杨莉+钟正青

摘 要：针对目前汽车天窗及其防夹功能存在的隐患，文中设计了以STM8AF6288作为主控芯片的汽车自动天窗控制单元。该控制单元通过操作开关来控制天窗运行。继电器闭合对天窗机构进行驱动，实现天窗的平移打开、平移关闭、起翘打开、起翘关闭、防夹回退等控制功能。一体式电机控制单元代替传统的分体式电机控制单元，使得安装更加方便、简单，节省空间，同时也大大降低了成本。

关键词：天窗；控制器；电机；继电器；防夹

中图分类号：TP391.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）02-0-03

0 引 言

随着汽车电子技术的发展，人们对汽车的安全性和舒适性提出了越来越高的要求，汽车自动天窗已经成为轿车上的重要部件，它可以有效改善车内的空气环境和采光。天窗在给人们生活带来舒适感的同时也暴露了其所存在的问题，如经常在各种媒体上看到的天窗夹人、天窗关闭不严等问题[1]。为了保证人身安全（尤其是小孩），急需解决天窗存在的问题。

文中设计了一种适用于汽车自动天窗的防夹控制单元，集控制器PCBA板和电机于一体，通过一系列机械结构将电机的正、反转动作转换为天窗的打开和关闭动作。通过一定的算法并结合传感器信号进行位置探测，精度高，安装方便，生产成本低，寿命长且具备防夹功能[2]。

1 系统硬件设计

电路设计是硬件系统的核心，对于硬件电路设计来说，要优先保证系统的稳定性。系统的硬件设计结构框图如图1所示。汽车自动天窗的电子控制系统主要由ECU（电子控制单元）、天窗电机、天窗软轴、天窗开关等组成。其机械原理是电机安装在天窗前部的框架上，电机齿轮旋转时，天窗玻璃组合受到软轴的拉动实现打开、关闭及起翘。控制系统设计包括核心控制的MCU模块、电源电路、继电器驱动电机电路、霍尔元件电路以及LIN通讯等。

1.1 MCU模块设计

根据汽车自动天窗控制系统的功能需求，控制器MCU模块硬件电路采用ST公司的8位汽车专用STM8A系列作为主控制芯片。该芯片为汽车级芯片，能够满足汽车控制器对工作环境的各种苛刻要求，同时提供足够的硬件资源和较快的运行速度[3]。芯片性能的好坏对整个系统的功能实现存在很大的影响。STM8A是一款专用于满足汽车应用的特殊需求的8位Flash微控制器[4]。具有集成式数据E2PROM，16 MHz和128 kHz的RC振荡器，并且在16 MHz的频率下可以实现10M IPS的性能，有独立的看门狗定时器、时钟安全系统、电源掉电复位，可以执行CAN和LIN通信，其供电电压为5 V，并可通过集成收发器连接到网络上。MCU芯片的管脚定义图如图2所示。

1.2 继电器驱动模块设计

汽车自动天窗运行的控制对象是工作额定电压为13.5 V，额定电流为2 A的直流小电机。该电路设计采用NPN三极管，当输入为0 V时，三极管截止，继电器线圈无电流流过，继电器关闭（OFF）；相反，当输入为某一电压时，三极管饱和，继电器线圈有电流流过，继电器导通（ON）[5]。ECU单元通过继电器控制电机的正反端，当正端接通电源正极，负端接通电源负极时，电机正传，天窗动作为起翘关闭和水平打开；当正端接通电源负极，负端接通电源正极时，电机反转，天窗动作为起翘打开和水平关闭。ECU通过判断继电器的开闭状态来判断天窗的运行位置，并且防夹功能只有在水平关闭和起翘关闭过程中才有效。集控制器PCBA板和电机于一体，通过一系列机械结构将电机的正、反转动作转换为天窗的开闭。

继电器驱动模块主要电路原理图如图3所示。当输入INPUT电压变为0 V时，三极管由饱和变为截止，此时继电器电感线圈中的电流便失去了流通通路，若无续流二极管D1，则将在线圈两端产生较大的反向电动势，极性为下正上负，电压值高达一百多伏。这个电压加上电源电压一起作用在三极管的集电极上足以损坏三极管。故续流二极管D1的作用是将这个反向电动势放电。

1.3 电源管理模块设计

设计电源管理系统必须考虑输出的电压、电流和功率；输入的电压、电流；安全因素；输出纹波；电磁兼容和电磁干扰；体积限制；功耗限制及成本限制等[6]。系统对电源的稳定性要求很高，所以要采用LDO稳压芯片。控制单元设计的核心是确定电源要求并选择合适的电源方案。适合控制器的电源包括线性电源（或称线性稳压器）和开关电源（或开关稳压器）。在车身控制模块的供电电源方面，中国市场上所售的汽车中，轿车一般采用12 V电源[7]，本设计推荐使用ST公司的5V稳压芯片L5150BN。图4所示为L5150BN的应用电路，电路中的电容器也起到稳压作用。系统采用线性电源稳压电路的供电电压为12 V，用于电机和继电器工作。MCU芯片的工作电压为5 V，使用稳压电路，将12 V电源电压转变为5 V，为MCU内部各模块提供5 V电源。

