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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
汽車后視鏡是與汽車行駛安全相關(guān)的主要部件，良好的后視鏡視野能保證駕駛員的行車安全。駕駛員座椅是與駕駛員身體健康相關(guān)的部件，良好的座椅位置和角度能防止駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕車后出現(xiàn)過度疲勞而引發(fā)其他病癥。汽車后視鏡和座椅僅僅使用手動(dòng)調(diào)整甚至是電動(dòng)控制是不夠的，還需要在電動(dòng)的基礎(chǔ)上增加位置存儲(chǔ)和恢復(fù)功能，以使駕駛員操作更為方便，提高后視鏡和座椅的可用性。
本文設(shè)計(jì)了一種位置記憶功能后視鏡與汽車座椅控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能電動(dòng)調(diào)節(jié)后視鏡上下轉(zhuǎn)動(dòng)、左右轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)角度和座椅前后滑動(dòng)、前椅面高度、后椅面高度和椅背角度四個(gè)位置或角度，并能在調(diào)整后記憶存儲(chǔ)位置信息，并且可以在需要時(shí)調(diào)用位置信息。
本文在探討了汽車電子控制系統(tǒng)的基本組成的基礎(chǔ)上分析了本設(shè)計(jì)的位置記憶存儲(chǔ)式控制器的工作原理，詳細(xì)闡述了該控制器的ECU選擇和使用、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序流程，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的系統(tǒng)。
關(guān)鍵字：記憶存儲(chǔ)；可用性；后視鏡控制；座椅控制；汽車電子控制系統(tǒng)
ABSTRACT
Automobile rearview mirror is the main part which is related to the safely driving. Good rearview mirror view can make driving safely. Driver’s chair is the main part which is related to the health of driver. Good chair position and angle can prevent driver from some diseases which come after long time driving. It is not enough to use hand adjust or electrical control for the rearview mirror and chair. We should add memorial function into the rearview mirror and chair in order to make it easier for drivers to use and improve the usability of rearview mirror and chair.
This paper develops a memorial control unit for rearview mirror and chair. This control unit can electrical adjust the up-down and left-right angles of rearview mirror, it also can adjust the forward-back, forward height, back height and chair back angle of driver’s chair. The control unit can memorize the positions of rearview mirror and chair after adjustment and we can renew the positions when we need.
