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近幾年來，汽車電子市場的增長非常顯著，這主要歸功于一些新的應用，如增強整車性能、安全性和舒適性等。為此，就必須在汽車的不同位置安裝大量的電子模塊，以及電子線束。 基于節省空間和減少重量的原則，汽車的電氣系統架構正在從單一電子控制模組和集中控制系統轉向分散控制技術。另外，裝配成本的降低和整車系統可靠性的提高，需要將以前使用的機電操作功能轉移到電子模組里，其結果是產生了一系列有關分散電子模組的標準，其中包括越來越多的基于標準的汽車協議（如LIN和CAN）及其特性（如自主安全操作、診斷、保護和通信能力）。 1、窗戶升降器原理 目前，很多自動控制裝置都具有觸發關閉系統的功能，如窗戶和車門。這也同時暗示著發生意外事故的危險，如人身體或動物的某一部分被這些自動裝置夾住和壓住。一個具體實例就是汽車的自動窗戶升降器。由于窗戶玻璃施加于障礙物上的力量足夠大，因此足以壓碎人體的某一部份器官。 按照相關安全規范的建議，自動窗戶升降裝置必須裝備所謂的“防夾傷”功能。該防夾傷功能是指∶ ■在關閉窗戶的時候檢測障礙物的存在。 ■限制施加于障礙物的力量的大小。 ■向相反方向移動窗戶，以釋放障礙物。 現有的解決方案不是機械式的，就是機電一體化的。在機械機構中，防夾檢測是通過固定于窗戶支柱上的環境感應片內的開關進行的。該開關一般情況下處于關閉狀態，在環境感應片上施加有壓力的時候開啟。該方案很簡單，但是感應片很貴，并且潛在的安裝和維護比較復雜。在某些情況，該方法無法滿足某些安全標準，舉例來說，如果窗戶形狀呈現為銳角，力量就不是以直角方向施加于感應片表面(見圖1)，用以激勵開關所必需的力量不是接觸不到感應片，就是比規范所要求的力量大很多。 有一種基于馬達速度監視的替代方案，通過傳感器(霍爾效應傳感器、編碼器等)完成有關功能。其防夾環境檢測是通過檢查馬達速度的變化實現的。馬達由繼電器控制，繼電器以整個電池為動力啟動馬達。當以最大力矩啟動馬達時，施加于障礙物上的力在啟動時可以達到最大值。本文使用VNH2SP30監視由于馬達負載變化所導致的功率變化。 圖1. 汽車窗戶原理圖 對窗戶升降系統的具體要求是在啟動階段，檢測已經存在的障礙狀態。事實再一次表明，在汽車窗戶升降器升起時，有幾種情況可能發生夾傷事故。兩種最常見的可能情形是∶ ■窗戶玻璃的位置非常靠近窗戶支柱，而且阻塞物體正好位于玻璃和窗戶支柱之間。 ■如果窗戶模胚的形狀為一個銳角，這樣大部份情況下都容易發生夾傷現象(見圖1)。 窗戶升降器的動力來自一個直流馬達。它直接提供旋轉運動，并通過與轉子和磁鼓的耦合來提供變速運動。電樞電路和轉子外形如圖2所示。 圖2. 直流馬達 正常情況（軟啟動）下，在開始啟動階段，馬達功率的增加與其角速度成正比，稍後就以一定常數增加。軟啟動開始期間的夾傷可能性比進入穩定狀態的可能性大。因此，在具體實施時有必要定義兩個在不同時期運行的馬達功率閾值。如果檢測到的防夾狀況達到了夾傷閾值，窗戶玻璃就在下降的過程中停下來以免事故發生；如果是在上升過程中，它將會下降一個固定的長度。 2、硬件實施 本系統的設計原理見圖3，具體實施方案見圖8。采用的元器件介紹如下: ■ ST72F324微控制器∶內部頻率為8MHz，32k字節HDFlash，1k字節RAM，10bit ADC。 ■ L4979穩壓器∶用于軟件失效時微控制器中數據的自動恢復，器件中還嵌入了一個可編程看門狗定時器。 ■ 用于PC串行端口的ST232通信接口。 ■ VNH2SP30全橋馬達驅動器，適合各種汽車電子應用。 圖3窗戶升降器原理圖 其中，穩壓器啟用（Voltage Regulator Enable）連接器（圖4中的第5項）上安裝一個跳線，以便啟用穩壓器，提供系統所需的5V電壓。 上升按鈕(Up key，圖4中的第8項)和下降按鈕（Down key，圖4中的第7項)管腳配置為輸入上拉模式，使其通常處于高電平(5V)；如果按下UP或DOWN按鈕，將顯示兩種不同情況: ■ Short Touch: 如果按下按鈕的時間少于100ms，窗戶玻璃將一直上升或下降（取決于按下的按鈕屬性），直到窗戶的上邊沿或下邊沿接觸到位為止。 ■ Long Touch∶如果按鈕按下的時間超過100ms，窗戶將按照具體接觸狀況上升或下降，具體依賴于按鈕的屬性。 