【正文】 首先對 LIN總線協(xié)議進(jìn)行了研究，制定了相應(yīng)的 LIN總線協(xié)議規(guī)范，然后完成了車窗控制系統(tǒng)軟硬件功能的實(shí)現(xiàn)，包括汽車車智能車窗升降控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 窗防夾系統(tǒng)與溫控車窗舒適系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，改進(jìn)了車窗控制系統(tǒng)的舒適性和安全性，使得車窗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加人性化。 1 總線 控制系統(tǒng) 基于 LIN 總線控制系統(tǒng) 車載網(wǎng)絡(luò)可分 為舒適網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動(dòng)網(wǎng)路。一般來說 CAN 協(xié)議用于驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，而 LIN協(xié)議用于舒適網(wǎng)絡(luò)。相對于開發(fā)高速 CAN 網(wǎng)絡(luò)所需要的成本， LIN 網(wǎng)絡(luò)更加適合用于性能要求不高的舒適網(wǎng)絡(luò)，因此在車門，車燈，車窗等部件中，引入了 LIN 總線，這樣既可以滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要，又可以使整個(gè)車的成本得以減少。本次車窗控制系統(tǒng)總體框架圖如圖 11 所示。 圖 11 車窗升降控制系統(tǒng)總體框圖 當(dāng)駕駛員按下車窗的按鍵開關(guān)時(shí)，車速傳感器把信號(hào)傳到微控制器，如果車速超過設(shè)定的標(biāo)定車速時(shí)，通過溫度傳感器檢測測得車內(nèi)外溫度，再由 A/D 轉(zhuǎn)換電路把溫度數(shù)據(jù) 傳到微控制器，使用新的車窗控制算法來控制車窗電機(jī)智能實(shí)現(xiàn)車窗升降器的升降。在車窗的升降過程中，智能功率驅(qū)動(dòng)器件 MC33486 通過監(jiān)測電機(jī)的電流變化，通過相關(guān)的防夾算法來實(shí)現(xiàn)車窗的防夾功能，實(shí)現(xiàn)了車窗系統(tǒng)的智能化控制過程，提高了駕駛員行車過程中的舒適性和安全性 [3]。 LIN 總線的技術(shù)特點(diǎn) LIN總線是一種成本低的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用來實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN總線的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)提供輔助功能。 LIN總線協(xié)議是建立在通用的UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即異步串行通信 )硬件接口上，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，只要具有 UART功能模塊的單片機(jī)都可以作為 LIN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。在物理上僅僅使用一根 12V信號(hào)線，采用單主多從的結(jié)構(gòu)，避免了總線報(bào)文的競爭。 通常情況下，一個(gè) LIN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不應(yīng)超過 16，最大標(biāo)示符的數(shù)量為 64。否菏澤學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 則，節(jié)點(diǎn)的增加將減少網(wǎng)絡(luò)阻抗，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境條件變差。用戶不需要改變現(xiàn)有的 LIN從節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件就可以在 LIN網(wǎng)絡(luò)上增加節(jié)點(diǎn)。 LIN總線的目標(biāo)是為現(xiàn)有的汽車網(wǎng)絡(luò)提供輔助功能， LIN網(wǎng)絡(luò)作為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充提高了汽車總體網(wǎng)絡(luò) 的性能，降低了汽車電子控制裝置的開發(fā)以及生產(chǎn)成本。