This paper discusses the working principle of the memorial rearview mirror and chair control unit based on the basic buildup of automobile electrical control system. Then it detailed introduced the choose process and use of ECU, hardware circuit design and software program flow, designs relevant prototype system.
Key Words:Memorial;Usability;Rearview Mirror Control;Chair Control;Car Electric Control System
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 課題背景及研究意義 1
1.1.1汽車后視鏡 1
1.1.2汽車座椅 1
1.1.3課題研究的背景 2
1.1.4課題研究的意義 3
1.2 國(guó)內(nèi)外汽車后視鏡和座椅的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 4
1.2.1國(guó)內(nèi)外汽車后視鏡的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 4
1.2.2國(guó)內(nèi)外汽車座椅的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀 5
1.2.3記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅控制系統(tǒng) 6
1.3 課題研究的內(nèi)容 6
第2章 控制系統(tǒng)及控制方式的選擇 7
2.1 汽車電子控制系統(tǒng) 7
2.1.1汽車電子控制系統(tǒng)概述 7
2.1.2傳感器 8
2.1.3 ECU 8
2.1.4執(zhí)行器 12
2.2 記憶存儲(chǔ)式控制器的功能 12
2.3 控制方式的選擇 13
2.3.1控制方式及其發(fā)展 13
2.3.2基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng) 14
2.3.3線束問題 14
2.3.4控制方式的對(duì)比選擇 15
2.4 基本工作原理 15
2.5 控制器的操作和使用 18
2.6 本章小結(jié) 19
第3章 汽車電子控制單元（ECU）的選擇與使用 20
3.1 ECU選擇指標(biāo)與原則 20
3.1.1ECU的環(huán)境指標(biāo) 20
3.1.2ECU選擇的基本技術(shù)指標(biāo) 20
3.1.3ECU的選擇 21
3.2 ECU主要特性 21
3.3 ECU結(jié)構(gòu)模塊 22
3.4 ECU引腳功能與使用 26
3.5 本章小結(jié) 28
第4章 硬件電路設(shè)計(jì) 30
4.1 硬件電路設(shè)計(jì)概述 30
4.2 記憶存儲(chǔ)電路 31
4.2.1記憶存儲(chǔ)電路概述 31
4.2.2 EEPROM的選擇和特性 31
4.2.3 AT93C46的引腳 31
4.2.4 AT93C46的指令 32
4.2.5記憶存儲(chǔ)電路 33
4.3 后視鏡調(diào)節(jié)電路 34
4.3.1后視鏡調(diào)節(jié)電路概述 34
4.3.2 3-8譯碼器的選擇與使用 34
4.3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 35
4.4 座椅調(diào)節(jié)電路 35
4.4.1座椅調(diào)節(jié)電路概述 35
4.4.2 3-8譯碼器的選擇與使用 36
4.4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 36
4.5 鍵盤控制電路 37
4.5.1鍵盤控制電路概述 37
4.5.2 8-3優(yōu)先編碼器的選擇與使用 38
4.6 信號(hào)采集電路 39
4.6.1后視鏡采樣電路 39
4.6.2座椅采樣電路概述 39
4.7 其他電路 40
4.7.1晶振電路 40
4.7.2電源穩(wěn)壓電路 40
4.7.3電源濾波電路 41
4.8 系統(tǒng)電路工作過程 41
4.9 本章小結(jié) 43
第5章 軟件程序流程 44
5.1 編程語言介紹 44
5.2 軟件程序流程簡(jiǎn)述 45
5.3 本章小結(jié) 46
結(jié) 論 47
參考文獻(xiàn) 48
致 謝 50
附 錄 51
第1章 緒 論
1.1 課題背景及研究意義
1.1.1 汽車后視鏡
