基于CAN总线的汽车车窗控制系统的研究与开发

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 13.61MB 57 页 15积分

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摘要

汽车电子化是汽车技术发展进程中的一次革命。随着汽车电子技术的不断发

展，电子控制单元在汽车上应用越来越广泛。如果采取传统的点对点的通信方式

必将造成庞大的布线系统，并且汽车控制系统实时性要求也越来越高，因此，汽

车网络技术便应运而生，并成为汽车技术发展的必然趋势。

汽车车窗控制系统是车身电子中的重要组成部分。本课题以汽车车窗永磁直

流电机为控制对象，设计了系统硬件控制电路，利用C语言编写控制策略程序，

实现了车窗上升、下降、停止、防夹等功能。通过CAN总线实现了汽车车窗控制系

统的智能化及网络化。

首先，介绍了本课题研究的来源和意义，以及CAN总线技术的国内外研究现

状，并指出了课题研究的主要内容。

其次，深入分析了汽车电动车窗的结构和工作原理，指出了汽车电动车窗的

智能化及网络化发展趋势。通过对 CAN 总线技术的介绍，更有利于了解 CAN 总

线通信原理，为课题后续开发奠定了基础。

再次，本课题设计了汽车车窗控制器，其中包括硬件电路设计和相关的控制

软件设计，结合具体的实际条件，提出了汽车车窗的防夹控制策略。

最后，对全文做了总结，并提出了后期的工作展望。

本课题设计的基于 CAN 总线的车窗控制系统，不仅避免了汽车电控系统的

增加而导致的线束复杂、布线困难等缺点，而且优化了车窗控制方法，有利于车

窗的实时控制，满足了人们对于汽车安全性、舒适性和方便性的要求。

关键词：汽车车窗 CAN 总线网络防夹

ABSTRACT

Automotive electronics is a revolution during the development process of automo-

tive technology. With the development of automotive electronic technology, electronic

control units are more and more widely used in cars. For the traditional point to point

communication inevitably leads to massive wiring systems, and real-time requirements

of vehicle control systems have become higher, the automotive network technologies

have emerged and become the trend of automotive technology.

Automotive window control system is an important part of body electronic control

system. The project makes permanent magnet DC motor of automotive window as con-
trol object, designs hardware circuit of the system, utilizes C language to program con-
trol  strategy,  achieves  the  window   functions  of  up,  down,  anti-trap  and  so   on.The
project has realized window network and intelligence by CAN bus.
Firstly, the thesis introduces the origin and significance of the research, as well as
domestic and international status of CAN bus technology, and then points out the main
research topics.
Secondly, the thesis in-depthly analyses the structure and working principle of au-
tomotive power windows, and points out the intelligence and network trend. Through
the introduction  of CAN bus,  it is  more beneficial  to understand the communication
principle of CAN bus, and it lays the foundation for the follow-up development.
Thirdly, the automotive window controller is designed, including hardware circuit
and related control software. Acoording to specific practical conditions, the thesis idi-
cates the anti-trap control strategy.
Finally, it makes a summary for the full-text and puts forward the prospect of later
work.
The  window control system based on CAN bus  not only  avoids  complexity of
wiring harness, wiring problems due to the increasement of automotive electronic con-
trol systems, but also optimizes the window control method. It is beneficial for real-time
control, and meets the requirements of automotive safety, comfort and convenience. 
Key Words：automotive windows, CAN bus, network, anti-trap
目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪  论....................................................................................................................1
§1.1 课题的来源及意义...............................................................................................1
§1.2 课题研究的国内外现状.......................................................................................2
§1.3 课题研究的主要内容...........................................................................................3
第二章 汽车电动车窗的结构和工作原理......................................................................4
§2.1 电动车窗的结构...................................................................................................4
§2.1.1 车窗开关结构................................................................................................5
§2.1.2 车窗电动机结构............................................................................................5
§2.1.3 车窗升降器结构............................................................................................6
§2.2 电动车窗的工作原理...........................................................................................6
§2.2.1 传统型电动车窗............................................................................................7
§2.2.2 新型电动车窗................................................................................................7
§2.3 本章小结...............................................................................................................8
第三章 CAN 总线技术原理.............................................................................................9
§3.1 CAN 总线概述....................................................................................................10
§3.1.1 CAN 总线的特点.........................................................................................10

