发明内容
本发明的目的是为了克服现有电动玻璃升降器的缺点而提供的一种汽车电动玻璃升降智能控制器及其控制方法,该控制器及控制方法能提高电动玻璃升降器***的安全性及可靠性,并使电动玻璃升降器实现更多的功能。
本发明的目的是这样实现的:汽车电动玻璃升降智能控制器,包括电子控制模块、电机信号取样模块、电机驱动电路模块、采样电路模块、电源模块;所述的电源模块用于提供各模块的工作电源;其特点是,
所述的电子控制模块包括单片机、时钟信号子模块,所述单片机集成了电压调节器、输入输出端口、晶振端口、输入捕捉端口、运放及A/D转换器等端口及数据处理功能;所述的时钟信号子模块主要为外部晶振电路,与单片机的晶振端口连接;
所述的电机信号取样模块的输人端与单片机的输出端口连接;输出端与单片机的输入捕捉端口连接;
所述的电机驱动电路模块的输入端与单片机的驱动继电器的输出端口连接,其输出端与电动玻璃升降器的驱动电机连接;
所述的采样电路模块的输入端与电流采样电阻连接,其输出端与单片机的运放及A/D转换器输入端口连接;
以及,还包括一I/O端子模块,所述的I/O端子模块的输出端与单片机的信号输入端口连接。
上述汽车电动玻璃升降智能控制器,其中,
所述的单片机为具有电源输入端口、输入输出端口、晶振端口、输入捕捉端口、运放及A/D转换器端口等端口或功能的单片机;
所述的电源模块由电源引入电路、电源输入滤波及反向保护电路、以及单片机输出的5V滤波电路组成,提供单片机工作电源;
所述的I/O端子模块由上升端信号、上升端信号的上拉和滤波电路、下降端信号、下降端信号的上拉和滤波电路、控制端信号、控制端信号的上拉和滤波电路、诊断端信号、诊断端信号上拉和滤波输入输出电路组成;其中:上升端信号的输出与上升端信号的上拉和滤波电路连接,下降端信号的输出与下降端信号的上拉和滤波电路连接,控制端信号的输出与控制端信号的上拉和滤波电路连接,诊断端信号的输出与诊断端信号上拉和滤波输入输出电路连接,各上拉和滤波电路的输出与单片机的输入端口连接;
所述的时钟信号子模块主要为外部晶振电路,与单片机的晶振端口连接;
所述的电机信号采样电路模块由霍尔器件、控制霍尔器件信号的上拉和滤波电路、以及三极管放大电路组成;其中:霍尔器件的输出分别与控制霍尔器件信号的上拉和滤波电路以及三极管放大电路连接,控制霍尔器件信号的上拉和滤波电路的输出与单片机的输入捕捉端口连接连接,单片机的输出端与三极管放大电路连接;
所述的电机驱动电路模块由继电器和吸收电路组成,其中:继电器的输入端连接单片机的驱动继电器工作的端口,继电器的输出连接吸收电路;
所述的采样电路模块由采样电阻及运放输入电路组成,其中:采样电阻的输入端连接电机驱动电路模块的继电器的输出信号,采样电阻的输出连接运放输入电路,运放输入电路的输出与单片机的运放及A/D转换器输入端口连接。
采样上述汽车电动玻璃升降智能控制器进行控制的方法,其特点是:包括以下步骤:
a、首先将直流电源经过电源模块输入到单片机,同时将时钟信号子模块的晶振输出的正弦波输入到单片机,使控制器处于休眠睡眠工作状态或唤醒工作状态;
b、当控制器处于唤醒工作状态且I/O端子模块的上升端口得到“上升”信号后,控制器电机驱动模块驱动电动玻璃升降器电机使升降器的玻璃上升;采样电路模块对运行电流进行采样同时单片机对该电流进行监控以保护电流不过载并进行堵转判断;电机信号采样电路模块对电机运行圈数进行采样同时单片机对电机运行的总圈数进行监控以判断玻璃所在的区域;单片机对电流采样的信号和电机运行圈数的信号进行分析以判断是否为异物夹住或为普通的需克服的障碍,从而完成控制玻璃上升、上升防夹、上升克服障碍能、上升过载保护;