1.4 LIN通信模块设计

天窗的通信不需要较大的带宽或实现复杂的功能，因此选择经济型的串行通讯总线——LIN总线。在设计中，描述了推荐的LIN主/从节点收发器及其外围集成电路。接口电路的示意图如图5、图6所示，其中，LIN收发器采用TJA1021芯片。它是专用于LIN总线的物理层接口器件，完全兼容LIN2.0协议，LIN网络波特率最大不超過20 kb/s，且具有非常低的电磁辐射和良好的电磁兼容性。

LIN总线输出管脚通过一个内部上拉电阻输出高电平。在主机应用中，管脚INH或管脚VBAT与管脚LIN之间必须串联一个外部电阻和二极管。接收器在LIN总线输入管脚检测数据流并通过管脚RXD发送到微控制器。在睡眠模式中，TJA1021的功率消耗非常低；在故障模式下，功率消耗极低[8]。

LIN既可基于MCU自带的UART模块也可基于独立的LIN控制器实现。与车身控制器BCM进行通信，ECU通过LIN线检测车速信号，天窗控制器通过LIN线更新天窗状态。为了使主从节点之间能够进行正常通信，LIN主节点需要一个上拉电阻。在ECU与BCM的通信过程中，BCM为主模式，ECU为从模式。通信流程均为BCM发起询问，ECU应答。

2 系统软件设计

软件设计是控制系统功能实现的关键。主要包括所有底层驱动功能的实现、LIN总线通信层的实现和算法实现。LIN通信协议程序主要负责与BCM交互[9]，例如ECU进行错误检测后，通过LIN总线将错误信息发送给BCM，BCM做进一步处理。汽车自动天窗控制单元的软件实现流程如图7所示。

3 实验

3.1 高温高湿耐久性试验

试验条件及技术要求如下：

（1）试作模拟实车装配状态；

（2）逐步升高恒温箱温度至（85±2）℃，湿度调节为（85±5）%，放置1小时；

（3）通电后，马达正转10秒，反转10秒，休息30秒，此过程为一循环，运行1 000小时。试验过程及记录如下：

（1）试验前对样品外观功能进行检查，样品外观功能均正常；

（2）将样品放入恒温恒湿试验箱中，设置试验温度为85℃，湿度调节为85%，持续放置1小时，然后为样品通电，持续运行1 000小时；

（3）试验完后取出样品，常温下放置2小时后检查，发现样品外观清洁无气泡、无毛刺，正常运行。

3.2 叠加交流电压测试

试验条件及技术要求如表1所列。

试验过程及记录如下：

（1）试验前对样品外观功能进行检查，样品外观功能均正常；

（2）将样品接入汽车瞬变脉冲测试系统，设置试验参数，试验电压范围14 V～18 V，频率范围从50 Hz到20 kHz，120 s一个循环，持续5个循环；

（3）试验完对样品进行测试，样品外观功能正常。

3.3 防夹测试试验

用12 V的直流电源给天窗电机供电，将样件安装到电机中后上电。按住测试板的Close/Tilt Up（平移关闭/起翘打开）按键超过7 s，天窗便从当前位置进入硬起翘位置，再进入软零点，完成初始化。通过点触按压测试板Open/Tilt Down（平移打开/起翘关闭）按键、Close/Tilt Up按键可使天窗经历一个完整行程，此行為是天窗防夹力学习过程。设置夹力测试计不超过100 N，通过Close/Tilt Up按键、Open/Tilt Down按键控制天窗平移关闭、起翘关闭，查看天窗是否遇到障碍物后回退。

通过试验测试，天窗遇到障碍物后回退，平移区回退到平移开点，起翘区回退到起翘开点。

4 结 语

该控制单元充分利用了片上资源，降低了系统的设计和生产成本。而控制器的睡眠、BMS超时检测功能和防夹功能，也在提高驾驶舒适性的同时，提高了系统的可靠性，保证了行车安全[10]。本文设计的自动天窗控制单元在内藏式轿车天窗上进行了实车测试，实验结果表明，自动天窗可以完全按照设计要求工作，各项功能经实车测试都可以达到标准。

参考文献

[1]崔光宇，郭兴龙，刘牧之.一种新型防夹天窗的设计[J].汽车电器，2015（11）：28-30.

[2]傅侃，刘博，李二涛.基于LIN总线防夹电动车窗的研究与设计[J].杭州电子科技大学学报，2008，28（3）：39-42.

[3]韩勇.车身控制器的设计[D].南京：南京理工大学，2008.

[4] STM8A：汽车电子MCU方案[J].世界产品与技术，2013（3）：21-23.

[5]兰雅琼.智能家庭影院控制终端的设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2015.

[6]司庆华.嵌入式音频控制器的设计[D].南京：南京理工大学，2006.

[7]安美森半导体.车身控制模块设计要求及安美森半导体解决方案[J].电子元器件资讯，2009（9）：37-39.

[8] TJA1021—LIN2.0标准收发器数据手册[Z].

[9]任佳丽，李月香.汽车电动天窗控制单元的设计与实现[J].机械管理开发，2009，24（2）：185-187.

[10]吴志红，陆科，朱元，等.一种高性价比的电动车窗控制器设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2009（4）：43-45.