第23卷第3期
2010年6月
山东科学SHANDONG SCIENCE Vol．23No．3Jun．2010
收稿日期：2010-
04-10作者简介：孙能勇（1982－），男，助理工程师，从事电力电子技术研究。E-
mail ：89815657@163．com 文章编号：1002-4026（2010）03-0074-04基于PIC18F2580的智能防夹手电动车窗设计
孙能勇1，王冬雪2，马建辉2，成巍
（1．胜利油田电力管理总公司纯梁供电公司，山东博兴256504；
2．山东省科学院自动化研究所汽车电子重点实验室，山东济南250014）
摘要：提出了一种基于PIC18F2580的电动车窗防夹手控制方案，系统采用LIN 总线通信，利用可以检测负载
电流的半桥驱动芯片驱动车窗电机。该方案性价比较高。
关键词：LIN 总线；防夹手车窗；半桥；MCU
中图分类号：TP336文献标识码：B
为保证乘客安全，现在很多乘用车都采用了电动防夹手车窗（Anti-
Pinch Window Lifter ，APWL ）。现有的APWL 都是在玻璃升降器的电机上安装霍尔元件来感应电机是否受到了阻力，或者安装其他的光学类的传感器。这种电动车窗需要在现有的普通玻璃升降器上安装额外的传感器。本文介绍了一种在现有车窗电机的基础上无需安装传感器就能实现车窗防夹功能的车窗控制模块。方案采用LIN 总线通信网络
［1］，完全可
以满足汽车电动车窗控制对总线的要求。1电动车窗的工作原理
电动门窗主要由门窗电机、玻璃升降器、控制开关及其控制电路组成。门窗电动机是一个永磁、两极直流电动机，内部装有减速装置。电动机内部一般装有电流保护装置，在运动受阻时能自动切断电源，从而避免电动机的烧毁。门窗电动机一般设计成正反旋转，具有较高的输出转矩、低噪声、小体积、扁平外形和短时
工作制，
并对尘埃及洗涤剂具密封防护性能。目前常用的电动门窗玻璃升降器有绳轮式、交臂式和软轴式［2］。
中低档车型的电动车窗控制电路中，控制车窗电机采用的是开关和继电器，比较容易发生粘连等问题。本系统采用智能功率驱动器件控制车窗电机，通过控制加在直流电机上的电压方向来控制电机的转动方向。升降器电机通过的电流的变化完全反映玻璃上升或下降过程中遇到的阻力变换情况，通过采样玻璃升降器电机通过的电流，就可以监测玻璃升降过程中阻力的变化情况从而执行相应的操作。智能功率驱动器件可以实现对电机的过流、过压及过热保护，而且通过监测电流自动识别玻璃上升途中遇到障碍的状况，进而进行反转，防止夹伤。控制模块可以实现的功能：
（1）自动升降：短时间（小于300ms ）按下车门控制键，车窗自动上升到顶或下降到底，短时间（小于300ms ）按同一开关任意键，车窗停止自动上升或下降；
（2）手动升降：长时间按车窗控制键（按键时间大于300ms ），车窗上升或下降，上升或下降过程中释放按键，车窗立即停止；
（3）到达顶端停止：车窗运行到顶位或底位时自动停止，车窗电机断电；
第3期孙能勇，等：基于PIC18F2580的智能防夹手电动车窗设计（4）车窗玻璃在自动上升的过程中如果遇到一定的阻力会自动停下来，下降一段距离，能有效地防止人或物品的意外夹伤。
2
车窗控制器硬件设计2．1车窗控制方案设计
图1车窗控制器原理框图
本方案设计以标志206的车窗电机为例，电机的
供电电压11 15V ，工作电流不大于15A ，堵转电流
低于28A 。车门控制模块的电路主要由以下几部分
组成：电源电路、微控制器部分、电动车窗驱动电路、
总线接口电路等，车窗控制模块的框图见图1。车窗
