車窗防夾算法的探究和實(shí)現(xiàn)

　　隨著汽車的普及，汽車的安全性越來越受到人們的重視，畢竟這是關(guān)乎生命安全的大事。而現(xiàn)在汽車多采用電動車窗，但是電動車窗仍存在著較大的安全隱患。到目前為止已經(jīng)有多起乘客被上升的車窗夾傷的事故被報道，其中大部分受傷者是兒童，因此電動車窗防夾保護(hù)被提出。所謂電動車窗防夾保護(hù)，就是一旦在車窗自動上升過程中偵測到有障礙物的存在，車窗就自動停止向上運(yùn)動，防止損毀障礙物;并向下運(yùn)動，以釋放障礙物。

　　電動車窗防夾的基本思想可以概括為：在車窗自動上升過程中，傳感器檢測到障礙物的存在(包括已被夾或判斷有障礙物存在上升途中)。當(dāng)檢測到有障礙物存在時，驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)，使車窗下降一段距離，釋放障礙物。本文介紹的防夾保護(hù)算法主要是通過檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化來實(shí)現(xiàn)的。

　　電機(jī)周期的測量

　　在防夾設(shè)計中，嚴(yán)格地說涉及到的參數(shù)應(yīng)該是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，在本課題中，更確切地說，檢測到的不是轉(zhuǎn)速，而是周期。本課題采用Timer模塊里的捕捉模式來檢測兩個脈沖下降沿之間的時間間隔從而得到周期值。周期越大，速度就越慢，反之，周期越小，速度就越快。因此，從功能上看，兩個參數(shù)的效果是一致的。為了節(jié)省微控制器的資源，就直接周期來代替速度進(jìn)行防夾檢測。

　　捕捉計算到脈沖周期與實(shí)際的脈沖周期之間的換算關(guān)系為：

Timer設(shè)置的是16預(yù)分頻，重裝載值為0000H，因此它的溢出周期為43ms，分辨率為2.7ms。

　　在周期檢測中,霍爾傳感器的輸出腳與XC886的P3.4口相連。P3.4復(fù)用為Timer21脈沖捕獲模式的輸入引腳。本課題中，當(dāng)霍爾傳感器輸入為脈沖下降沿時，Timer產(chǎn)生中斷，并在中斷程序中計算周期。具體計算流程如下：

圖1周期計算流程圖

　　其中，Pre_reload為前一次脈沖到達(dá)時寄存器中的值，用當(dāng)前值減去前一次的值即為周期。值得一提的是，period_count這個變量。當(dāng)計時器溢出一次，period_count就加一。從而避免因計時器溢出而導(dǎo)致周期計算錯誤。

　　實(shí)現(xiàn)的具體做法是：由于只需在車窗自動上升時進(jìn)行防夾。所以首先先判斷是否為自動上升。若是自動上升，則判斷是否為第一次進(jìn)入中斷程序，如果是第一次進(jìn)入中斷，將當(dāng)前計數(shù)器中的值存入變量 Pre_reload,如果不是第一次進(jìn)入，則將當(dāng)前計數(shù)器的值減去Pre_reload的值作為周期值，再將當(dāng)前值存入Pre_reload中。留待下一次進(jìn)入中斷時使用。每進(jìn)入一次中斷就如此工作，直到收到停止命令或車窗到達(dá)頂部為止。

　　車窗位置的確定

　　車窗在上升過程中，由于存在車窗重量和窗框阻力等因素，在每個位置上的周期大小是不一樣的。因此判斷車窗位置也是相當(dāng)重要的。從機(jī)械的角度講，電機(jī)旋轉(zhuǎn)會帶動鋼絲繩的運(yùn)動，從而帶動車窗的上下開閉。電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一定角度，鋼絲繩就相應(yīng)地運(yùn)動一定行程，因此車窗運(yùn)動的行程與電機(jī)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)成線性關(guān)系。而電機(jī)的旋轉(zhuǎn)會使得霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號，因此車窗位置也可以采用霍爾傳感器和XC886CS中的計時器模塊相結(jié)合的方式來測量。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過一圈，計時器Timer就會捕獲到霍爾信號的下降沿，從而在中斷服務(wù)程序中對車窗位置作出記錄。由于車窗有可能上下運(yùn)動，因此車窗位置的計算不能只在車窗上升時進(jìn)行，在車窗下降的時候也要作出相應(yīng)的調(diào)整。因此程序在進(jìn)入中斷服務(wù)后首先查詢車窗的狀態(tài)是上升還是下降。如果是上升，則電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈車窗位置就相應(yīng)遞增;如果是下降，則電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈，車窗位置就遞減。

　　防夾車窗算法的提出和實(shí)現(xiàn)

　　本課題采用的防夾算法是基于電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的方法。如何得到準(zhǔn)確的運(yùn)行參數(shù)即周期，是防夾算法能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本課題還根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的算法紕漏,對算法進(jìn)行優(yōu)化。

　　防夾試驗數(shù)據(jù)分析

　　為了得到確切的基準(zhǔn)周期和電流值，我們使用通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)的方法。利用Keil C中的UART_vSendData8(ubyte ubData)語句發(fā)送周期和電流值，并利用串口助手這個軟件接收數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)車窗自動上升時，反復(fù)多次發(fā)送數(shù)據(jù)到顯示器。取出運(yùn)行較好的幾組數(shù)據(jù)，取其平均值，計算出每個高度上每次運(yùn)行時的實(shí)時值與平均值的差值，然后確定一個較適合的容差。

　　從串口發(fā)送出來的值中可以看到，車窗上升的脈沖周期，也就是車窗的上升速度從底部經(jīng)過約12個脈沖后，基本呈線性上升的態(tài)勢。由于通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)可以得到在每個點(diǎn)上脈沖周期的確切值，因此對每個點(diǎn)上的周期值均可以取到多次試驗結(jié)果的均值，通過對均值和各次試驗的實(shí)際值相比較可以發(fā)現(xiàn)，這些值的均值在加上容差1846后，絕大多數(shù)的實(shí)際運(yùn)行值都會小于該值，基于裕量和最大夾持力的考慮，最后決定選擇容差大小為2000。

　　防夾算法的提出

　　在算法設(shè)計的時候，只考慮了在車窗自動上升的時候才進(jìn)行防夾的情況。在其他三種情況下(包括車窗手動上升、車窗手動下降以及車窗自動下降)都不進(jìn)行防夾判斷。因為車窗下降不存在防夾的問題，如果車窗手動上升時有障礙物被夾持的話，則可以通過手的控制來避免被夾傷。在算法中采用標(biāo)志位bWIN_Up_Down和bAutoFlag來標(biāo)示車窗是否為自動上升，如果控制器得到的是自動上升的命令，則這兩位置位。如果這兩位為1，則進(jìn)行防夾判斷。還有值得注意的是，根據(jù)實(shí)驗所得數(shù)據(jù)，車窗從底部啟動的3個脈沖內(nèi)其電壓和脈沖周期值相當(dāng)復(fù)雜而且隨機(jī)，沒有任何規(guī)律可循，而且在底部的3個脈沖車窗玻璃的總行程不會超過1cm，因此在這一段不進(jìn)行防夾。