c、当控制器处于唤醒工作状态且I/O端子模块的下降端口得到“下降”信号后,控制器电机驱动模块驱动电动玻璃升降器电机使升降器的玻璃下降;采样电路模块对运行电流进行采样同时单片机对该电流进行监控以保护电流不过载并进行堵转判断;电机信号采样电路模块对电机运行圈数进行采样同时单片机对电机运行的总圈数进行监控以判断玻璃所在的区域是否为软停止区域从而完成控制玻璃下降、下降软停止和下降过载保护;
d、当控制器处于唤醒或睡眠工作状态且I/O端子模块的串行接口得到“集控上升”信号后,控制器电机驱动模块驱动电动玻璃升降器电机使升降器的玻璃上升到顶从而完成集中关窗。
上述控制方法,其中,步骤a所述的休眠工作状态是指当控制器处于唤醒工作状态且I/O端子模块的串行接口为持续一段时间的高电平后控制器所处的工作状态;
所述的唤醒工作状态是指当控制器处于休眠工作状态且I/O端子模块的串行接口为持续一段时间的低电平后控制器所处的工作状态。
上述控制方法,其中,步骤b所述的“上升”信号是指完成高电平信号跳变到低电平保持一段时间的信号。
上述控制方法,其中,步骤c所述的“下降”信号是指高电平信号跳变到低电平保持一段时间的信号。
上述控制方法,其中,步骤d所述的“集控上升”信号是指高电平信号后跳变到低电平保持一段时间然后又为高电平的信号。
由于本发明采用了以上的技术方案,采用单片机控制,其效果是显著的:
1、玻璃升降在关闭车窗时是安全操作的。例如:当手放在车窗上随玻璃一起上升时,本发明升降器控制器可以对之进行识别,从而在夹手时反接电机使升降器下降一段距离从而避免升降器将手夹伤甚至夹断的事故。
2、能提供及时的过载保护。其在升降器电机堵转0.5秒内切断电机供电电源,从而避免升降器电机过热严重。
3、提高了升降器本身的寿命和***的可靠性。由于在上/下密封条位置切断电机电源是及时的,甚至本发明升降器控制器实现的下降软停止功能,使升降器下降时不会造成电机堵转,从而避免了升降器在上下止档位置受到严重机械冲击,使升降器本身的寿命和***的可靠性提高。
4、具有多的功能,如休眠和唤醒功能(以降低静态电流和功耗)、开关控制功能(如可自动上窗与下窗,开关点动)、集中关窗功能等。
具体实施方式
请参阅图2。本发明电动玻璃升降器防夹控制器包括:以单片机1为主的电子控制模块、电源模块2、I/o端子模块3、时钟信号子模块4、电机信号取样模块5、电机驱动电路模块6、采样电路模块7。
单片机1为具有电源输入端口、输入输出端口、晶振端口、输入捕捉端口、运放及A/D转换器等端口及数据处理功能的单片机。
电源模块2由电源引入电路(电源+端)、电源输入滤波及反向保护电路、单片机输出的5V滤波电路组成,其保证单片机稳定工作所需的电源输入及硬件稳定工作所需的5V电源输出。
I/o端子模块3由上升端信号、上升端信号的上拉和滤波电路、下降端信号、下降端信号的上拉和滤波电路、控制端信号、控制端信号的上拉和滤波电路、诊断端信号、诊断端信号上拉和滤波输入输出电路组成;其实现对外部信号的可靠提取并输入单片机和诊断端信号可靠提取并输入和输出的功能。其中:上升端信号的输出与上升端信号的上拉和滤波电路连接,下降端信号的输出与下降端信号的上拉和滤波电路连接,控制端信号的输出与控制端信号的上拉和滤波电路连接,诊断端信号的输出与诊断端信号上拉和滤波输入输出电路连接,各上拉和滤波电路的输出与单片机的输入端口连接。
时钟信号子模块4主要为外部晶振电路,与单片机的晶振端口连接,提供保证单片机稳定工作所需的时钟信号。
电机信号采样电路模块5由霍尔器件、控制霍尔器件信号的上拉和滤波电路、以及三极管放大电路组成,其提供了可靠工作所需的电机转速和位置信号。其中:霍尔器件的输出分别与控制霍尔器件信号的上拉和滤波电路以及三极管放大电路连接,控制霍尔器件信号的上拉和滤波电路的输出与单片机的输入捕捉端口连接连接,单片机的输出端与三极管放大电路连接。
