一种基于CAN总线的汽车车窗多功能控制系统.pdf

本发明涉及一种基于CAN总线技术的汽车电动车窗及天窗的多功能控制,在电动车窗防夹方面设计采用了一种基于PIC系列单片机的电子控制单元，通过该控制单元实现电动车窗的防夹以及剧烈振动情况下的自动关闭；一键总控控制单元、发动机开关控制单元和语音控制单元则通过CAN总线通信网络实现与车窗控制单元之间的信息交换，从而实现一键控制汽车车窗关闭及发动机开关关闭时的车窗自动关闭以及语音控制车窗升降。该系统通过汽车电动车窗多功能的智能控制，可以确保紧急情况下车内人身的安全，而基于CAN总线技术又可大大简化了汽车内部布线的复杂程度，加快智能控制的速度。

1.  一种基于CAN总线的汽车车窗多功能控制系统，包括车窗控制单元、一键总控控制单元、发动机开关控制单元、语音控制单元，     其特征在于：车窗控制单元包括电源电路、CAN总线收发器、高速光电耦合器、微控制器、电流采样电路、振动传感器模块、驱动电路、升降开关接口电路和信号处理电路；电源电路包含蓄电池和稳压/隔离电源，稳压/隔离电源的正、负端与蓄电池的正负极相连接，稳压电源的输出端与微控制器、光电耦合器、CAN总线收发器、驱动电路以及信号处理电路连接相连；微控制器包含PIC单片机和CAN总线收发器，PIC单片机与光电耦合器、驱动电路和信号处理电路连接；功率驱动电路包含电流采样电路，电流采样电路由功率驱动电路的CurR端与微控制器的RAO端口相连接构成，所述振动传感器模块包括振动传感器、调理电路、AD转换电路三部分。

一种基于CAN总线的汽车车窗多功能控制系统
技术领域：
本发明涉及一种基于CAN总线的汽车车窗多功能控制系统，属于汽车电子领域。
背景技术：
随着汽车电子技术的发展，为了提高汽车的舒适性，越来越多的电子产品装载到汽车上。而汽车车窗控制器作为汽车的一个主要安全部件，对车身的密封性和安全性有直接影响，对其功能的多样性要求也越来越高。汽车车窗控制器多采用“点对点”的单一控制方式，相互之间缺少联系，因此使得车内线束增加、布线复杂、可靠性差。利用CAN总线技术，可以克服现有汽车电动车窗控制系统复杂，布线复杂，可靠新差的缺点。目前，市场上许多电动车窗都不具有防夹功能，容易造成对乘员尤其是儿童的伤害。即便有些高档车型具有电动车窗防夹控制能力，功能又普遍较为单一，往往仅局限于车窗的防夹功能，且缺少其它相关功能的设计，而无法应对紧急情况或突发情况下，对汽车车窗控制功能多样性的要求。而目前国内基于CAN总线的汽车电动车窗控制系统的相关设计专利大多功能单一，一般只涉及电动车窗的防夹的功能，不能实现对电动车窗的多功能控制。本发明则弥补了现有技术在功能上的局限性，不仅实现的汽车电动车窗的防夹，还增加了一系列新的功能。
  
发明内容
    本发明通过CAN总线通信网络实现各个控制单元之间的数据传送，系统包括车窗控制单元、一键总控控制单元、发动机开关控制单元、语音控制单元四部分。该系统能实现汽车电动车窗的防夹控制、一键控制汽车车窗关闭、剧烈振动时的车窗自动关闭、发动机开关关闭时车窗自动关闭以及语音控制车窗升降的功能。
车窗控制单元包括：电源电路、  CAN总线收发器 、高速光电耦合器 、微控制器 、电流采样电路 、振动传感器模块 、驱动电路 、升降开关接口电路 、信号处理电路；电源电路包含蓄电池和稳压/隔离电源，稳压/隔离电源的正、负端与蓄电池的正负极相连接，稳压电源的输出端与微控制器、光电耦合器、CAN总线收发器、驱动电路以及信号处理电路连接相连；微控制器包含PIC单片机和CAN总线收发器，PIC单片机与光电耦合器、驱动电路和信号处理电路连接；功率驱动电路包含电流采样电路，而电流采样电路由功率驱动电路的CurR端与微控制器的RAO端口相连接构成，其中振动传感器模块包括振动传感器、调理电路、AD转换电路三部分。
常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为：压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式等。