§3.1.2 CAN 总线的电气特性.................................................................................11
§3.2 CAN 总线层结构................................................................................................11
§3.3 CAN 总线报文....................................................................................................12
§3.3.1 CAN 总线报文格式与类型.........................................................................13
§3.3.2 CAN 总线报文帧结构.................................................................................13
§3.3.3 CAN 总线报文的位定时要求.....................................................................17
§3.4 CAN 总线错误类型及故障界定........................................................................18
§3.4.1 CAN 总线错误类型.....................................................................................18
§3.4.2 CAN 总线故障界定.....................................................................................18
§3.5 本章小结.............................................................................................................19
第四章 车窗控制系统的硬件设计................................................................................20
§4.1 车窗控制系统硬件设计概述.............................................................................20
§4.2 车窗控制系统核心元器件介绍.........................................................................21
§4.2.1 微控制芯片 STC12C5A08S2......................................................................21
§4.2.2 CAN 控制器 SJA1000.................................................................................23
§4.2.3 CAN 收发器 82C250...................................................................................25
§4.2.4 电机驱动芯片 MC33486.............................................................................26
§4.3 车窗控制系统电路设计.....................................................................................27
§4.3.1 电源模块电路设计......................................................................................29
§4.3.2 CAN 通讯电路设计.....................................................................................29
§4.3.3 电机驱动电路设计......................................................................................30
§4.3.4 串口通讯电路设计......................................................................................32
§4.3.5 按键电路设计..............................................................................................33
§4.3.6 时钟及复位电路设计..................................................................................33
§4.4 车窗控制器及调试系统搭建.............................................................................34
§4.5 车窗控制系统电路设计规范.............................................................................36
§4.5.1 元件布局规范..............................................................................................36
§4.5.2 布线设计规范..............................................................................................37
§4.5.3 PCB 设计的后处理规范..............................................................................37
§4.6 本章小结.............................................................................................................38
第五章 车窗控制系统的软件设计................................................................................39
§5.1 车窗控制系统软件设计概述.............................................................................39
§5.1.1 软件设计语言..............................................................................................39
§5.1.2 软件设计思想..............................................................................................39
§5.1.3 系统功能实现..............................................................................................40
§5.2 Keil 集成开发环境介绍.....................................................................................41
§5.3 车窗控制系统程序设计.....................................................................................42
§5.3.1 车窗上升及下降程序设计..........................................................................42
§5.3.2 按键程序设计..............................................................................................45
§5.3.3 电流 A/D 转换程序设计..............................................................................47
§5.3.4 参数修正程序设计......................................................................................49
§5.3.5 防夹及过流保护程序设计..........................................................................50
§5.3.6 CAN 通讯程序设计.....................................................................................52

§5.4 车窗控制系统功能调试.....................................................................................57
§5.4.1 车窗上升和下降功能调试..........................................................................57
§5.4.2 车窗参数修正功能调试..............................................................................57
§5.4.3 车窗防夹功能调试......................................................................................58
§5.4.4 车窗 CAN 通讯功能调试............................................................................59
§5.5 车窗控制系统软件设计规范.............................................................................59
§5.6 本章小结.............................................................................................................61
第六章 总结与展望........................................................................................................62
§6.1 全文总结.............................................................................................................62
§6.2 工作展望.............................................................................................................62
参考文献.........................................................................................................................63