电机驱动电路模块6由继电器和吸收电路组成,其中:继电器的输入端连接单片机的驱动继电器工作的端口,继电器的输出连接吸收电路;实现向升降器电机的电源输出。
采样电路模块7由采样电阻及运放输入电路组成,其中:采样电阻的输入端连接电机驱动电路模块的继电器的输出信号,采样电阻的输出连接运放输入电路,运放输入电路的输出与单片机的运放及A/D转换器输入端口连接。其提供了控制器可靠工作所需的电机电流信号。
请参阅图3。本发明选用的单片机1芯片为Motorola公司的MC68hc805pv8型号产品,也可选用具有相似功能的或其他厂商或相同厂商的其他芯片。
电源模块2由单片机芯片的电源正极输入管脚VSUP(10号脚)、电源接地输入管脚VSS(19号脚)和经过单片机芯片的集成电压调节器电压调节后的5V输出管脚VDD(9号脚)及其所连接的电路构成,二极管D1具有反向保护功能,电阻R1具有电流保护功能,C1、C2为电源输入滤波电容,B+和地端G的电源输入经芯片的集成电压调节器得到VDD管脚的+5V输出,电容C4、C5为5V电压输出滤波电容。
I/O端子模块2由上升端信号、上升端信号的上拉和滤波电路、下降端信号、下降端信号的上拉和滤波电路、控制端信号、控制端信号的上拉和滤波电路、诊断端信号、诊断端信号上拉和滤波输入输出电路组成,其与单片机芯片的信号输入端口管脚PC0(11号脚)、PC1(12号脚)、PC2(13号脚)、PC3(14号脚)、PC4(15号脚)连接,实现对外部信号的可靠提取并输入单片机和诊断端信号可靠提取并输入和输出的功能。所述的上升端信号上拉和滤波输入电路由电阻R3、R27、R28、电容C6构成,所述的下降端信号上拉和滤波输入电路由电阻R30、R4、R29、电容C7构成,所述的控制端信号上拉和滤波输入电路由二极管D2、电阻R5、R6、电容C8构成,所述的诊断端信号上拉和滤波输入输出电路由电阻R8、R9、电容C9、电阻R7构成。
时钟信号子模块4由单片机芯片的晶振输入端口管脚OSC1(21号脚)、管脚OSC2(20号脚)、管脚VSS(19号脚)及其所接的电路晶振CRY和电阻R2构成。
电机信号采样电路模块5由单片机芯片的输出管脚PB1(27号脚)和输入捕捉端口管脚PB0(25号脚)、PB2及所连接的霍尔元件和上拉和滤波电路构成。HS1和HS2为霍尔元件,信号上拉和滤波输入电路由电阻R17、R18、R31、R32、电容C12、C18构成。
电机驱动模块6由单片机的驱动继电器的输出端口管脚PC5(16号脚)、管脚PC6(18号脚)及其所连接的电机输入检测电路和吸收电路构成。所述的电机输入检测电路由电阻R12、R13、R14、电容C10和24号管脚PB3构成,吸收电路由电阻R15、R16、电容C11、可变电阻V1构成。
采样电路模块7由单片机芯片的运放及A/D转换器输入端口管脚PA4〔5号脚〕、管脚PA5(6号脚)、管脚PA6(7号脚)及其所连接的运放输入电路电路构成,所述的运放输入电路由电主R21、R22、R23、R24、R25、R26、电容C13、C14、C15和单片机输出管脚PB4构成。
本发明汽车电动玻璃升降智能控制器的控制方法包括以下步骤:
当电源模块B+和地端G的电源输入和时钟信号子模块得到晶振输入端口的4MHZ的正弦波输入后,本发明控制器处于工作状态,本发明控制器的工作状态有两种即休眠睡眠工作状态和唤醒工作状态。
当本发明控制器处于唤醒工作状态且I/O端子模块的串行接口为持续一段时间的高电平则本发明控制器处于休眠工作状态;当本发明控制器处于休眠工作状态且I/O端子模块的串行接口为持续一段时间的底电平本发明控制器处于唤醒工作状态;从而完成本发明控制器的休眠和唤醒功能。