汽車后視鏡俗稱倒車鏡，是汽車的必配件，通常分為車外后視鏡和車內(nèi)后視鏡兩種。后視鏡是用來反映汽車后方、側(cè)方和下方的情況的主要部件，使駕駛員能間接觀察到其他位置的情況。為了駕駛員操作方便，防止行車安全事故的發(fā)生，保障人身安全，各國(guó)均規(guī)定了汽車上必須安裝后視鏡，且所有后視鏡都必須能調(diào)整方向。轎車和其他輕型乘用車一般裝配有外后視鏡和內(nèi)后視鏡；大型商用汽車（大客車和大貨車）一般裝配有外后視鏡、下后視鏡和內(nèi)后視鏡。汽車后視鏡是與汽車行駛安全相關(guān)的主要部件，后視鏡的良好位置是保證汽車行駛安全的必要條件。美國(guó)有統(tǒng)計(jì)表明，30％的普通公路汽車事故，70％的高速公路汽車事故都是與汽車后視鏡的視野不理想有關(guān)。
1.1.2 汽車座椅
駕駛員座椅的主要功能是為駕駛員提供便于操作、舒適又安全、不易疲勞的駕駛座位，是與駕駛員的身體健康息息相關(guān)的。2003年6月，一家叫做“背部健康行動(dòng)”的德國(guó)組織對(duì)德國(guó)的車主做了一個(gè)調(diào)查，40％的德國(guó)人每天在車內(nèi)的駕車時(shí)間超過一個(gè)半小時(shí)，而大多數(shù)人有不同程度的背部疾病，汽車座椅是主要因素。同時(shí)他們對(duì)德國(guó)市場(chǎng)上的座椅以一套健康標(biāo)準(zhǔn)考察的結(jié)果是97％的項(xiàng)目不合乎標(biāo)準(zhǔn)。如果駕車時(shí)間過長(zhǎng)，而背部得不到有效的支撐，長(zhǎng)此以往，脊椎容易產(chǎn)生疾病。按照人體工學(xué)的要求，駕駛員必須具有良好的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的舒適性，從而提高了駕駛員駕駛之余乘坐的舒適性，減少駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕駛的疲勞。
后視鏡和座椅是汽車上并不顯眼的部件，但是與駕駛員身體健康和行車安全緊密相關(guān)。同一款車型不一定適合每個(gè)駕駛者，所以對(duì)座椅和后視鏡的位置、角度的調(diào)整是必要的。現(xiàn)在一般轎車上都裝配有電動(dòng)后視鏡和手動(dòng)調(diào)整的座椅，駕駛員可以通過電動(dòng)或者手動(dòng)的方式調(diào)節(jié)后視鏡和座椅的位置和角度。但是在實(shí)際的使用中，駕駛員操作不夠方便，調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)。而且同一部車新的駕駛員使用時(shí)也需要重新調(diào)整。由于使用的不便，我們可以通過汽車電子控制技術(shù)進(jìn)行后視鏡和座椅的改進(jìn)，以開發(fā)一種 新型的汽車后視鏡和駕駛員座椅。
1.1.3 課題研究的背景
德國(guó)工程師Carl Benz在1886年1月29日發(fā)明汽車以來，汽車在人類的發(fā)展中起到了極為重要的作用。早期的汽車基本上是純機(jī)械產(chǎn)品，當(dāng)時(shí)除汽油機(jī)和煤氣機(jī)使用了磁電機(jī)或蓄電池點(diǎn)火器外，沒有其他的車用電器。隨著汽車的逐步發(fā)展，特別是1901年使用鉛蓄電池后，汽車電器便不斷發(fā)展。近40年來的汽車發(fā)展的事實(shí)證明，提高汽車性能、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境主要取決于電子控制技術(shù)[1]。由于傳統(tǒng)的機(jī)械控制相比于電子控制無論是在控制精度還是反應(yīng)速度上，都存在明顯的弱勢(shì)，汽車電子化已成為汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1989－2000年，平均每輛車上的電子裝置在整個(gè)汽車制造成本中所占的比例由16％增至23％以上。發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的汽車上，每輛車上的電子元器件的成本占整車的成本超過了30％，而一些豪華轎車上這個(gè)比例更是高達(dá)50％。據(jù)歐洲汽車業(yè)聯(lián)盟的調(diào)查，每輛汽車電子產(chǎn)品的消耗價(jià)值1991年為825美元，1995 年增至1125美元，2000年已超過2000美元[2]。國(guó)外平均每一部高檔轎車上使用的微處理器數(shù)量達(dá)到了50個(gè)，而寶馬（BMW）公司在2004年推出的BMW 7系列轎車上更是裝備了70多個(gè)微處理器，使用了8種車載局域網(wǎng)來連接各個(gè)微處理器和微處理器控制的外圍電路[1,3]。汽車電子化程度的高低甚至已經(jīng)稱為了衡量當(dāng)今世界汽車水平先進(jìn)與否的標(biāo)志。
