基于CAN总线的电动汽车车门控制系统的设计

能够达到现代化车身控制的需求。
关键词：ＣＡＮ 总线； 车门控制； 汽车电子； μＣ／ＯＳ－ ＩＩ
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ３３６
文献标识码：Ｂ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｃａｒ’ｓ ｂｏｄｙ ，ｃａｒ’ｓ ｄｏｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＮ ｂｕｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
对汽车在安全性、舒适性和方便性等许多方面的要求。
１ 系统的设计方案和工作过程
根据区域自治的原则，车门控制系统可分为中 央、左前镜、右前镜、左前门、右前门、左后门和右后门 七个控制器单元。七个控制器单元分布在车身的不同 部位，通过 ＣＡＮ 总线联系在一起，相互协同工作，完成 控制任务，其结构如图 １ 所示。
方 案 ， 设 计 了 硬 件 电 路 ， 在 μＣ／ＯＳ－ ＩＩ 实 时 操 作 系 统 下 编 写 了 软 件 ， 制 定 了 ＣＡＮ 总 线 编 码 协 议 ； 并 且 通 过 对 车 窗 电 机 结 构 进
行 分 析 与 测 试 获 得 了 车 窗 夹 持 特 征 ， 提 出 了 车 窗 “防 夹 ”控 制 策 略 。 实 验 证 明 该 控 制 系 统 克 服 了 传 统 汽 车 车 门 控 制 的 弊 端 ，
５ 车窗防夹控制策略
能够自动升降的电动车窗给操作带来了方便的 同时也在存在安全隐患，因此，“防夹”是电动车窗研 究中需要解决的技术问题。由于受价格成本和装配工 艺的限制，中低档车不可能在车门内安装其它传感装 置，这就要求 “防夹”功能要由车门控制单元来完成。
车窗电机电流能够反映车窗的运动的状况，在不 受阻碍的情况下电机电流是一条变化比较缓慢的曲 线，但是如果受到阻力，那么电机电流会出现很大的变 化，因此，通过对在相同的外部条件下所测量到的电流 进行滤波处理后求出固定时间内的面积，并把它作为 判断车窗是否受到夹持的依据是合理的。如图 ３ 所示。
《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 －２３９－
汽车电子
中文核心期刊 《微计算机信息》（嵌入式与 Ｓ ＯＣ ）２００６ 年第 ２２ 卷第 ９－２ 期
时它集成了多种外设：一个串行总线接口 ＳＰＩ、一两个 ８ 通 道 １０ 位 模 数 转 换 模 ＡＤＣ、２９ 个 Ｉ／Ｏ 口 （ＰｏｒｔＡ， ＰｏｒｔＢ，ＰｏｒｔＫ，ＰｏｒｔＥ）、ＣＡＮ 总线控制器模块 ＭＳＣＡＮ１２ 等，而且还有多种工作模式：普通运行模式和特殊操 作模式，普通操作模式中又包括普通宽扩展模式、普 通窄扩展模式、普通单芯片模式这三种方式。它具有 集成度高、可靠性好、支持浮点运算等特点，完全能够 达到设计的要求。
数据域由 ８ 个字节，６４ 位组成，各个单元的数据 域都有不同定义。以左前门单元为例来说明数据域中 各字节的意义，数据域中的第八个字节 Ｂ７ 为车窗电 机指令、第七个字节 Ｂ６ 为门锁控制指令、第六字节
４ 系统的软件设计
程序采用 Ｃ 语言在 Ｍｅｔｒｏｗｅｒｋｓ ＣｏｄｅＷａｒｒｉｏｒ ＩＤＥ 开发环境中编写，使用了该软件的 Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｅｘｐｅｒｔ 功 能。尽管不同的控制器单元有不同的控制程序，但是 程序结构是相同的。
－ ２４０ － ３６０元 ／ 年 邮局订阅号： ８２－９４６
《现场总线技术应用 ２００ 例》
您的论文得到两院院士关注 表 ２ 任务划分表
４．３ 任务的同步与调度 通常多任务操作系统的任务不同于一般的函数， 它无限循环，而且没有返回值。如果没有更高优先级 的任务进入就绪态，当前任务就不会放弃对 ＣＰＵ 的使 用权。为了实现操作系统的正常运行和有关事件的同 步，必须正确处理任务间的通信和事件标志的设置。 各个任务具有不同的优先级，通过调用系统挂起 函数 ＯＳＴａｓｋＳｔａｔＨｏｏｋ（）或延时函数 ＯＳＴｉｍｅＤｌｙ（ ），可以 启动更高优先级的进入就绪态的任务。在设计中，通 过对延时参数的设置，系统每隔一定的时钟节拍，读 取就绪队列中的任务，并判断其优先级决定其运行与 否，通过传递信号量 Ｓｅｍａｐｈｏｒｅ 实现任务间的通信，以 保证时间与任务间的同步、协调。