在不需要 CAN總線的帶寬和多功能的場合，比如車窗控制系統(tǒng)制動(dòng)裝置和智能傳感器之間的通訊，使用 LIN總線可以大大節(jié)約成本。 LIN總線的出現(xiàn)使人們可以采用更低成本的解決方案來補(bǔ)充汽車高端 CAN總線的不足 [4]。 LIN總線的主要特性有以下幾點(diǎn)： (1)單主多從的結(jié)構(gòu)，無需總線仲裁，由主節(jié)點(diǎn)控制總線訪問。 (2)低成本單線 12V數(shù)據(jù)傳輸，線的驅(qū)動(dòng)特性符合改進(jìn)的 IS09141標(biāo)準(zhǔn)。 (3)基于通用的 UART接口，幾乎所有微控制器都具備 LIN必需的硬件。 (4)從機(jī)節(jié) 點(diǎn)不需石英或陶瓷諧振器可以實(shí)現(xiàn)自同步，減少了硬件成本。 (5)傳輸速率最高達(dá) 20Kbit/s。 從 LIN協(xié)議通訊的角度來看，一個(gè) LIN網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主機(jī)任務(wù)模塊 (master task)和若干個(gè)從機(jī)任務(wù)模塊 (slave task)組成。主機(jī)節(jié)點(diǎn)中既有主機(jī)任務(wù)模塊又有從機(jī)任務(wù)模塊，其它的節(jié)點(diǎn)都只有從機(jī)任務(wù)模塊。在 LIN網(wǎng)絡(luò)中，由主機(jī)任務(wù)模塊來決定什么時(shí)候在總線上傳輸什么報(bào)文幀，而從機(jī)任務(wù)模塊則提供每一幀需要傳送的數(shù)據(jù)。從機(jī)任務(wù)模塊和主機(jī)任務(wù)模塊都是幀處理層的組成部分 [4]。本次車窗控制系統(tǒng)把駕駛室側(cè)作為主節(jié)點(diǎn)，其他的作為從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了車窗系統(tǒng)的 ，如圖 22所示。在車窗 LIN網(wǎng)絡(luò)中，主節(jié)點(diǎn)的主要功能是用來采集車窗升降 信號(hào)和溫度傳感器信號(hào)，同時(shí)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)起；從節(jié)點(diǎn)的主要功能是來通過判斷由主節(jié)點(diǎn)發(fā)來的控制信息和本身所采集的狀態(tài)，控制相應(yīng)的車窗電機(jī)工作。如圖 12所示。 圖 12 LIN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 LIN總線最初是為汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，也可以用于工業(yè)控制或者家用電子產(chǎn)品如冰箱中、洗衣機(jī)。對車載網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用是在汽車中的聯(lián)合裝配單元，如車門、車燈、座椅、溫度傳感器等。對于這些比較敏感的單元， LIN總線可以把這些器件很容易的連接到車載網(wǎng)絡(luò)中，并可以得到十分方便的維護(hù)和服務(wù)。 LIN 總線協(xié)議 LIN協(xié)會(huì)于 1998年由主要汽車制造商成立，主要目標(biāo)是定義和實(shí)現(xiàn)汽車使用的高品智能車窗升降控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 質(zhì)線性總線系統(tǒng)的低成本、開放式標(biāo)準(zhǔn)。 LIN協(xié)會(huì)在 1999年 7月發(fā)布了最初的 LIN 本。 在 2021年 11月， LIN協(xié)會(huì)推出了目前為止最新版本的 LIN ，它對以前的版本的兼容性增強(qiáng)了，對部分 LIN ，其中詳細(xì)說明和修改了總線配置部分，增強(qiáng)了傳輸層，增加了總線診斷功能 LIN 3個(gè)主要部分： LIN —— 介紹了 LIN的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層的協(xié)議規(guī)范； LIN API操作規(guī)程建議 —— 介紹了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序之間的接口； LIN配置語言規(guī)范 —— 介紹了 LIN配置文件的格式，用于配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 車窗控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 車窗控制系統(tǒng)主要是由車窗、車窗電機(jī)模塊、車窗升降器、控制開關(guān)以及相關(guān)的電子電路模塊等裝置組成。車窗與車窗升降器主要是機(jī)械結(jié)構(gòu)。