汽車制造廠商普遍認(rèn)為：增加汽車電子裝置的數(shù)量，促進(jìn)汽車電子化是奪取未來汽車市場(chǎng)的有效手段。汽車設(shè)計(jì)人員普遍認(rèn)為：電子技術(shù)在汽車上的使用已經(jīng)成為了汽車設(shè)計(jì)研究部門考慮汽車結(jié)構(gòu)革新的重要手段。
我國(guó)作為一個(gè)汽車發(fā)展后起的國(guó)家，但是我國(guó)的汽車制造水平與世界先進(jìn)水平之間的差距極為明顯。1985年，我國(guó)國(guó)產(chǎn)汽車上的電子產(chǎn)品總價(jià)值為169元/輛，而1990年也不過200元/輛，同一時(shí)期美國(guó)所產(chǎn)汽車的電子產(chǎn)品總價(jià)值為我國(guó)的25倍以上，約占整車成本的15％。國(guó)內(nèi)中高端的轎車裝備的微處理器一般為7個(gè)左右，而國(guó)外的高檔車上的數(shù)量則達(dá)到了50個(gè)甚至更多。我國(guó)電子技術(shù)的發(fā)展中最為突出的問題是整體技術(shù)實(shí)力不足，科研與產(chǎn)業(yè)的結(jié)合不緊密。本土的汽車企業(yè)的研發(fā)投入相比國(guó)外汽車制造企業(yè)差距過大，資金瓶頸嚴(yán)重，在主要汽車電子技術(shù)集中的如發(fā)動(dòng)機(jī)集中控制、自動(dòng)變速控制、防抱死系統(tǒng)控制等領(lǐng)域無法進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)[4]。
我國(guó)電子技術(shù)的發(fā)展中最為突出的問題是整體技術(shù)實(shí)力不足，科研與產(chǎn)業(yè)的結(jié)合不緊密。本土的汽車企業(yè)的研發(fā)投入相比國(guó)外汽車制造企業(yè)差距過大，資金瓶頸嚴(yán)重，在主要汽車電子技術(shù)集中的如發(fā)動(dòng)機(jī)集中控制、自動(dòng)變速控制、防抱死系統(tǒng)控制等領(lǐng)域無法進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)[4]。隨著我國(guó)汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，汽車電子產(chǎn)業(yè)將形成巨大經(jīng)濟(jì)規(guī)模效應(yīng)，汽車電子產(chǎn)品占汽車的成本將進(jìn)一步提高。目前，中國(guó)消費(fèi)者對(duì)車輛需求的增加、網(wǎng)絡(luò)在車輛中的高速發(fā)展、安全與防盜需求的增加、機(jī)械系統(tǒng)與電子系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換以及動(dòng)力總成方面性能的提高，都進(jìn)一步推動(dòng)了中國(guó)汽車電子產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展。
為了加快我國(guó)汽車電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家主管部門提出了發(fā)展汽車電子產(chǎn)品的設(shè)想，指出為了國(guó)產(chǎn)汽車現(xiàn)代化和打進(jìn)國(guó)際市場(chǎng)，需要向輕型汽車和轎車工業(yè)提供先進(jìn)的汽車電子產(chǎn)品，進(jìn)行汽車工業(yè)的電子化改造。國(guó)家“八五”規(guī)劃中對(duì)汽車電子產(chǎn)品指出的發(fā)展重點(diǎn)中工列舉了38中汽車電子產(chǎn)品，包括高能無觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置、計(jì)算機(jī)點(diǎn)火裝置、制動(dòng)防抱裝置、汽車空調(diào)、電子門鎖、報(bào)警器、電子化油器等?！捌嚬I(yè)‘九五’科技發(fā)展規(guī)劃要點(diǎn)”中指出，汽車電子控制技術(shù)仍然是汽車工業(yè)“九五”計(jì)劃中的重點(diǎn)科技攻關(guān)方向，主要內(nèi)容為制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）、柴油機(jī)電子控制、安全氣囊、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電控懸駕系統(tǒng)等[4,5]。
