采用AVR Flash微控制器的電動(dòng)車窗防夾系統(tǒng)

汽車上可自動(dòng)關(guān)閉的電動(dòng)車窗或車門設(shè)備潛藏著卡死，擠壓以及可能傷人的危險(xiǎn)。它們必須能夠反向移動(dòng)以防止馬達(dá)所施加的力超出正常限制。這種特性意味著必須持續(xù)監(jiān)視速度、電流和玻璃的位置。

由于成本和簡化的原因，本文所描述的系統(tǒng)使用普通的帶有霍爾效應(yīng)傳感器的刷式馬達(dá)?；谒俣群团ぞ貙?dǎo)數(shù)的檢測(cè)算法已通過健壯性和容錯(cuò)性的驗(yàn)證。該算法可用于所有帶有A/D轉(zhuǎn)換器和通過變化引發(fā)中斷的I/O口的AtmelAVR Flash 微控制器。

現(xiàn)代汽車中的電動(dòng)設(shè)備

目前，在高端客用汽車中電子組件和系統(tǒng)在成本中已占20%以上。增加電子設(shè)備的數(shù)目可以更好的控制傳感器和致動(dòng)器，從而增強(qiáng)汽車的舒適性和安全性?？梢灶A(yù)測(cè)，大部分的中等或高級(jí)汽車將會(huì)系統(tǒng)性的裝備電動(dòng)車窗或車門系統(tǒng)。這些設(shè)備中的絕大多數(shù)是全自動(dòng)的，這意味著它們必須附帶安全系統(tǒng)以防止傷人或機(jī)械故障已有法規(guī)設(shè)立了電動(dòng)系統(tǒng)必須遵守的規(guī)則。這一點(diǎn)在車窗的升起和車門的滑動(dòng)上尤其正確的。這篇應(yīng)用筆記介紹了如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)防夾算法，該算法最初是用于電動(dòng)車窗系統(tǒng)，但可以輕易地移植到其它可移動(dòng)設(shè)備中。

標(biāo)準(zhǔn)

汽車電動(dòng)車窗受國際標(biāo)準(zhǔn)的約束，如美國的MVSS118 或歐洲的74/60/EEC。在如何降低對(duì)兒童的危險(xiǎn)度方面，這些文檔所提出的要求如下：檢測(cè)區(qū)域：4mm 至200mm；最大夾物力為100N；夾住時(shí)可以反向；確定偏轉(zhuǎn)角測(cè)試：5N/mm 至 20N/mm。

關(guān)于硬件

對(duì)于確定關(guān)鍵夾物區(qū)是否有障礙物進(jìn)入的不同檢測(cè)策略有:

(1)無機(jī)械接觸。在夾物力施加至物體上之前就有反應(yīng)。因?yàn)闆]有外力施加在物體上，這是最優(yōu)的保護(hù)方式。它還不依賴于振動(dòng)、空氣動(dòng)力學(xué)變化或變形。但該方法要求有集成的傳感器(紅外、超聲波，等等)以及相關(guān)的電路模塊和線路，從而導(dǎo)致附加成本。

(2)有機(jī)械接觸。所測(cè)到的壓力傳遞給系統(tǒng)用于指示有物體被夾住。在這方面，設(shè)計(jì)者還有兩種基本的技術(shù)可用：方向測(cè)量(力學(xué)傳感器或接觸器集成進(jìn)車門密封中，這些解決方案成本一直都很高并限制了車窗/車門的樣式設(shè)計(jì))，或者通過物理監(jiān)測(cè)的無方向測(cè)量(這是一種整體成本上最優(yōu)的解決方案)。??

防夾算法詳述

夾物檢測(cè)算法一開始就要符合標(biāo)準(zhǔn)(FMVSS118 & 74/60/EEC)的要求：檢測(cè)區(qū)域?yàn)? 至200 毫米；最在施加力100 牛；夾住物體時(shí)反轉(zhuǎn)方向；標(biāo)準(zhǔn)的確認(rèn)性測(cè)試。

必須要自適合的原因包括：– 提升系統(tǒng)中的機(jī)械部分將會(huì)隨著時(shí)間而變化(老化、局部變形、磨損，等等)；– 電子特性會(huì)有很大的變化；– 環(huán)境對(duì)磨擦力的影響(溫度、濕度、結(jié)冰等)；系統(tǒng)不應(yīng)對(duì)擾動(dòng)和不正確的夾物檢測(cè)有反應(yīng)。對(duì)于空氣的磨擦、道路的振動(dòng)、斷電等都必須是健壯的。

使用馬達(dá)的解決方案的物理參數(shù)

必須可以通過馬達(dá)的電流算出施加在玻璃上的力在速度方面可以持續(xù)提供移動(dòng)部件的位置信息這些參數(shù)都可以用于確定是否遇到物體以及：該物體是否在檢測(cè)區(qū)；所施加的力是否超限

本文描述了一種防夾算法，該算法通過測(cè)量電機(jī)電流和霍爾效應(yīng)速度指示器來工作。只須很少的改動(dòng)，就可以將該算法用于象滑動(dòng)車門或蓬頂這樣的系統(tǒng)中。

