0中国集成电路
China Integrated Circuit
系统设计♦
基于Aut o ChipsAC781xMCU的
涂超平，刘幸辉
杰发科技
摘要：自动升窗逐渐成为市场青睐的亮点功能，车窗玻璃防夹在乘用车的普及率也在不断提高。整车厂需要一种高性价比、高可靠性的防夹方案。杰发科技A utoC hipS）基于旗下汽车级微控制器A C781x可提供基于电机纹波电流防夹的解决方案。
关键字：杰发科技AutoChipS）；汽车级微控制器；纹波防夹
The design of anti-pinch system based on AutoChips AC781x MCU
TU Chao-ping,LIU Xing-hui
Au1oCh:ps
Abstract:A utom atic w indow lifting has gradually becom e the highlightiunction favored by the m arket,and the pop-ularily ofw indow glass antipinch in passenger cars is also increasing.V ehic]e m anui^cturers need a high costperfor-m ance,high reliability antipinch schem e.AutoCh血s can provide a solution based on m otorr^p]e currentaniip:i nch based on autom otive m icroconitrollerac781x.
Keywords:AutoChips;AEC-Q100MCU;Anti-pinch
电动车窗防夹功能作为重要的汽车安全配置，已被越来越多的客户所重视。欧洲的2000/4/CE标准、美国的FMVSS118标准均要求乘用车必须具备四门玻璃防夹功能。国标GB11552-2009规范要求有自动升窗功能则必须带防夹。相关法规对车窗防夹区间及防夹力度都有相关的规定，要求的防夹区
中国集成电路
China Integrated Circuit 系统设计
间定义如图1遥
图1防夹区域示意图
玻璃与防夹区域内的物体比如人手等）之间的夹紧力应控制在70+20N，其中测量夹紧力的装置的弹性系数K不应低于10N/fam遥在防夹区域内任何一个位置有物体被玻璃夹住，都需要立刻触发防夹反转功能遥发生防夹发转时，玻璃向下反转15厘米的距离。如果反转15厘米距离后已经超过软停位置下降），那么仅反转到软停位置下降）。
目前国内各主机厂均已开始推动四门防夹功能的标配化工作。而实现四门防夹功能基于防夹原理不同主要有两类技术路线:A、四门霍尔电机集成防夹模块;B、四门纹波电机、独立纹波防夹控制模块。目前纹波防夹技术作为新技术，具有成本低、功能易扩展等优势。我们使用国产车规级M CQ AC781x）开发了基于纹波防夹技术的车门玻璃升降系统，能够实现玻璃手动升降、一键升降、防夹、各类环境自适应等功能。
1微处理器介绍
本设计所使用的微处理器M iciocontroHerUnit, MCU）型号为AC7811MBFE遥AC781x系歹」MCU是杰发科技AutoChips）自主研发设计的国产车规级M CU遥具有高性能、高可靠性、高性价比等诸多优势。AC781x系歹」MCU通过AEC-Q100Grade1认证，于2018年量产，目前已被多个自主品牌车厂采用，品质与稳定性得到车厂的认可。
AC781x系列MCU规格参数如下：
•ARM Cortex®-M3内核100M H z，单周期32位x32位乘法器
•最大支持256kB嵌入式闪存
•最大支持64kB RAM
•支持2路CAN 2.0B
•支持1路LIN 2.1,1路UART LIN
•支持2路SPI
•最大支持6路UART
•支持2路I2C
•2.7-5.5V电源供电
•温度范围：-40!o125°C
•芯片封装:LQ FP64,LQ FP80
车规级MCU与消费级MCU、工业级MCU的差别主要体现在温度范围、质量和可靠性、质量体系、Q&R保证、制造控制、供货时间、寿命设计等方面遵循的标准有很大差别。主要差别对比如表1所示。
表1芯片质量与可靠性等级比较
消霰蜒HCU工业址叩
■40-
*B5/1D5r'40'+125'<' fll■和可享性^2ODPPM斗缺科曲禺汽车自动升窗器
IS090Q1130?001MTF1嗣聘m1采证剧户定舅J E CG AEC-Q100
不骗定怏达15年林设计3-S早S*1O年1S年
在芯片设计端导入DFM EA，收集和整理人/机/法/料/环带来的潜在失效，并做相应的预防。在可靠性设计上，导入汽车芯片老化模型、电源完整性签核、信号完整性签核、冗余设计、异常检测、宽电压范围支持2.7-5.5V）。AC781x车规MCU导入及设计流程如图2所示。