参考文献

第一章绪论

§1.1课题的来源及意义

汽车是现代社会一种重要的交通工具。汽车电子化是汽车技术发展进程中的一

次革命。汽车电子技术的发展，不断满足了消费者对于安全、舒适、娱乐等需求。

汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改

进汽车性能最重要的技术措施[1]。

随着汽车电子技术的不断发展，现代汽车中所使用的电子控制系统和通讯系统

越来越多，如发动机电控系统、防滑控制系统（ASR）、防抱死制动系统

（ABS）、自动变速器控制系统、自动巡航系统（ACC）和车载多媒体系统等，

这些系统之间、系统和汽车故障诊断系统之间，系统和汽车显示仪表之间均需要进

行数据交换，如此巨大的数据交换量，如果仍采用传统点对点的连接传输方式将是

难以想象的[5]。因而，汽车网络技术应运而生，并成为汽车技术发展的必然趋势。

目前，大多数汽车都应用了CAN总线技术，特别是在车身电子控制网络方面，其

具有不可替代的优势。

控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)是德国Bosch公司在20世纪80

年代提出的一种串行通信协议。起初，该技术主要解决汽车上众多的控制器与测量

仪之间的数据交换，目前，它是国际上应用最广泛的现场总线之一。由于具有成本

低、可靠性高等特点，因此CAN总线技术受到各大汽车公司的青睐。CAN是一种

多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而

且能够检测出总线上产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提

供高达5kbps的数据传输速率。由于CAN串行通讯总线具有这些特性，所以从高速

的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN。在汽车电子、自动控制、智能大厦

电力系统、安防监控等各领域，CAN都具有不可比拟的优越性。

汽车网络根据数据类型和传输速率分为汽车动力与底盘控制系统、车身电子控

制系统、车载多媒体系统和故障诊断系统4个子网络。车身电子控制网络主要是车

身电子（包括组合仪表、信号及照明灯、门控锁、座椅、空调系统、车窗及后视镜

等）控制器之间建立的网络，其目的是提高驾乘人员的安全性和舒适性、提供车身

状况信息、提高导线利用率、方便布线、简化故障诊断和维修[10]。

汽车车窗控制系统是车身电子系统中的重要组成部分，通过CAN总线实现车

窗控制系统的网络化，优化了控制方法，避免了汽车电控系统的增加而导致的线束

复杂、布线困难等缺点，满足了人们对于汽车安全性、舒适性和方便性的要求。

基于 CAN 总线的汽车车窗控制系统的研究与开发

§1.2 课题研究的国内外现状

目前，汽车车载网络应用较多的总线标准是LIN总线、FLEXRAY总线以及

CAN总线。由于LIN总线主要是为了满足局域网络中更低成本的需求产生的，其带

宽、实时性、可靠性已经不能满足日益复杂的车身控制系统的需求。而FlexRay总

线技术的成本很难降到CAN总线的程度，并且CAN总线的带宽、可靠性等已经可

以满足汽车车身控制领域的通信需求，所以FlexRay也很难替代CAN总线成为车身

控制系统的总线。因此，从当前汽车技术的现状及发展来看，CAN总线更适合应

用在汽车车身控制系统中。

在国外，特别是欧洲，从奔驰公司于1992年首次在其高级客车中使用了CAN

技术以来，CAN技术应用已经非常普及，80%的轿车均不同程度地使用了该技术。

在欧洲的带动下，CAN总线也逐渐得到世界其它地区的认同。过去在美国，车载

网络在Daimler-Chrysler、Ford和GM三大汽车公司内自成体系，其工作性能与CAN

相差甚远，并很难被欧洲接受。近年来，这三大汽车公司已全部转向CAN总线技

术。SAE颁布了J1939、J2411等一系列基于CAN的车用通讯协议标准。受美国的影

响，日本的NEC、三菱和东芝等公司，已发展成为CAN芯片的供应商之一，

Toyota等厂家已开始用CAN替换原有的网络总线系统。毫无疑问，CAN将是今后一

段时间内车载网络领域的主流协议标准。

到目前为止，CAN控制器芯片生产商己经有20多家，包括飞思卡尔、英特尔

英飞凌、瑞萨、飞利浦、ST、TI等半导体厂商，市场上已经有110多种CAN控制器

芯片和集成CAN控制器的微处理器芯片。由于CAN总线来源于工业现场总线和计

算机局域网这样非常成熟的技术，现已成为汽车总线的主流技术和标准。世界上很

多著名的汽车制造厂商，如Volkswagen（大众）、BenZ（宝马）、Porsche（保时

捷）、Rolls-Royce（劳斯莱斯）等都已经采用CAN总线来实现汽车内部控制系统

的数据通信。在车窗控制方面，国外已经很早应用CAN总线进行网络化控制，技

术水平基本成熟。

在国内，自从 CAN 总线被引入我国以来，利用 CAN 技术对汽车电控系统

改造的研究已经很多，但真正投入实际应用的产品并不多见。目前，在国内市场

上，合资品牌（上海大众、北京现代、一汽大众等）和自主品牌的量产车上都采

用了 CAN 总线技术。虽然新一代汽车大都采用了 CAN/LIN 总线，但由于国内零

部件配套体系在电器零部件，特别是在智能零部件上的弱势，国内真正自主研发

的具有总线接口的零部件在量产车中几乎没有。

目前我国的汽车总线研究和应用尚处起步阶段，而且汽车总线的应用趋势明显

现在介入该研究正是大好时机。CAN总线技术已经开始引起国内一些汽车研发部

门的关注，比如上海同济同捷科技股份有限公司，已经开始了对汽车车身电子信息

网络控制系统的研制，并取得了一定的成果。他们应用CAN总线系统来控制和管

理整车车身电器，现阶段已经实现汽车雨刷电机、喇叭、照明、灯光信号、电动车

窗、中控锁等的管理与控制，同时该系统还具有实时故障检测及语音报警功能，兼

有遥控、防盗和集控锁功能，形成了车身电器信息通信交互式网络控制系统。广州

周立功单片机发展有限公司也不断的对CAN技术从基础到深入地研究，并不断开

发出新的产品。

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摘要：

摘要汽车电子化是汽车技术发展进程中的一次革命。随着汽车电子技术的不断发展，电子控制单元在汽车上应用越来越广泛。如果采取传统的点对点的通信方式必将造成庞大的布线系统，并且汽车控制系统实时性要求也越来越高，因此，汽车网络技术便应运而生，并成为汽车技术发展的必然趋势。汽车车窗控制系统是车身电子中的重要组成部分。本课题以汽车车窗永磁直流电机为控制对象，设计了系统硬件控制电路，利用C语言编写控制策略程序，实现了车窗上升、下降、停止、防夹等功能。通过CAN总线实现了汽车车窗控制系统的智能化及网络化。首先，介绍了本课题研究的来源和意义，以及CAN总线技术的国内外研究现状，并指出了课题研究的主要内容。其次，深...

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