車窗的控制開關(guān)有兩套，一主一從能控制每個(gè)車窗的升降。一般在主開關(guān)上安裝斷路開關(guān)，如果它斷開，分開關(guān)就不會(huì)起作用?，F(xiàn) 在的車窗控制系統(tǒng)內(nèi)安裝的先進(jìn)電子設(shè)備，具有安全保護(hù)功能，可以通過電子模塊控制對電機(jī)的過壓、過流及過熱保護(hù)，并且當(dāng)玻璃上升的途中遇到障礙時(shí)會(huì)自動(dòng)識(shí)別而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，有效防止乘客夾傷，實(shí)現(xiàn)了防夾功能。 LIN 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 微處理器需要選擇符合 LIN (UAI)的微控制器，因?yàn)樗鼪Q定了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)連接以及軟件開發(fā)環(huán)境等一系列的問題。在汽車專用微控制器 (MCU)領(lǐng)域，美國 Microchip(微芯 )和 Freescale(飛思卡爾 )兩家公司的MCU針對 LIN的數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)行了 優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，針對汽車的惡劣環(huán)境如溫度，電磁干擾嚴(yán)重、濕度變化大做了性能優(yōu)化，是用于車內(nèi) LIN控制節(jié)點(diǎn)微控制器的較好方案 [5]。本設(shè)計(jì)選用 Microchip公司的 PIC18F25J10單片機(jī)和 LIN物理層收發(fā)器 MCP202x芯片構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的硬件。 PIC18F25J10單片機(jī)提供了工業(yè)級(jí)的制造工藝和流片工藝保證，而且成本較低，因此能夠適用于嚴(yán)酷的車內(nèi)運(yùn)行環(huán)境。 MCP202x是 LIN總線收發(fā)器，在單片機(jī)和 LIN半雙工總線之間提供了一個(gè)物理接口，可以為汽車以及工業(yè)應(yīng)用提供一個(gè)最高 20K的串行總線傳輸速率。 LIN收發(fā)器 MCP202x芯片針對工作在汽車環(huán)境下的情況進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，符合 LIN [6]。如圖 13所示。 菏澤學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 13 LIN節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì) 圖 13是 LIN總線的節(jié)點(diǎn)硬件連接示意圖。圖中 C3選用陶瓷電容或鉭電容，使芯片能在更大的溫度范圍內(nèi)工作。 C5用作外部電壓源的濾波電容。 D1和 D2的設(shè)計(jì)是為了用于甩負(fù)載保護(hù)，為可選器件。 D4則是 27V的瞬態(tài)電壓抑制二極管，同為可選器件，能夠在電源瞬變的時(shí)候起保護(hù)作用。因?yàn)?LIN總線是單主多從結(jié)構(gòu)，無需總線仲裁，由主節(jié)點(diǎn)控制總線訪問，故對 LIN主節(jié)點(diǎn)的保護(hù)額 外重要，所以采用了圖中包含二極管 D3的虛線部分來實(shí)現(xiàn)對主節(jié)點(diǎn)的保護(hù)。 圖中 MCP202x為 PIC18F25J10和 LIN總線之間提供了一個(gè)雙向通信接口，可以把 LIN總線的電平轉(zhuǎn)換成微控制器能夠接收的 TxD、 RxD信號(hào)，或者進(jìn)行與之相反的轉(zhuǎn)換。其中， PICl8F25JlO供電電源 。 MCP202x的供電由汽車電源直接供給 12V。 PIC18F25J10的增強(qiáng)型異步收發(fā)器可以用硬件完成 LIN報(bào)文幀的同步間隔場接收，并以中斷的方式告知單片機(jī)開始接收總線的數(shù)據(jù)。 LIN報(bào)文幀的數(shù)據(jù)收發(fā) 滿足 l位起始位， 8位數(shù)據(jù)位， 1位停止位條件，用微控制器的 UART模塊和 UART中斷功能即可完成 LIN總線上數(shù)據(jù)的收發(fā) [7]。 2 分電路設(shè)計(jì)和論證 電源模塊設(shè)計(jì) 目前汽車內(nèi)的蓄電池電源通常都是直流 +12V，它可以為汽車內(nèi)很多電子設(shè)備來供電，比如電子打火器，自動(dòng)車窗，各類電子儀表等。雖然是蓄電池，但仍難以保證其穩(wěn)定輸出。