采用AVR Flash微控制器的电动车窗防夹系统

     汽车上可自动关闭的电动车窗或车门设备潜藏着卡死，挤压以及可能伤人的危险。它们必须能够反向移动以防止马达所施加的力超出正常限制。这种特性意味着必须持续监视速度、电流和玻璃的位置。

       由于成本和简化的原因，本文所描述的系统使用普通的带有霍尔效应传感器的刷式马达。基于速度和扭矩导数的检测算法已通过健壮性和容错性的验证。该算法可用于所有带有A/D 转换器和通过变化引发中断的I/O 口的AtmelAVR Flash 微控制器。本文描述的是基本原理，Atmel网站上的应用笔记有关于实现的详细描述。

       现代汽车中的电动设备

       目前，在高端客用汽车中电子组件和系统在成本中已占20%以上。增加电子设备的数目可以更好的控制传感器和致动器，从而增强汽车的舒适性和安全性。可以预测，大部分的中等或高级汽车将会系统性的装备电动车窗或车门系统。这些设备中的绝大多数是全自动的，这意味着它们必须附带安全系统以防止伤人或机械故障已有法规设立了电动系统必须遵守的规则。这一点在车窗的升起和车门的滑动上尤其正确的。这篇应用笔记介绍了如何实现一个防夹算法，该算法最初是用于电动车窗系统，但可以轻易地移植到其它可移动设备中。

       标准

       汽车电动车窗受国际标准的约束，如美国的MVSS118 或欧洲的74/60/EEC。在如何降低对儿童的危险度方面，这些文档所提出的要求如下：检测区域：4mm 至200mm；最大夹物力为100N；夹住时可以反向；确定偏转角测试：5N/mm 至 20N/mm。

       关于硬件

       对于确定关键夹物区是否有障碍物进入的不同检测策略有:

       (1)无机械接触。在夹物力施加至物体上之前就有反应。因为没有外力施加在物体上，这是最优的保护方式。它还不依赖于振动、空气动力学变化或变形。但该方法要求有集成的传感器(红外、超声波，等等)以及相关的电路模块和线路，从而导致附加成本。

       (2)有机械接触。所测到的压力传递给系统用于指示有物体被夹住。在这方面，设计者还有两种基本的技术可用：方向测量(力学传感器或接触器集成进车门密封中，这些解决方案成本一直都很高并限制了车窗/车门的样式设计)，或者通过物理监测的无方向测量(这是一种整体成本上最优的解决方案)。

       防夹算法详述

       夹物检测算法一开始就要符合标准(FMVSS118 & 74/60/EEC)的要求：检测区域为4 至200 毫米；最在施加力100 牛；夹住物体时反转方向；标准的确认性测试。

       必须要自适合的原因包括：– 提升系统中的机械部分将会随着时间而变化(老化、局部变形、磨损，等等)；– 电子特性会有很大的变化；– 环境对磨擦力的影响(温度、湿度、结冰等)；系统不应对扰动和不正确的夹物检测有反应。对于空气的磨擦、道路的振动、断电等都必须是健壮的。
 
        使用马达的解决方案的物理参数

       必须可以通过马达的电流算出施加在玻璃上的力在速度方面可以持续提供移动部件的位置信息这些参数都可以用于确定是否遇到物体以及：该物体是否在检测区；所施加的力是否超限

       本文描述了一种防夹算法，该算法通过测量电机电流和霍尔效应速度指示器来工作。只须很少的改动，就可以将该算法用于象滑动车门或蓬顶这样的系统中。

       夹物检测算法

       一般情况下，夹物检测算法的运行是通过间接测量车窗提升系统的，包括电流(扭矩)和位置(速度)。与算法相关的应用笔记采用了两种技术，它们是基于：

       – 存贮在无冲突内存中的校准扭矩：执行初步学习顺序，将扭矩值存贮在内存中这种技术很耗费内存，并要求规定校准顺序。

       – 速度推导计算：很有意义的一种技术，因为它对内存要求较少，但需要更多的计算，具有两种方法的优点。

       在AVR上的实现

       前几段详细描述的算法已经实现，并在一块AVR ATmega88 开发板上进行了测试。图2 描述的是用以实现算法的硬件。它采用了一块标准的ATmega88 以及模拟链来测量电机电流。硬件带有两个霍尔效应传感器。马达的方向是通过一个两极延迟来控制的，并通过一个场效应管来激活马达的开关。

       系统内编程Flash

       系统内编程允许任何位于端系统内的AVR 微控制器进行编程和再编程。通过一个简单的三线SPI 接口，系统内编程器与AVR 微控制器进行串行通讯，从而重编程芯片上的所有非易失性内存。系统内编程无须将芯片从系统中物理上拿出。这样无论是在实验室的开发阶段，还是现场的软件或参数的升级，均可以节约时间和资金。在最终产品阶段将代码上传进Flash 存储器中时，在多个应用和自定义版本中使用同一个标准的AVR Flash 微控制器可以简化总量管理。

       软件描述

       所有代码使用IAR EWAVR 4.1 以C 语言方式实现。基本功能(位置管理、初始化、电流管理、车窗操作、防夹监测)的实现需要2KB Flash。增加扩展功能象校准、阻塞点的检测和存储，可将代码大小扩展至4KB。软件代码可在Atmel的网站中获得，其结构如下：

       初始化脚通过一个霍尔效应传感器(对信号沿的升起和下降敏感)改变所要用的中断。它还初始化用于测量速度和马达电流的时钟和ACD。

       这个函数从EEPROM 或以初始值方式加载车窗提升参数，以初始化车窗提升器。这些参数包括车窗的大小、传感器值、夹物阈值、夹物区域、已知的最后的位置，等等如果在位置参数上是一个缺省值，它能够请求一个下降的命令在底端限制值上初始化车窗提升器。

       这个函数是将车窗提升参数存进EEPROM。

       这个函数包含了车窗提升状态机。它通过已有的事件参数控制车窗的操作。监视车窗的位置、上升和下降端的限制以及防夹系统的状态返回车窗提升器的状态(与get_window_state 函数的值相同)。

       这个中断子例和在霍尔传感器沿执行。它计算滚动方向、位置、推导速度和马达电流参考值通过计算连续的方向变化，它还能够检测出霍尔效应传感器的缺省值(传感器没有连接至一个中断脚上)。

       这个函数强制车窗在一个定义好的步骤后停下来该函数返回车窗提升状态机的状态(这个返回值用于window_ctrl 函数中)。

       建立车窗提升状态：用于强制性操作中(如停止请求…)

       计算最后8 个采样点的均值用于过滤马达电流。

       这个函数监视启动按钮，产生操作命令事件并传递给window_ctrl 函数。