控制的按键采集由专门的开关采集模块采样。开关
采集模块作为LIN 系统的主节点，把采集的控制命令
通过LIN 总线发送给车窗控制模块。其中MCU （微
控制器）采用单片机PIC18F2580，该单片机片内集成
了A /D ，PWM ，CAN 控制器，URAT ，SPI 等功能。采用单片机PIC18F2580控制功率器件的开关动作，同时对系统状态进行实时监控，接收故障反馈信号，并通过车载网络实现与中央车身控制器及其他车门控制器的故障信息和按键控制信息的交换，从而及时在用户界面上显示故障内容并对车门进行实时控制，确保了行车安全。
2．2MCU 及LIN 通信接口设计
图2PIC18F2580外围接口电路
PIC18F2580是Microchip 公司生产的采
用纳瓦技术的低功耗芯片，片内具有16K
Flash ，有多个时钟源可供选择，内部集成了
10位AD 转换器、增强的可寻址USART 等
模块［3］。MCU 的外围接口电路如图2所示。
选用TJA1020作为LIN 收发器，
TJA1020是LIN 主/从协议控制器和LIN 物
理层总线之间的接口，主要用于车内辅助网
络，其波特率为2．4 20kbit /s 。控制器在
TXD 管脚输入的发送数据流通过LIN 收发
器转换成LIN 总线信号，并由收发器控制转
换速率和波形，
减少电磁发射（EME ）。LIN 总线的输出管脚通过一个内部终端电阻拉成高电平。收发器在LIN 总线的输入管脚检测数据流并通过管脚RXD 发送到微控制器。TJA1020具有高达20kbit /s 的波特率和极低的电磁发射（EME ）；有高抗电磁干扰性（EMC ）和低斜率模式可以进一步降低EMI ；在睡眠模式下电流消耗极低，可实现本地或远程唤醒；还具有发送数据显性超时功能；LIN 总线对电池和地的短路有保护功能；具有总线终端和电池管脚，可防止汽车环境下的瞬变电压。因此选择TJA1020完全可以满足本设计要求的性能。
2．3电动车窗全桥驱动电路
电动车窗电机需要用全桥驱动电路驱动电机正反转，以带动车窗上升和下降。全桥驱动电路可以采用
继电器或者利用半导体集成电路。继电器价格低廉，
驱动电流大。但是没有过电流、过电压保护功能，还需要外加电路判断车窗电机是否故障。半导体集成桥式驱动电路解决了上述缺点，而且EMC 性能好。桥式集
57
山东科学2010年成电路如飞思卡尔的MC33486［4］、英飞凌的BTN7960B 以及意法半导体的VNH2SP302E ［5］。
英飞凌的汽车功率器件具有性价比高的特点，而且类型丰富。本方案驱动设计采用两片BTN7960B 组
成全桥电路控制电机的正反转。BTN7960B 的半桥电路的电阻典型值16m Ω，
电阻极低；静态电流的典型值7μA ，静态功耗极低；PWM 频率可自由调节，最大到25kHz ；开关时如果过电流过大则自动限制电流以降低功耗，限制电流最小值是33A ；有电流感应功能，用于状态诊断；而且驱动电平翻转率可调整，可降低EMI
。
图3BTN7960B 驱动电路BTN7960是用于电机驱动的大电流半桥，是
NovalithIC TM 系列的芯片，在单个封装内集成了一个P 沟道
高端MOSFET 、一个N 沟道低端MOSFET 和一个集成的IC
驱动电路。由于P 沟道高端开关的存在，去掉了电荷泵驱
动电路减少了EMI 。内部集成的驱动IC 使BTN7960B 与
MCU 的接口比较简单，可以直接连接逻辑电平输入，通过
电流感应进行故障诊断，调整器件的输出翻转率，死区产