從國(guó)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的汽車電子發(fā)展水平來看，未來的汽車電子產(chǎn)品中，圍繞安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適和娛樂等方面的元器件及其周邊產(chǎn)品將發(fā)展最快[6]。在汽車滿足了安全、節(jié)能和環(huán)保方向的要求之后，舒適化成為了重點(diǎn)。由于汽車發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)不是純粹的交通工具，而是一個(gè)娛樂、休閑和生活的空間，純粹滿足駕駛需求的汽車可能不是發(fā)展的重點(diǎn)。能滿足人們?cè)隈{駛之余的舒適性和操作便利性要求的汽車電子技術(shù)是我國(guó)研究開發(fā)的重點(diǎn)，也就是一般所說的車身電子控制系統(tǒng)。
1.1.4 課題研究的意義
一般中高檔的轎車都配備有電動(dòng)調(diào)整的后視鏡和座椅。海灣合作委成員國(guó)把電動(dòng)調(diào)整的后視鏡作為了汽車的標(biāo)準(zhǔn)裝備件，也把帶調(diào)整系統(tǒng)的座椅作為汽車的標(biāo)準(zhǔn)裝備件，一般國(guó)家作為選裝件[9,10,11]。駕駛員可以通過電動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后視鏡的位置，以獲得最佳的后視鏡視野和座椅的最佳的舒適性。然而一部車往往有若干個(gè)駕駛者，這種情況在我國(guó)尤為明顯。一般的家庭用車都有至少兩個(gè)駕駛者，每次新的駕駛員在開車之前都需要重新調(diào)整后視鏡和座椅的位置。而且倒車時(shí)需要單獨(dú)調(diào)整右側(cè)后視鏡的位置，倒車完畢后又需要調(diào)整回位。這都為駕駛員的操作帶來極大的不便。所以，僅僅使用電動(dòng)控制的后視鏡和座椅是不能達(dá)到要求的，還需要在電動(dòng)的基礎(chǔ)上增加位置存儲(chǔ)和恢復(fù)功能。位置存儲(chǔ)和恢復(fù)功能使得駕駛員能夠方便的設(shè)定、存儲(chǔ)和調(diào)用位置信息，以使駕駛員操作更為簡(jiǎn)便。良好的后視鏡視野在客觀上能保證駕駛員獲得良好的視野以提高汽車的行車中的安全性能，舒適的座椅位置和角度在配合駕駛員獲得良好的后視鏡視野的同時(shí)也能對(duì)駕駛員的身體健康進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。帶記憶存儲(chǔ)功能的后視鏡和座椅能夠改善現(xiàn)在后視鏡和座椅使用不便的現(xiàn)狀，從操作的簡(jiǎn)便性上極大的提高了汽車后視鏡和座椅的可用性。就國(guó)內(nèi)的后視鏡和座椅的發(fā)展現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)將來的需求而言，將來轎車普遍需要配備記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅。由于進(jìn)口的記憶存儲(chǔ)式控制器的成本相當(dāng)高，進(jìn)行自主研發(fā)顯得尤為重要。
本文開展的研究是在先進(jìn)汽車電子技術(shù)在世界上迅速發(fā)展的背景下，結(jié)合我國(guó)鼓勵(lì)大力進(jìn)行汽車電子技術(shù)研究的環(huán)境，為提高后視鏡和座椅的可用性，研究開發(fā)了一種可以實(shí)現(xiàn)記憶存儲(chǔ)和調(diào)用后視鏡和座椅位置的控制器。該類控制器在國(guó)外的一些高檔車型上已經(jīng)有了一些使用。但是在國(guó)內(nèi)由于成本問題和重視程度不夠，除了一些進(jìn)口的高端車型，記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅控制器還沒有得到應(yīng)用。本文所研究開發(fā)的記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅控制器能有效的調(diào)整后視鏡和座椅的位置，并能記憶存儲(chǔ)位置信息以便需要的時(shí)候調(diào)用。能夠保證駕駛員能獲得良好的后視鏡視野以保證行車安全，也能保證駕駛員的駕駛姿勢(shì)以保證駕駛員的身體健康。汽車電子技術(shù)在我國(guó)發(fā)展迅速，提高駕駛員駕駛方便性、舒適性，提高汽車可用性的汽車電子技術(shù)有相當(dāng)大的應(yīng)用前景。該控制器對(duì)改進(jìn)國(guó)內(nèi)后視鏡和座椅控制系統(tǒng)的研究開發(fā)具有積極意義，有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