本发明采用压电式传感器，而压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大。所以传感器通过调理电路连接至A/D转换模块的输入端再由A/D转换器与微控制器的I/0口相连。传感器将振动幅度转化为电信号，再由调理电路将压电式传感器输出的电压信号放大至单片机所能接受的电压信号，最后送至AD转换电路将模拟电压信号转换为数字电压量，并送至单片机处理；
由振动传感器将振动幅度转化为电信号，再由调理电路将电信号处理为单片机所能接受的电压信号，最后送至AD转换电路将模拟电压信号转换为数字电压量，并送至单片机处理；语音控制单元则由语音采集模块、语音前期处理模块、语音识别模块及输出控制模块组成，通过对语音信号采集、处理、识别后通过CAN总线输出相应的信号至车窗控制单元。
语音采集模块通过麦克风接受语音输入，对于输入的语音首先要进行预处理，所以先与语音前期处理模块连接，由前期处理模块对信号进行适当的放大和增益控制，然后进行数字化将模拟型号转换为数字信号后连接至语音识别模块。由语音识别模块对数字语音信号进行分析，提取反应语音信息的参数以确定相应结果并发送至输出控制单元，由输出控制单元通过CAN总线发送相关指令至车窗控制单元。
有益效果：
本发明设计的优点：基于CAN总线的车窗多功能控制系统在实现电动车窗防夹，一键及语音控制车窗关闭、剧烈振动情况下车窗自动关闭、发动机开关关闭时车窗自动关闭等多种功能，确保了车内人身的安全。同时由于采用了CAN总线技术能够有效地降低车内布线的复杂程度，克服了现有汽车电动车窗控制系统线路复杂，控制节点多，可靠性差的问题。
附图说明
图1 汽车车窗智能控制系统结构图。
图2 车窗控制单元硬件结构图。
图3 振动传感器模块结构图。
图4语音控制单元模块结构图。
图5高速光电耦合器6N137的示意图。
图6CAN总线收发器PCA82C250的示意图。
图7电机控制子程序流程图。
  具体实施方式
以下通过具体实例加以说明。
如附图1所示为总线网络拓扑图。主驾驶车窗控制器、副驾驶车窗控制器、后排左侧车窗控制器、后排右侧车窗控制器以及顶部车窗控制器连接在CAN总线的低速网段。发动机开关控制器、一键总控控制器、语音控制器连接在CAN总线的高速网段并放置在方向盘上，便于行车时对其进行快速有效地控制。
图2为各功能部件通过CAN总线的连接示意图，一键总控、语音控制和发动机控制部分由一片微处理器进行控制即可完成相应功能，而将4个车窗（图中以一个车窗示例4个车窗）和天窗部分使用各自的微处理进行控制，它们通过CAN总线进行信息的传递。例如当有“关闭车窗”的语音信号输入时，ECU控制单元（汽车微处理器）经CAN总线收发器向CAN总线上的四个车窗节点和一个天窗节点发出“关闭”的命令，这五个节点的微处理器收到信息后，控制各自的车窗和天窗关闭，各节点间的通信硬件上通过两根CAN总线，软件上遵从CAN总线的协议标准即可完成，大大减小了系统网络的复杂性。
下面具体介绍控制单元的组成与连接情况。
如图2所示，本发明的子控制单元包括车窗控制单元，一键总控控制单元、发动机控制单元、语音控制单元四部分。当一键控制按钮按下/发动机开关关闭时，由一键总控控制单元/发动机开关控制单元通过CAN总线以报文的形式与车窗控制单元进行数据交换广播数据，车窗控制单元接受报文后控制车窗及天窗关闭，从而实现一键控制车窗关闭及发动机熄火时的车窗自动关闭。当语音控制单元采集到语音信号后对采集到的信号进行处理及识别，再由单片机经输出控制器通过CAN总线将信号传送至车窗控制单元，从而实现语音控制车窗升降。
