PIC单片机在汽车电动车窗控制器中的应用

    随着汽车电子技术的发展，越来越多的电子产品装载到汽车上，极大地提高了汽车的动力性和舒适性，同时也增加了车内布线的难度和成本。CAN（Controller Area Network）作为一种串行数据通信总线，由于具有良好的可靠性、实时性及灵活性，已经成为国际标准（ISO11898）^[1]，在汽车电子系统中得到了广泛的应用。

　目前，在CAN系统设计中，使用最多的是单片机外挂独立的CAN控制器，如Philips公司的PCA82C200、SJA1000以及Intel公司的82526、82527等芯片。但是采用此类芯片的设计方案不利于系统集成化。本文以Microchip公司内部集成的CAN模块PIC18F258单片机为核心，介绍CAN总线电动车窗控制系统的硬件电路结构及软件设计流程。由于PIC18F258单片机对CAN收发器PCA82C250进行数据操作时只需要TXD、RXD两条数据线，这样就大大简化了硬件电路的设计，提高了系统的可靠性。

1 电动车窗控制系统通信网络的构成

　电动车窗控制系统通信网络共有4个CAN节点电子控制器，分别是：左前门主控制器、右前门子控制器、左后门子控制器、右后门子控制器。采用CAN总线通信技术可以实现4个车门控制器之间的通信,如图1所示。

　操作主控制器除了可以控制驾驶员的车窗玻璃升降外，还可以通过CAN总线控制其余乘客车窗玻璃的升降，同时子控制器也可控制各自位置车窗玻璃的升降。主控制器由Microchip公司的内部集成了CAN模块的PIC18F258单片机、6N137高速光电耦合器、PCA82C250总线收发器等三个主要部分组成。考虑到设计成本和软件编程的方便性，子控制器选用了与主控制器相同的芯片，且具有相同的硬件电路结构。

2 功率驱动芯片及其应用电路

    Motorola公司的功率驱动芯片MC33486以其强大的功能和优异的性能在汽车电子中得到了广泛的应用。此芯片的应用模式为桥式结构^[2],芯片内部有2个高端MOSFET驱动管MOS1、MOS2，外接2个低端MOSFET驱动管MOS3、MOS4组成一个完整的H桥，实现车窗电机的正、反向控制。同时，利用Cur R端的电流镜像功能可方便地实现过流保护和车窗的防夹功能，如图2所示。

    OUT1和OUT2是MC33486的两个高端输出引脚，直接驱动车窗电机M。IN1和IN2受微控制器的控制。当IN1为高电平‘1’，IN2为低电平‘0’时，相应的GLS1输出低电平，GLS2输出高电平，此时MOS1、MOS4导通，MOS2、MOS3截止。OUT1输出正电压而OUT2接地，车窗电机朝某一个方向运转。反之，当IN1为低电平‘0’，IN2为高电平‘1’时，相应的GLS2输出低电平，GLS1输出高电平，此时MOS2、MOS3导通，MOS1、MOS4截止。OUT2输出为正，OUT1接地，车窗电机反转，达到升降车窗玻璃的目的。此外，MC33486在待机模式下有非常低的静态电流，在正常工作时的输出电流为10 A，最大峰值电流为35 A，直流输入电压的范围较宽，可达8 V~28 V。当电压高于28 V时芯片具有过压保护功能。由于该器件性能完善，因而可减小电动车窗控制器的体积，提高EMS（电磁兼容）特性。