1.2 國(guó)內(nèi)外汽車后視鏡和座椅的發(fā)展與研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)內(nèi)外汽車后視鏡的發(fā)展與研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外后視鏡的發(fā)展過程可以分為三個(gè)階段。
第一階段是無調(diào)整或簡(jiǎn)單調(diào)整階段。早期的汽車后視鏡如同早期的汽車，只是一個(gè)純粹的機(jī)械產(chǎn)品，最早的后視鏡是固定的，而后發(fā)展出現(xiàn)的機(jī)械調(diào)整也只是由駕駛員進(jìn)行的手動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)常出現(xiàn)的問題是駕駛員右側(cè)的后視鏡無法調(diào)整到最佳的視野位置。這種調(diào)節(jié)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，基本上不可能一次調(diào)節(jié)到位，但是現(xiàn)在一些汽車如大型汽車、載貨車等為了節(jié)省成本，仍然采用這樣的調(diào)節(jié)方式[12]。這種簡(jiǎn)單的手動(dòng)調(diào)節(jié)方式后來發(fā)展為拉索調(diào)整，即在車內(nèi)駕駛員能通過一個(gè)拉索可以旋轉(zhuǎn)的外后視鏡。但是由于拉索的長(zhǎng)度問題，拉索后視鏡的調(diào)整按鈕一般設(shè)計(jì)在該側(cè)后視鏡的車門內(nèi)側(cè)或者近車門的位置，駕駛員調(diào)整右側(cè)后視鏡同樣存在相當(dāng)?shù)牟槐?。拉索調(diào)整使用范圍很小，并未得到推廣。
第二階段是電動(dòng)調(diào)整階段。駕駛員手動(dòng)調(diào)整或者拉索調(diào)整存在的極大的不便促使研究人員研究開發(fā)了電動(dòng)調(diào)整的后視鏡。電動(dòng)調(diào)整的后視鏡是現(xiàn)在中高檔轎車的標(biāo)準(zhǔn)配備。駕駛員在車內(nèi)可以通過調(diào)整按鈕或者搖桿調(diào)整后視鏡的角度。國(guó)內(nèi)基本上大部分轎車都裝配了電動(dòng)后視鏡。這些不同的電動(dòng)后視鏡的控制機(jī)理基本上相仿，都是通過開關(guān)、驅(qū)動(dòng)器、電源等組成回路，由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后視鏡內(nèi)的調(diào)整裝置（一般是電機(jī)）工作以調(diào)整后視鏡的角度。駕駛員調(diào)整后視鏡相對(duì)手動(dòng)調(diào)整來說比較方便。電動(dòng)調(diào)整后視鏡也是現(xiàn)在使用最為廣泛的轎車車用后視鏡，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)使用的較多，進(jìn)口高級(jí)車如豐田大霸王PREVIA、中級(jí)車如廣州本田雅閣、中低級(jí)車如上海通用別克凱越等都使用了電動(dòng)控制的后視鏡。國(guó)內(nèi)外對(duì)于電動(dòng)調(diào)整后視鏡的研究已經(jīng)比較成熟了，現(xiàn)在電動(dòng)后視鏡已經(jīng)作為一個(gè)比較常見的標(biāo)準(zhǔn)配置安裝在轎車上使用了。
第三個(gè)階段是記憶存儲(chǔ)式調(diào)整階段。駕駛員對(duì)于后視鏡調(diào)整的不便性并未通過電動(dòng)調(diào)整得到根本的解決，一部車如果新的駕駛員使用勢(shì)必需要重新調(diào)整后視鏡的位置。家用轎車一般都有若干個(gè)駕駛者，時(shí)時(shí)調(diào)整的不便性體現(xiàn)的比較明顯。國(guó)外的一些汽車公司已經(jīng)研究開發(fā)了記憶存儲(chǔ)式后視鏡以提高后視鏡的可用性，而國(guó)外高檔轎車車型已經(jīng)開始配備這種后視鏡，如凌志LS400[25]。