Window Up switch管腳(圖4中的第6項)也配置為輸入上拉模式，且必須連接到一個用來指示窗戶運行結束的機械開關，以便了解是否接觸到了門窗的上方極限位置。 圖4. PCB布局 微控制器可以通過ICP連接器(圖4中的第4項)進行重新編程。PC7連接器（見圖4中的第9項）上的跳線通過一個具有固定占空比（50%）和頻率（20kHz）的PWM信號驅動VNH2SP30，此時沒有防夾傷功能。在驅動有防夾傷功能的窗戶升降器時，必須斷開PC7跳線。具有防夾傷功能情況下的操作流程如圖5所示。 在打開電源或重啟後，微控制器對所有使用過的外設 (輸入/輸出、定時器、ADC和SCI)進行初初始化，并啟動一個只能執行停止重新設定或關掉線路等指令的無限環路（infinite loop）。 重設防夾標志符，微控制器將輪詢訪問各個key管腳。在這一階段，微處理器工作于SLOWMODE模式，以降低功耗。 圖5. 防夾傷功能流程圖 一旦按下按鈕，選擇的將是常規操作模式，并設置或重置VNH2SP30的INA和INB管腳，具體取?于被按按鈕是上升鍵或下降鍵，Timer B Out Compare管腳用來為VNH2SP30提供一個頻率為20kHz、占空比為30%的PWM信號，而Timer A Output Compare管腳用來隨機應變地執行任務，執行時間為1ms。在1ms的任務執行期間，通過ST7 ADC采集電流感應，平均采集時間為10ms。 要知道是否會發生夾傷，必須將功率和平均功率與相應閾值進行比較。所考慮閾值的大小取決于上升啟動階段是否已經完成，或者軟啟動依然在進行中。除非按下了某一按鍵或發生了夾傷現象，占空比均以線性增加到100%為止，而PWM則變成一個常數(圖6)。 圖6. VNH2SP30的PWM信號 在這一點系統等待下一事件∶按下某一按鈕或夾傷現象發生。如果按下了某一按鈕，馬達將停止運行——重置VNH2SP30的PWM管腳，并設定INA和INB使馬達立即?住，使車窗玻璃停止。萬一發生夾傷現象，首先應該檢查Window Up開關。 如果玻璃到達了窗戶上方極限，將驅動馬達運行800ms，將窗戶玻璃鎖定。否則，如果玻璃處于上行過程中，馬達將下行800ms，以釋放被夾物體；如果玻璃處于下行過程中，馬達就停止運行。 3、PC接口 在接通線路板電源後，VNH2SP30按照有關參數的默認值（PWM、軟啟動持續時間、兩個閾值，或固定PWM頻率和占空比）進行編程。借助串行端口，使用PC接口與VNH2SP30之間交換數據，可對上述參數進行修改或采集數據。使用PC接口時，必須保證馬達已經停止。 圖7. PC軟件 從圖7可以看出程序掩碼，使用掩碼上方的滑塊可進行如下改動∶ ■PWM頻率∶可能值為5、10、15或20kHz，默認值為20kHz。降低頻率可以聽到某些噪聲，具體取?于所使用的馬達。 ■軟啟動持續時間∶大概范圍為800ms至2.5s之間，默認值為800ms 。 ■閾值1∶在軟啟動期間使用，具體取?于車窗特徵，默認值為55。增加該閾值，就增加了啟動防夾措施之前施加于障礙物上的力量。 ■閾值2∶用于軟啟動開始之後。默認值為20。同上相同，如果增加該閾值，就增加了啟動防夾措施之前施加于障礙物上的力量。 如果安裝PC7跳線，微控制器就產生一個具有固定頻率和固定占空比的PWM信號，其中，頻率和占空比的大小可以通過調整圖7所示的掩碼中部的數據框中的數字實現。 在設定好所有數值後按“Send”按鈕，這樣在下一次驅動汽車窗戶時就可以使用這些新的數據了。 也可以每毫秒采集一些信號: ■瞬時電流∶它是從VNH2SP30的CS管腳讀取的電流，平均持續時間約10ms，僅僅用來忽略噪聲。 ■完整電流∶它也是從VNH2SP30的CS管腳讀取的電流，但是平均持續時間約100ms。它與瞬時電流波形相似，只是有延遲。 ■差分電流∶它是上述兩個電流的差值，且是根據閾值進行比較的結果。 在選擇了上述任一選項之後，按“Send”按鈕，這同時也改變了PWM頻率和軟啟動等。 信號采集只有按下線路板上的“UP”和“DOWN”鍵之後才能開始，在按下軟件上的“Acquis.Stop”按鈕之後才停止。一旦停止信號采集，將在安裝軟件的目錄下生成一個“.csv”文件。所生成的每個文件由兩欄組成∶第一個帶有時間(ms)信息，第二個是信號的數值。 圖8 基于VNH2SP30的汽車窗戶防夾傷實施方案 |
