上升1：车窗动作1：电机反转1：手动升降1：下降其中只有当bit3=1时，后面的bit2 、bit1、bit0位才有意义，否则bit2 、bit1、bit0