如图3所示，本发明的车窗控制单元包括(1)电源电路(2)CAN总线收发器PCA82C251(3)光电耦合器6N137(4)微控制器PIC18F258(5)电流采样电路(6)振动传感器模块(7)驱动电路(8)升降开关接口电路(9)信号处理电路，其特征在于：1电源电路包含蓄电池和稳压/隔离电源，稳压/隔离电源的正、负端与蓄电池的正负极相连接，稳压电源的输出端与微控制器PIC18F258、光电耦合器6N137、CAN总线收发器PCA82C251、驱动电路MC33486以及信号处理电路连接。2微控制器PIC18F258分别与驱动电路MC33486、光电耦合器6N137、信号处理电路、振动传感器模块相连接。3 驱动电路MC33486 包含电流采样电路，电流采样电路由驱动电路中的CurR端与微控制器PIC18F258的RAO端口相连接构成。
如图4所示，在此只在天窗部分安装振动传感器,振动传感器模块包括振动传感器、调理电路、AD转换电路三部分。由振动传感器将振动幅度转化为电流信号，再由调理电路将电流信号处理为单片机所能接受的电压信号，最后送至AD转换电路将模拟电压信号转换为数字电压量，并送至单片机处理。
   如图5所示，语音控制单元组成包括语音采集模块，信号处理模块、信号识别模块及输出控制模块。语音采集模块主要完成信号采集的功能，将原始语音信号转化为语音脉冲序列，主要包括声/电转换、采集等信号处理过程。信号处理模块主要功能是滤除干扰信号，提取语音特征矢量并将其转化为标准的语音特征矢量，主要包括语音预处理，特征提取、矢量量化等信号处理过程。信号识别模块的功能是将处理后得到的语音特征矢量与语音模块库中的语音模型进行比较，判断当前语言命令的功能主要包括矢量比较与参数评估两个过程。输出控制模块的主要功能是根据语音识别的结果输出相应的信号，通过CAN总线传递到车窗控制单元，实现语音控制车窗关闭。
如图6所示，为高速网段的一键总控、语音控制和发动机控制三个功能控制实现框图。这三个功能由ECU（电子控制单元），即行车电脑来进行控制，ECU型号很多，只需在现有车型的型号上增加三个功能即可。当输入为发动机转速传感器时，能够检测到发动机是否处于熄火状态，然后由微处理器进行输出控制至CAN总线，将信息传至相应的四个车窗和天窗的微处理器，控制其关闭。一键总控，在输入部分增加一个按键，由此按键控制车窗关闭或打开。
    车窗控制单元所采用的器件如下:
微控制器方面选择了具有超小型、低功耗、低成本、多品种特点的美国MICROCHIP公司的PIC系列单片机。而PIC18F258微控制器有着先进的精简指令集构架、增强型内核、32级堆栈和多种内部和外部中断源。其内部自带CAN总线控制器，且采用了程序和数据空间完全分开的“哈佛”结构，大大降低了PIC微控制器总体成本的同时还提高了运行效率。在电路中PIC18F258单片机作为CAN总线接口电路的核心，主要完成了CAN总线上数据的发送和接收，实现了串行数据的分解和组合，保障了通信的稳定畅通。
光电耦合器方面为了更好实现总线上节点之间的电气隔离，提高系统的抗干扰能力和传输信号的能力。因此选择6N137高速光电耦合器。高速光电耦合器的两个电源Vcc和Vcc^’必须采用电源隔离电路进行完全隔离。
CAN总线收发器采用PCA82C251。PCA82C251总线收发器是Philips公司的CAN总线接口芯片，是CAN总线与物理总线之间的接口，提供对总线差分发送和接受的功能，它与ISO11898标准完全兼容，有三种不同的工作方式，即高速、斜率控制和待机，可以根据实际情况加以选择，在本方案中选择高速工作方式。该芯片引脚少使用简单。相比于同型号的PCA82C250其在隐性状态下的拉电流更小，在掉电情况下的总线输出特性有一定的改善。
功率驱动电路采用MOTOROLA公司的智能功率器件MC33486,将它直接与微控制器相连,接收控制信号。为了实现对车窗电机的“正/反”向控制，此芯片的应用模式为桥式结构，内部模块包括两个高端功率MOSFET，这样就与外接的两个低端功率MOSFET器件构成一个完整的H桥。
电流采样电路是实现防夹功能的核心，通过监测车窗电机在工作时电流的变化来反应车窗的运动情况，从而实现车窗的防夹功能。而电流采样电路由功率驱动电路中的CurR端与微控制器的RAO端口相连接构成。