夾物檢測(cè)算法

一般情況下，夾物檢測(cè)算法的運(yùn)行是通過間接測(cè)量車窗提升系統(tǒng)的，包括電流(扭矩)和位置(速度)。與算法相關(guān)的應(yīng)用筆記采用了兩種技術(shù)，它們是基于：

– 存貯在無沖突內(nèi)存中的校準(zhǔn)扭矩：執(zhí)行初步學(xué)習(xí)順序，將扭矩值存貯在內(nèi)存中這種技術(shù)很耗費(fèi)內(nèi)存，并要求規(guī)定校準(zhǔn)順序。

– 速度推導(dǎo)計(jì)算：很有意義的一種技術(shù)，因?yàn)樗鼘?duì)內(nèi)存要求較少，但需要更多的計(jì)算，具有兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。

在AVR上的實(shí)現(xiàn)

前幾段詳細(xì)描述的算法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并在一塊AVR ATmega88 開發(fā)板上進(jìn)行了測(cè)試。圖2 描述的是用以實(shí)現(xiàn)算法的硬件。它采用了一塊標(biāo)準(zhǔn)的ATmega88 以及模擬鏈來測(cè)量電機(jī)電流。硬件帶有兩個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器。馬達(dá)的方向是通過一個(gè)兩極延遲來控制的，并通過一個(gè)場效應(yīng)管來激活馬達(dá)的開關(guān)。

系統(tǒng)內(nèi)編程Flash

系統(tǒng)內(nèi)編程允許任何位于端系統(tǒng)內(nèi)的AVR 微控制器進(jìn)行編程和再編程。通過一個(gè)簡單的三線SPI 接口，系統(tǒng)內(nèi)編程器與AVR 微控制器進(jìn)行串行通訊，從而重編程芯片上的所有非易失性內(nèi)存。系統(tǒng)內(nèi)編程無須將芯片從系統(tǒng)中物理上拿出。這樣無論是在實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)階段，還是現(xiàn)場的軟件或參數(shù)的升級(jí)，均可以節(jié)約時(shí)間和資金。在最終產(chǎn)品階段將代碼上傳進(jìn)Flash 存儲(chǔ)器中時(shí)，在多個(gè)應(yīng)用和自定義版本中使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的AVR Flash 微控制器可以簡化總量管理。

軟件描述

所有代碼使用IAR EWAVR 4.1 以C 語言方式實(shí)現(xiàn)?；竟δ?位置管理、初始化、電流管理、車窗操作、防夾監(jiān)測(cè))的實(shí)現(xiàn)需要2KB Flash。增加擴(kuò)展功能象校準(zhǔn)、阻塞點(diǎn)的檢測(cè)和存儲(chǔ)，可將代碼大小擴(kuò)展至4KB。軟件代碼可在Atmel的網(wǎng)站中獲得，其結(jié)構(gòu)如下：

初始化腳通過一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器(對(duì)信號(hào)沿的升起和下降敏感)改變所要用的中斷。它還初始化用于測(cè)量速度和馬達(dá)電流的時(shí)鐘和ACD。

這個(gè)函數(shù)從EEPROM 或以初始值方式加載車窗提升參數(shù)，以初始化車窗提升器。這些參數(shù)包括車窗的大小、傳感器值、夾物閾值、夾物區(qū)域、已知的最后的位置，等等如果在位置參數(shù)上是一個(gè)缺省值，它能夠請(qǐng)求一個(gè)下降的命令在底端限制值上初始化車窗提升器。

這個(gè)函數(shù)是將車窗提升參數(shù)存進(jìn)EEPROM。

這個(gè)函數(shù)包含了車窗提升狀態(tài)機(jī)。它通過已有的事件參數(shù)控制車窗的操作。監(jiān)視車窗的位置、上升和下降端的限制以及防夾系統(tǒng)的狀態(tài)返回車窗提升器的狀態(tài)(與get_window_state 函數(shù)的值相同)。

這個(gè)中斷子例和在霍爾傳感器沿執(zhí)行。它計(jì)算滾動(dòng)方向、位置、推導(dǎo)速度和馬達(dá)電流參考值通過計(jì)算連續(xù)的方向變化，它還能夠檢測(cè)出霍爾效應(yīng)傳感器的缺省值(傳感器沒有連接至一個(gè)中斷腳上)。

這個(gè)函數(shù)強(qiáng)制車窗在一個(gè)定義好的步驟后停下來該函數(shù)返回車窗提升狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)(這個(gè)返回值用于window_ctrl 函數(shù)中)。

建立車窗提升狀態(tài)：用于強(qiáng)制性操作中(如停止請(qǐng)求…)

計(jì)算最后8 個(gè)采樣點(diǎn)的均值用于過濾馬達(dá)電流。

這個(gè)函數(shù)監(jiān)視啟動(dòng)按鈕，產(chǎn)生操作命令事件并傳遞給window_ctrl 函數(shù)。