图2AC781x车规导入及设计流程
中国集成电路
China lntegrated Circult
系统设计♦
AEC-Q100Grade1车规级认证由第三方机构测
试，试验标准：所有试验项通过，所有试验样品零失
效。典型试验项如表2所示。
表2典型测试项
站果
|HTDL)环境说理125"C.100Q不耐
LffL也••：11倍KC
pfl£5 HWilC^IA^aCiMV-土：
泅;5WV|：±>
pin75DV<
8KV
p9¥S
卜］锁锻应(L
*t ch-up)帥境且也T25C
IflCto门国mA
It
离切迩压力测试
iHAST)HO'C/SSMM264•卜站坏工作电砥；1.t fa m
卑天光爺皐评帖
i.ELFfi)坏mjt125'C.2A小时
IIEDR・15Q G/44-11{
LEDR.S5：C/4小时
HTDR.lSEFC/伯咅彳、时
LTW.55'C/1COO4'时
口自占白
住认11
lt v Dual if Jtstion-1
TSO c.扣锁小时
W^^-65C/I5O C,10OT衣循坏
冊通应•”嵩试，130033.3P5IK21«书时卅"常塑丄矽01 3.26&CI-4ht
上述介绍了车规级MCU AC781x的基本情况，该MCU可以满足车窗升降控制器的要求。
2防夹原理介绍主窗开关
目前市面上车窗升降器防夹功能实现主要有如下两种方式：1.霍尔传感器方案;2.电机电流纹波方案。
基于霍尔传感器的方案需要在电机上安装磁环，磁环随电机转动，并经过霍尔传感器产生方波信号，方波个数反映了车窗的位置，遇到障碍物时电机运动速度减慢，电流变大，可据此进行防夹判断。该方案优点在于霍尔信号与位置对应准确，缺点在于霍尔传感器需要贴近磁环安装，电机相对复杂一些，且霍尔传感器容易损坏，不便于维修。由于霍尔传感器是在控制板上，所以此方案每个电动门窗需要一个控制器。
电机电流纹波方案是基于有刷直流电机在换相过程中会产生电流纹波，纹波个数与电机转速和换向片的数量成比例关系。因此可以通过提取出电流纹波便可得到车窗的位置。当车窗遇到障碍物时，速度会降低，电流会增大，可根据电流和速度进行防夹判断。纹波防夹相对带传感器的方案免去了传感器相关硬件，节省了相关线束。同时单控制器可控制4个门窗，可以提高整车控制器的集成度，节省控制器成本。
3系统总体设计方案
车窗防夹控制器通过对驾驶员或乘客侧的车窗按键状态及车辆点火锁状态的检测实现对四门车窗的升降控制，包括手动升、降窗，自动升降窗，自动升 窗时在防夹区间触发的防夹保护，同时具有CAN或L1N总线通讯功能，可实现与车身模块的通讯，用于实现遥控钥匙的一键升降功能。
Vi'：QND
EIA.T+5A
ACCIH^J
JGNlrJM
f沖.1阡肆
/c.n'TKT
牛词陆夹控制曙
W霁M右U升降Ik
4•■霁IS右G F4
*
can
EAT*JO A
:.U+GWn
EAT-*30A
LJN BUS
图3APM电气框图
3.1系统工作原理
纹波电机旋转轴上装有换向器n槽)，一对碳刷在换向器圆周面上旋转传输电流的过程中，由于瞬时回路电阻差异，从而产生纹波电流。本纹波控制模块支持两种方式采集纹波数:1•硬件提取;2.软件提取。
硬件提取原理：通过采样电阻将周期性的纹波电流转换为纹波电压，通过高通滤波及比例放大后
中国集成电路
China lntegrated Circult 系统设计
转换成将纹波电流转换成方波信号，算出车窗玻璃
整个行程的脉冲信号个数，从而获得车窗玻璃具体
的位置信息。同时通过低通滤波后及放大后对电机
电流大小进行检测遥实现对防夹力大小或电机堵转
的判断。结合对车窗玻璃位置及防夹力大小实现对
车窗在自动上升过程中的防夹功能遥
图4纹波采集电路图硬件提取）
软件提取原理：相对硬件提取，软件提取不用高通滤波放大电路及波形转换电路将纹波电流转换成方波信号。而是直接通过A D C采集后通过软件提取纹波数。根据纹波数确定车窗所在位置。
图5纹波采集电路图软件提取）
3.2硬件设计
硬件电路设计的关键点为对车窗电机纹波电流的采样，车窗电机通常工况下的工作电流约为5A 左右，堵转时电流可达到最大约为20A，综合考虑本电路采样电阻阻值选用10m R遥采用双胞继电器实现车窗电机的上升与下降，采样电阻串接到两路继电器的常闭触点端与GND之间，可以实现对车窗电机的上升及下降纹波电流的采集。含纹波的电机电流信号经过初步的差分放大后分别给到高通和低通滤波放大电路。高通滤波后再把信号转换成方波脉冲信号，方波信号由GPIO中断捕获。低通滤波放大电路输入到ADC口，通过采样ADC数据进行电流大小的判断，从而实现对车窗位置及防夹力判断。