3 CAN控制器硬件电路设计

　对电动车窗控制器硬件电路设计的总体要求是系统简单、容易实现、性能稳定可靠，在满足要求的情况下尽量降低成本。

　CAN通信系统硬件电路主要由三部分组成[3]：PIC18F258单片机、6N137高速光电耦合器、PCA82C250总线收发器。电路原理如图3所示。

    PIC18F258是美国Microchip公司生产的内部嵌有CAN总线控制器的高性能PIC系列单片机，由于其超小型、低功耗、低成本、多品种的特点，其应用范围十分广泛。PIC18F258是集成了CAN模块的微控制器,有着先进的精简指令集构架、增强型内核、32级堆栈，片内具有Flash程序存储器、EEROM数据存储器、自编程功能、在线调试器（ICD）和多种内部、外部中断源，并采用了程序和数据空间完全分开的“哈佛”结构。这种结构大大降低了PIC微控制器的总体成本，同时提高了运行效率。在电路中，PIC18F258单片机是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN总线上数据的发送和接收，实现串行数据的分解及组合，保证通信的正常畅通。

    PCA82C250是Philips公司的CAN总线接口芯片，是CAN控制器与物理总线之间的接口，提供对总线的差分发送和接收的功能,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。CAN总线采用PCA82C250芯片作为与总线之间的接口，PCA82C250的CANH、CANL引脚各自通过一个电阻与CAN总线相连，电阻可以起到一定的限流作用，保护PCA82C250免受过流的冲击。另外，CANH和CANL与地之间并联两个小电容，可以滤除总线上的高频干扰和防电磁辐射。光电耦合器采用General Instrument公司生产的高速逻辑门输出光电耦合器6N137，它的最大传输延迟时间是75 ns，典型值是46 ns，采用6N137高速光电耦合电路可以很好地实现总线上节点之间的电气隔离,同时可提高系统的抗干扰能力和传输信号的能力。使用时，光电耦合器的两个电源VCC和V′CC必须采用电源隔离电路进行完全隔离。

4 CAN通信系统软件设计流程

　　软件设计是系统设计的关键。使用开发软件MPLAB IDE、仿真器ICD 2，以及灵活简便的C语言。为了提高可靠性和可理解性[4]，内部软件设计采用了模块结构，主要包括主程序、系统初始化子程序、数据发送子程序、数据接收子程序和电机控制子程序。此外，还应有中断服务子程序、A/D采样子程序、故障诊断子程序和终端子程序等。这里主要对系统初始化子程序和电机控制子程序进行探讨。

　　系统初始化子程序是系统设计工作中极为重要的部分，它是CAN总线系统正常工作的前提，关系到整个CAN系统能否正常工作。因此，初始化设计是一个重点，主要包括CAN模块工作方式的配置、接收滤波器的设置、接收屏蔽寄存器设置、波特率参数设置、发送优先级设置和中断允许寄存器设置等。初始化子程序流程如图4所示。

     对电动车窗的控制可分为软启动、满PWM输出、续流和停止4个阶段。其中包括对电动车窗“手动/自动”控制的判断和处理、车窗上升到顶或下降到底的判断和处理、车窗防夹的判断和处理等[5]，其工作流程如图5所示。程序初始化完成后，在按键端口扫描到有上升或下降按键输入的控制命令后，主程序调用电机控制子程序，车窗电机进入PWM软启动阶段。PWM软启动分为10步，每步20 ms，占空比从10%逐渐增加到100%。随后电机进入上升或下降的工作状态[6]。电动车窗采用PWM控制方式后，启动较为平稳，启动快速性好。

    车窗的防夹功能是利用功率芯片MC33486的Cur R输出端所具有的负载电流线性镜像功能实现的。Cur R端能够输出与车窗电机负载电流I_load成比例的监控电流I_{Cur R}，有如下数学关系：
   
    将此电流转化为电压输入到PIC单片机的A/D采样端，能够完成对车窗电机的控制，实现电动车窗的防夹功能。

    网络化控制是现代汽车电子控制的发展趋势。相对于传统的控制方式，采用CAN总线的电动车窗控制系统可以减少车内的线束。同时可以通过软件编程在不改变原有网络硬件结构的前提下,增加许多功能。PIC18F258单片机内部集成了CAN控制器，可以在线编程。用该芯片设计而成的电动车窗控制系统性能稳定、工作可靠，经实际装车试验，系统的各项功能都得到了很好的实现，为系统的产业化实施奠定了基础。