当本发明控制器处于休眠工作状态时或I/O端子模块的的串行接口SERIAL_IN为高电平时,I/O端子模块的上升端口UP_IN和下降端口DOWN_IN的信号将被屏蔽而无法完成玻璃的上升和下降的功能,从而完成本发明控制器的运行禁止功能;
当本发明控制器处于唤醒工作状态且I/O端子模块的上升端口UP_IN得到“上升”信号(高完成电平信号跳变到低电平保持一段时间的)后,本发明的控制器电机驱动模块驱动电动玻璃升降器电机使升降器的玻璃上升;采样电路模块对运行电流进行采样同时单片机对该电流进行监控以保护电流不过载并进行堵转判断;电机信号采样电路模块对电机运行圈数进行采样同时单片机对电机运行的总圈数进行监控以判断玻璃所在的区域;单片机对电流采样的信号和电机运行圈数的信号进行分析以判断是否为异物夹住或为普通的需克服的障碍从而完成本发明控制玻璃上升功能、上升防夹功能、上升克服障碍的功能、上升过载保护功能;
当本发明控制器处于唤醒工作状态且I/O端子模块的下降端口DOWN_IN得到“下降”信号(高电平信号跳变到低电平保持一段时间的)后,本发明的控制器电机驱动模块驱动电动玻璃升降器电机使升降器的玻璃下降;采样电路模块对运行电流进行采样同时单片机对该电流进行监控以保护电流不过载并进行堵转判断;电机信号采样电路模块对电机运行圈数进行采样同时单片机对电机运行的总圈数进行监控以判断玻璃所在的区域是否为软停止区域从而完成控制器的玻璃下降功能、下降软停止功能和下降过载保护功能;
当本发明控制器处于唤醒或睡眠工作状态且I/O端子模块的串行接口SERIAL_IN得到“集控上升”信号(高电平信号后跳变到低电平保持一段时间然后又为高电平)后,本发明的控制器电机驱动模块驱动电动玻璃升降器电机使升降器的玻璃上升到顶从而完成集中关窗的功能。
本发明汽车电动玻璃升降智能控制器及其控制方法的采用主程序、第一级功能子程序、中断服务程序和第二级子程序的模块化结构形式。其中:主程序为主程序Main Program;第一级子程序包括:汽车电动玻璃升降智能控制器上升子程序、汽车电动玻璃升降智能控制器下降子程序、汽车电动玻璃升降智能控制器串口通信子程序、汽车电动玻璃升降智能控制器故障诊断子程序;第二级子程序或中断服务程序包括:定时器中断服务程序、汽车电动玻璃升降智能控制器堵转及过电流保护子子程序。
主程序Main包括六个程序区即:单片机的初始化(Initialize MCU)、单片机的睡眠与唤醒、进入升降器上升子程序与返回、进入升降器下降子程序与返回、进入故障诊断子程序与返回、串口通信功能及进入串口通信子程序与返回。
请参阅图4。本发明主程序单片机的初始化程序区设置了各个端口的方向和状态、设置部分状态控制寄存器的状态、清理内存和延时2s以保证外部状态稳定后开始工作。
单片机的睡眠与唤醒程序区设置了单片机进入睡眠状态的条件为串口通信开关信号serial_in由零电平变为高电平且保持一定的时间,也设置了唤醒的条件为串口通信开关信号serial_in或诊断通信开关信号diag_in由高电平变为零电平。当单片机处于睡眠工作状态,控制器工作禁止;当单片机为唤醒工作状态且serial_in为0时,升降器运行控制字Win_enable为1,控制器工作允许。
进入升降器上升子程序与返回程序区设置了进入升降器上升子程序与返回将程序进入升降器上升子程序的条件定义为升降器运行控制字win_enable控制字为1且经滤波后仍得到上升输入开关信号up_in为0。控制器玻璃上升功能的玻璃上升功能、上升防夹功能、上升克服障碍的功能、上升过载保护功能是在上升子程序中实现的。定时器中断服务程序和汽车电动玻璃升降智能控制器堵转及过电流保护子子程序为上升子程序提供位置判断、防夹方法及过流保护方面的服务。