3.3软件设计
车窗防夹升降器软件分为两部分:bootloader和app应用）。bootloader主要负责程序引导以及通过CAN儿IN升级app。app负责实现车窗防夹升窗器的所有功能。图6是app部分程序架构框图。
图6APM软件框图
AC781x CMSIS Driver:AutoChips MCU官方driver驱动包遥针对MCU的每一个模块都有提供完整的接口，便于使用者快速上手。针对AutoChips不同系列M CU，替换CMSIS接口即可。本设计使用到MCU使用的模块及功能如下:CAN儿IN：整车通信；DMA:ADC规则组转换数据缓存；ADC：纹波电流采集，
按键信号采集;GPIO：继电器输出，信号输入; EFLASH：模拟EEPROM，保存系统数据；TIMER：定时器；W ATCHDOG：看门狗。
SDK：针对AutoChipsAPM开发套件及APM功能需求封装的中间层功能接口。针对不同项目不同硬件资源适配SDK层接口即可。sdk_flash提供保存数据相关接口APM模块会保存自学习参数，电机当前位置等信息）；sdk_system提供板子资源的配置接口；sdk_antiPmch实现防夹反转，防夹自适应，防夹抑制与恢复等与防夹相关的功能;sdk_protBct实现APM保护机制相关功能如：堵转检测与保护，电压检测与保护，继电器失效检测与保护等保护相关功能）；sdk_inlBHupt实现中断处理函数所需功能所有需在中断处理函数完成的任务均在此实现，如定时器中断，ADC注入组转换完成中断，DMA中断，GPIO中断）。
APP：实现APM所需要的所有功能，针对不同车型的不同需求客制化APP层即可。task_antiPinch 实现防夹相关逻辑功能；task_m otor实现电机控制相
系统设计♦
I 中国集成电路
China lntegrated Circult
关逻辑功能；task_protBct 实现保护机制相关逻辑功
能；task_inpulSigna]Deal 实现输入信号处理相关逻
辑功能；1ask_o1hers 实现APM 模块其他相关功能。
本设计的关键点在于通过纹波数来判断车窗所
在位置，因此纹波数的准确获取是影响车窗位置准
确性的关键，也是影响防夹保护性能稳定性的关键。
提取纹波有两种方法：1.硬件电路提取；2.软件算法
提取。硬件电路提取低通滤波相关参数由硬件决定， 灵活性会差一些。通过ADC 采集电机电流进行软件
提取，灵活性更好，且可以省掉比较器，成本更低。图
7是通过软件提取到的电机运行时电流情况。通过 对纹波进行解析即可获得电机运行纹波数。
轟DC 呆祥苗
一ADCfl
.400
-
E /WWWWVW
初 -4DO -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
■-« IV m O' O' in U r-R o> in -n i-i rx rti m oi ir m ix m tn
图7纹波电流采集
表3是用车窗电机多次实测到的整个行程纹波 数。从数据可知，软件计算的纹波数与示波器测到的
实际纹波数误差较小，软件可以基于记录纹波数来
4车窗防夹系统功能
4.1自学习功能
系统默认处于初始化模式，初始化模式不具备
自动升窗以及防夹功能。当自学习成功后，系统处于
正常模式，才具备自动升窗和防夹功能。
触发自学习可分三种场景：手动自学习，下线自
学习，售后自学习。三种场景只是触发自学习的方式
不同。
自学习流程：车窗自动升至顶一车窗自动降至
底一车窗自动升至顶。
自学习参数：运行速度，运行电流，行程纹波数。
4.2车窗玻璃升降
手动升降：电动窗输入开关短促（50m s<t< 500m s ），控制器执行相应车窗手动上升/下降，开关
松开即停。
自动升降：控制器自学习成功后才具备电动窗
输入开关长促t 三500ms ），控制器执行相应车窗自
动上升/下降，即使开关松开，车窗自动运行至顶部
或底部后自动停止。车窗自动升降过程中，短按升/
降开关即停，若长按则在车窗停止100ms 后，则按
当前开关状态继续动作。
4.3防夹功能
当系统处于正常模式自学习成功），车窗玻璃
在上升的过程中，遇到障碍物被夹，车窗玻璃会自动 下降一段距离。
防夹力要求：防夹力<100 N ，必须满足
GB11552-2009 要求。
防夹区域：车窗防夹区域定义为A+4mm 到 A+200m m 之间。
防夹反转：车窗自动上升过程中在防夹区域内
遇到障碍物，车窗玻璃将进行自动下降。首次防夹车
窗反转距离为150 mm ，若下降距离不足150 mm 则
降到车窗底部堵转位置。连续发生防夹时，从第二次
起车窗反转时直接下降至底部堵转位置。
（下转第77页）
发布评论