生，过电压、过温度、过电流和短路保护。BTN7960为大电
流PWM 电机提供优化的解决方案并占用较低的电路板空
间。电动车窗控制电路如图3所示。
3
软件设计3．1车窗电机的控制
MCU 接收到来自LIN 总线主节点的驱动命令后，驱动车窗上升或者下降。电机启动时，如果直接给电
机直流供电会造成启动电流过大，
需加PWM 控制，控制时间为100ms 内。接收到驱动电机停止命令后，关闭桥式电路。电机自动升降过程中没有接收到停止命令，如果到达车窗的两端或者遇到强硬障碍物停止瞬间，电流迅速增大，电机堵转电流较大。因此在设计中极力避免堵转，根据采样电流的变化判断出车窗是否到达两端。在程序中设定一个最大电流I MAX 。自动升降过程中只要检测到电流大于I MAX 就立即停止电机。
3．2
防夹算法的实现
图4车窗下降过程电流变化
为了实现电动玻璃的防夹功能，设计研制的车
窗控制模块必须包括两种功能：能够准确判断是否
遇到障碍物；遇到障碍后能够准确判断玻璃是在上
升过程中还是已经上升到顶部。如果车窗控制模
块判断玻璃在上升过程中遇到障碍物，则控制模块
发出指令，
电机反转，车窗下降一段距离后停止；如果车窗控制模块判断玻璃已经上升到最顶端，
则控制模块发出指令电机停止，车窗关闭，见图4。
车窗上升到顶部和车窗上升过程中遇到阻力
时直流电机的电流变化情况见图5、图6。通过对
比图5，图6发现，在上升到最顶部和上升过程中
遇到阻力两种情况下，电机的电流都从正常工作电
流急剧增大，因此可以通过监测电机的电流幅值来判断是否遇到障碍。但是电机的瞬时电流变化可能会出现峰值，因此幅值必须是一段时间内的电流平均值。当电流平均值I ＞I MAX （设定的最大关断电流）时，认为玻璃上升过程中遇到障碍或是上升到最顶端，可以通过调节I MAX 的大小来调节上升防夹力的大小。
仅通过幅值不能判定车窗是在上升过程遇到障碍还是到了顶端，通过对比图3，图5发现，在车窗上升过程中遇到阻力和到达顶端两种情况下电机电流变化快慢不一样。车窗上升过程中遇到阻力时，电流迅速67
第3期孙能勇，等：基于PIC18F2580的智能防夹手电动车窗设计增大，此后电流变化率逐渐降低达到一定值后，电流极其不稳定，这个时间在300 500ms 之间；车窗正常上升过程中，电流的变化率逐渐增大，到达顶端时变化率急剧增大，电流迅速超过I 阻力并保持峰值电流。根据
上述特点判断车窗上升到顶端时立即停止，
如果是遇到障碍物则回调2cm 后停止
。4结语
本设计方案采用智能桥式驱动电路BTN7960，电压输入范围宽，工作电流大，具有电流感应功能，体积小
且性价比高；采用LIN 总线通信则降低了成本。这种防夹手电动车窗具有过电压、
过热、过电流自我保护功能，可以检测驱动电流，判断车窗故障，并把故障信息通过LIN 总线发送给主机，方便用户查询故障信息，具有良好的市场前景。
参考文献：
［1］解友华，殷承良，舒杰．LIN 总线在电动车窗系统控制中的应用［
J ］．微计算机信息，2008，24（2）：223－225．［2］吴海燕，吴志红，朱元，刘宋涛．车门控制模块的电动车窗的设计［
J ］．今日电子，2006，9：74－77．［3］李学海．PIC 单片机［
M ］．北京：北京航空航天大学出版社，2004．［4］杜琳，姜久春，潘磊．双高端开关器件MC33486在车身电控系统中的应用［
J ］．电气应用，2005（7）：122－124．［5］李艳文，龚进峰，曹健，张宏伟．基于VNH2SP302E 的电动车窗设计［J ］．汽车工程，2008，30（4）：360－363．77