进入升降器下降子程序与返回程序区设置了进入升降器下降子程序的条件为升降器运行控制字win_enable控制字为1;且经滤波后仍得到下降输入开关信号down_in为0。控制器的玻璃下降功能、下降软停止功能和下降过载保护功能是在下降子程序中实现的。定时器中断服务程序和汽车电动玻璃升降智能控制器堵转及过电流保护子子程序为下降子程序提供位置判断、软停止算法及过流保护方面的服务。
进入汽车电动玻璃升降智能控制器故障诊断子程序与返回程序区设置了进入升降器故障诊断子程序的条件为升降器运行控制字win_enable控制字为1;且经滤波后仍得到故障诊断输入开关信号diag_in为0。控制器的故障诊断功能是在故障诊断子程序子程序中实现的。
串口通信功能程序区实现了对串口通信信号serial_in的管理。该程序区将串口通信信号serial_in分为检测前的过去串口通信信号值serial_level和检测得到的现在的串口通信信号值serial_in。当serial_level为0同时serial_in为0时,则翻新serial_level设置win_enable控制字为1后返回主程序区。当serial_level为0而serial_in为1时则延时10ms后翻新serial_level设置win_enable控制字为0后返回主程序区实现后窗禁止的功能。当serial_level为1而serial_in为1时,则翻新serial_level设置win_enable控制字为0后返回主程序区,单片机在设置唤醒条件后准备进入睡眠状态。当serial_level为1而serial_in为0且经滤波后仍得到serial_in为0时,则进入升降器串口通信子模块。控制器的集中关窗的功能,是在串口通信子程序中实现的。定时器中断服务程序和汽车电动玻璃升降智能控制器堵转及过电流保护子子程序为串口通信子程序提供位置判断、防夹算法及过流保护方面的服务。
同时,本发明控制器增加了安全性冗余设计:
①对电动玻璃升降器上升按扭和下降按扭同时采样,如果上升按扭和下降按扭都接通则做任何动作以避免开关出故障后引起误动作;
②对电动玻璃升降器开关信号进行多次采样,如果多次采样结果不同则忽略此次采样以避免干扰引起误动作;
③电流值取多次采样并经处理后的数据以减小采样的偏差;
④如果电动玻璃升降器总电流持续过载,则需重新按键后才能接通电动玻璃升降器,以保护继电器;
⑤每次启动电机运行电动玻璃升降器并根据各情况(例如堵转、软停止或防夹)切断电机等待一秒后才能继续动作以保护继电器和升降器电机。
⑥电动玻璃升降器在上下两止档位置时,持续开关或故意持续开关数次,导致电机堵转,则将电机关闭,等待两秒后才能动作以保护继电器和升降器电机;如果自动上升/下降15s后仍未检测到电机,则停止上升/下降。
⑦″看门狗″监控程序运行以防止程序失控造成功能紊乱;复位时恢复部分重要功能。
⑧连续5次升降器防夹后,电动玻璃升降器则需重新进行学习,以提高电动玻璃升降器***的可靠性。
⑨程序指针溢出服务子程序以防止程序指针跑飞时所造成的功能紊乱。
本发明能实现以下的功能:
1、玻璃升降功能;
2、防夹功能;
3、克服障碍的功能(在上升过程中遇到障碍,能克服障碍保证玻璃照常上升);
4、过载保护;
5、休眠和唤醒功能;
6、集中关窗;
7、运行禁止(控制器串行接口得到“按钮失效”信号即由‘零电平变高电平’后,禁止玻璃窗升降);
8、软停止(玻璃升降器在离玻璃下止档一定距离停止,以防升降器向下的冲击);
9、故障诊断功能。