４．１ 引入 μＣ／ＯＳ－ ＩＩ 实时操作系统 μＣ／ＯＳ－ ＩＩ 操作系统是基于优先级占先式的实时 内核，因此实时性要比非占先式内核要好。它包含了 实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步和内 存管理等功能；它的绝大部分代码都是用 Ｃ 语言编 写，可移植性强，可以在绝大多数 ８ 位、１６ 位、３２ 位以 至 ６４ 位微处理器、微控制器上运行。 ＭＣ９Ｓ１２Ｄ６４ 是 １６ 位微处理器，具有 ４Ｋ 字节的片 内 ＲＡＭ 和 ６４Ｋ 的 Ｆｌａｓｈ Ｒｏｍ，支持分页寻址，完全可以 运行 μＣ／ＯＳ－ ＩＩ 操作系统。μＣ／ＯＳ－ ＩＩ 实时操作系统可以 支持多达 ６４ 个任务，并且能有效地对任务进行调度； 对各任务赋予不同的优先级可以保证任务及时响应， 且降低了程序的复杂度，方便了程序的开发，但在设计 过程中必需考虑代码容量和系统的实时性与安全性。 ４．２ 任务的划分与调度 整个程序由操作系统和一系列用户程序组成。系 统中创建了一个启动任务负责时钟的初始化与启动、 ＣＡＮ 控制模块的初始化和启动、中断启动、模数转换 模块初始化及任务的划分等，在交出 ＣＰＵ 的使用权之 后，只做一些空闲处理。 用户程序根据控制任务的重要性和实行性可以 分成六个具有不同优先级的任务，包括电机控制、键 盘输入、Ａ／Ｄ 采样、电源模块控制、系统监控、状态显 示。除了这些主要任务之外，还有两个中断服务子程 序：一个提供时钟节拍，用于提供周期性信号源；一个 为 ＣＡＮ 接收中断，用于把数据写入环形缓冲区。表 ２ 为任务划分表。
ＳＡＥ Ｊ１９３９ 是以 ＣＡＮ２．０Ｂ 扩展信息格式为基础，用 于大型车辆的协议，本设计参照此协议制定了车门控制 系统的 ＣＡＮ 编码协议，规定了通讯的波特率为 １００ｋＨｚ。
标识码由 ２９ 位组成，按照系统控制要求共定义 了 １１ 个标识码，分别为状态 ＩＤ 和指令 ＩＤ，具体定义 如表 １ 所示。
新 控制外部导通晶体管的装置用来给外围设备供电，以 满足特殊应用所需的功耗极限要求，二次供电电源还
能根据要求切断所选外围设备的供电，以达到减低功
耗的目的。单片机系统通过 ＳＰＩ 接口发送控制命令到
它的内部寄存器开启 ＭＣ３３３８９ 的相应功能。
Байду номын сангаас
电机控制驱动选用了 ＭＣ３３４８６，它带有两个双高
端开关和两个预驱动低端开关，两个低端开关可外接
术
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ＣＡＮ ＢＵＳ，Ｃａｒ ’ｓ ｄｏｏｒ ｃｏｎｔｒ ｏｌｌｉｎｇ，Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｌｅｃｔｒ ｏｎ，μＣ／ＯＳ－ ＩＩ
创
在传统的机械装置与技术在汽车领域的应用已 输入输出量最多，控制最为复杂，除了完成以上功能外，
新 相当成熟，进一步地发展存在投入或成本等方面的局 还必须发送远程控制指令完成所有门窗、门锁的远程控
车门控制系统是车身电子中重要的组成部分，完成 了车门、车窗的电动控制和本地／远程控制，体现了人们
２ 控制器单元的硬件设计
七个单元设计了相同的硬件电路，通过为每个单 元模块编制不同的程序不同的控制功能以减少设计 成本。其硬件电路由单片机控制系统、电源电路及其 ＣＡＮ接口电路、电机驱动电路和输入接口电路等电路 组成，如图 ２ 所示。
技 ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ． Ｗｅ ｇａｖｅ ｏｕｔ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ、ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ、ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ
ｏｎ μＣ／ＯＳ－ ＩＩ ＲＴＯＳ ａｎｄ ｗｒｏｔｅ ＣＡＮ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ， Ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｔｏｒ、ｏｂｔａｉｎｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｂｌｏｃｋｅｄ ｃａｒ’ｓ ｗｉｎｄｏｗ、