車載網(wǎng)絡(luò)中主要用到兩種電源： +12V 和 +5V， +12V 的電壓主要是為電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電， +5V 的電壓是給電路中的其它芯片供電，因此需要進(jìn)行 +12V 到 +5V 的轉(zhuǎn)換，而車載電源的穩(wěn)定性差，需要其輸 出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓 [8]。 電源電路采用了 LM2576穩(wěn)壓電源電路芯片，對 +12V 轉(zhuǎn) +5V 供電電路如圖 21 所示 。 智能車窗升降控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 圖 21 +12V轉(zhuǎn) +5V電源轉(zhuǎn)換電路 在穩(wěn)壓芯片 LM2576瞬間停止輸出時(shí)，由電感給電路供電，此時(shí)穩(wěn)壓二極管 1N5822作為回路的一部分，能夠承受更大的電流，起到反向保護(hù)的作用。圖 21中的電容 C6和C7選用電解電容，能夠有效濾除高低頻干擾。這樣設(shè)計(jì)的輸出電壓就是一個(gè)抗干擾能力很強(qiáng)的電源供應(yīng)了。 因微控制器 PIC18F25J10需要 +，而圖 31中由蓄電池電源轉(zhuǎn)化而 來的電源電壓是 +5V，所以在此基礎(chǔ)上使用了 AMS1117線性器件作為轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生 CPU所需的 +，圖 32是 +5V轉(zhuǎn) +。電容和圖 21中電容所起的作用相同 [9]。如圖 22所示。 圖 22 +5V轉(zhuǎn) + 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的合理設(shè)計(jì)，主要在于調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)程序的啟動(dòng)頻率。這是啟動(dòng)頻率的極限，實(shí)際使用時(shí)，只要啟動(dòng)頻率小于或等于這個(gè)極限值，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就能夠直接帶動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)了。利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)如圖 23 所示。 菏澤學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 單 片 機(jī)鍵 盤 接 口 鍵 盤功 率 驅(qū) 動(dòng) 接 口 功 率 驅(qū) 動(dòng) 器步 進(jìn) 電 機(jī) 圖 23 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)框圖 合理地選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是非常重要的，一般希望步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，步距誤差小，啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率高，性能價(jià)格比高。但增大轉(zhuǎn)矩和快速運(yùn)行存在一定矛盾，高性能和低成本存在矛盾，因此實(shí)際選用時(shí)，必須考慮全面。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式與一般電動(dòng)機(jī)不同，它采用脈沖控制方式工作的。只有按照一定規(guī)律對各相繞組輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)在采用的功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有 3 相、 4 相、 5相和 6 相等。工作方式有單 m 拍、雙 m 拍、 3m 拍以及 2m 拍等，一 般情況下電機(jī)的相數(shù)越多，工作方式就越多。本設(shè)計(jì)采用的是 3 相 6 拍步進(jìn)電機(jī)控制程序。 車窗電機(jī)一般采用供電電壓為 11～ 15V，工作電流小于等于 15A，堵轉(zhuǎn)電流不大于 28A 的永磁直流電機(jī)，需要的電機(jī)功率較大而且伴有沖擊電流的正反相控制要求。智能功率芯片 MC33486 可以外接兩個(gè) MOSFET 管 (在這里選用 P60N06，可以輸出較大的工作電流驅(qū)動(dòng)電機(jī) )組成一個(gè) H 橋 。 電流最大達(dá)到 10A，直流輸入電壓范圍是 8～ 28V，而且當(dāng)電壓高于 28 V 時(shí)有過壓保護(hù)功能。它能夠采集電機(jī)的電流，利用它反饋給