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００６）０９－ ２－ ０２３９－ ０３
汽车电子
基于 ＣＡＮ 总线的电动汽车车门控制系统的设计
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ ｏ ｆ Ｃａ ｒ’ｓ ｄ ｏ ｏ ｒ ｃｏ ｎ ｔｒｏ ｌｌｉｎ ｇ ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＣＡＮ ｂ ｕ ｓ
每个控制器单元都接收本地按键指令或 ＣＡＮ 总线 传来的远程控制指令完成电机的控制，同时还要把状态 数据通过 ＣＡＮ 总线发送给监测平台，以便系统的监测 与维护。左前门控制器单元是靠近司机侧的控制单元，
王华平：硕士研究生 国家 ８６３ 重大专项资助项目（２００１ＡＡ５０１３１０）
图 １ 控制系统结构图
限性背景下，电子技术开始广泛应用于汽车领域。从 制；右前门单元可以完成所有门锁的远程控制；两个后
汽车技术的现状和发展看，汽车电子技术是支撑现代 视镜控制器单元没有输入信号它只能接收来自中央控
汽车发展的基础技术之一，它不是简单地对汽车零部 制器的控制指令完成对后视镜电机的控制。
件进行电子控制，而是根据汽车实际使用条件多变的 需要，对汽车进行优化综合控制。由于使用条件不同 有不同的综合控制目标，无法依靠单个部件的控制来 实现所有功能，因此网络技术也将是汽车技术发展的 另一个领域。
２．１ 单片机控制系统 单 片 机 控 制 系 统 主 要 由 ＭＣ９Ｓ１２Ｄ６４ 单 片 机 组 成。ＭＣ９Ｓ１２Ｄ６４ 是 Ｍｏｔｏｒｏｌａ 公司推出的针对汽车的一 款 １６ 位单片机，其开发手段简单、方便，支持 ＢＤＭ 模 式，通过简易的专用电缆接口，可以直接进行仿真开 发；也可采用全功能的在线仿真器进行实时开发。同
两个 ＭＯＳＦＥＴ 管，这样可以形成很强的输出能力。并
且它具有电流回采的功能，能把受控电机的电流反馈
给单片机，这为车窗的“防夹”控制提供了条件。
３ ＣＡＮ 网 络 编 码 协 议 的 制 定
ＣＡＮ２．０Ｂ 协议数据单元是标识码和数据域两个 部分组成，标识码包括了优先权（Ｐ）、保留位（Ｒ）、数据 页 （ＤＰ）、格 式 域 （ＰＦ）、特 定 域 （ＰＳ）、源 地 址 （ＳＡ）和 数 据域（ＤＦ）七部分。
ｇａｖｅ ｏｕｔ ｔａｃｔｉｃ ｏｆ ａｖｏｉｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋ． Ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ， ｉｔ ｗａｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｃａｒ’ｓ
ｂｏｄｙ， ａｎｄ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｃａｒ’ｓ ｂｏｄｙ．
（１．天津工业大学；２．天津市中国汽车研究中心）王 华 平 １ 苗 长 云 １ 陈 弘 ２ 张 丽 丽 １
Ｗａｎｇ ，Ｈｕａｐｉｎｇ Ｍｉａｏ ，Ｃｈａｎｇｙｕｎ Ｃｈｅｎ ，Ｈｏｎｇ Ｚｈａｎｇ ，Ｌｉｌｉ
摘要：本 文 根 据 先 进 的 车 身 控 制 理 念 ， 采 用 现 场 总 线 技 术 和 电 子 技 术 等 研 制 了 基 于 ＣＡＮ 总 线 的 车 门 控 制 系 统 。 提 出 了 设 计
Ｂ５ 和第五字节 Ｂ４ 保留、第四字节 Ｂ３ 为左前门状态 数据、第三个字节 Ｂ２ 为检测及工作模式数据、第二字 节 Ｂ１ 和第一字节 Ｂ０ 为错误代码数据。在每个字节的 每个位也有不同的定义。例如 Ｂ７ 字节从 ｂｉｔ７ 到 ｂｉｔ０ 分 别 表 示 为 左 前 窗 升 、左 前 窗 降 、右 前 窗 升 、右 前 窗 降、左后窗升、左后窗降、右后窗升、右后窗降。
表 １ 标识码的数据结构
图 ２ 控制器单元硬件设计原理示意图
技
２．２ 电源电路和电机驱动电路设计 考虑到整体功耗、电池反极保护、汽车跳启、车辆
术 噪声和汽车休眠等因素，电源电路的采用了 Ｍｏｔｏｒｏｌａ 公司生产的 ＭＣ３３３８９ 芯片。该芯片二个电源整流器的
创 输出专为 ＭＣＵ 和外围器件提供电源，一个低噪声的 ２００ｍＡ 整流器用来给外围设备供电。另外，还有一个