國(guó)外對(duì)于記憶存儲(chǔ)式后視鏡的研究開發(fā)始于80年代末，一些汽車公司開發(fā)了記憶存儲(chǔ)式的后視鏡控制系統(tǒng)，并裝配在一些高端車型上，但是國(guó)外對(duì)于記憶存儲(chǔ)式后視鏡的研究開發(fā)是基于高檔車的附加配置開發(fā)的，由于成本的問題一般的車型都不使用。因?yàn)橛洃洿鎯?chǔ)式后視鏡是一種產(chǎn)品，國(guó)外對(duì)其研究的結(jié)果基本上都是以專利的形式出現(xiàn)的。Robert J. Fisher于1987年提出的關(guān)于后視鏡的遠(yuǎn)程控制和存儲(chǔ)系統(tǒng)的專利中就有了現(xiàn)代記憶存儲(chǔ)式后視鏡控制系統(tǒng)的雛形，只是其設(shè)計(jì)的是一個(gè)原型系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)后視鏡的控制和存儲(chǔ)恢復(fù)。其基本原理也是通過微控制器集中控制，通過電位傳感器檢測(cè)后視鏡角度，最終實(shí)現(xiàn)記憶存儲(chǔ)和調(diào)用的。Randall F. Hansen在1990年在此基礎(chǔ)上提出了另外的發(fā)明，是關(guān)于車用的記憶式后視鏡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這個(gè)系統(tǒng)是通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)后視鏡調(diào)整，通過設(shè)置障礙物來控制后視鏡最終的角度以實(shí)現(xiàn)位置的存儲(chǔ)。
國(guó)內(nèi)配備記憶存儲(chǔ)式后視鏡的車型只有進(jìn)口的高檔車型，記憶存儲(chǔ)式后視鏡在國(guó)內(nèi)還沒有得到應(yīng)用。記憶存儲(chǔ)式后視鏡能夠記憶存儲(chǔ)后視鏡的位置以便需要的時(shí)候調(diào)用位置信息，方便駕駛員使用。國(guó)內(nèi)的汽車企業(yè)基本上沒有展開記憶存儲(chǔ)式后視鏡的研究與開發(fā)，國(guó)內(nèi)使用該類后視鏡的車型的都是合資企業(yè)的車型或者進(jìn)口車型，如寶來、奧迪等。
1.2.2 國(guó)內(nèi)外汽車座椅的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀
座椅的發(fā)展與后視鏡的發(fā)展過程相似，也經(jīng)歷了三個(gè)階段。
第一個(gè)階段是無調(diào)整或簡(jiǎn)單調(diào)整階段。最早期的汽車座椅是固定的，其位置和角度是不可調(diào)整的。由于各駕駛員的自身特點(diǎn)不一樣，這樣的座椅完全不能夠滿足市場(chǎng)要求。但是由于成本低，現(xiàn)在的很多汽車如大客車、載重汽車等還是使用這樣的座椅。最早的手動(dòng)調(diào)節(jié)座椅在1921年面世。手動(dòng)調(diào)節(jié)方式需要駕駛員先通過手柄放松座椅的鎖止機(jī)構(gòu)，之后通過改變身體的座姿和位置來帶動(dòng)座椅移動(dòng)，最后將鎖止機(jī)構(gòu)的手柄放松，將座椅固定在所選擇的位置上?，F(xiàn)在很多大型汽車和中低檔的轎車都使用手動(dòng)調(diào)整的座椅，應(yīng)用仍然比較廣泛。
第二個(gè)階段是電動(dòng)調(diào)整階段。電動(dòng)座椅與電動(dòng)后視鏡的調(diào)節(jié)原理一樣，都是通過簡(jiǎn)單的電路控制電機(jī)工作進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)器件調(diào)節(jié)各個(gè)位置和角度。一般比較常見的座椅調(diào)節(jié)分為六個(gè)方向，為六向調(diào)節(jié)，為座椅椅面高度、座椅前后滑動(dòng)和椅背角度三個(gè)位置信息六個(gè)方向的調(diào)節(jié)[13]。電動(dòng)座椅現(xiàn)在在中高檔的轎車上使用的比較普遍，如別克凱越、大眾寶來、本田雅閣等。
第三個(gè)階段是記憶存儲(chǔ)式調(diào)整階段。手動(dòng)調(diào)整座椅和電動(dòng)調(diào)整座椅都存在使用煩瑣的問題，其可用性比較差。所以為了方便駕駛員操作，國(guó)外一些汽車企業(yè)研究開發(fā)了帶記憶存儲(chǔ)功能的座椅控制系統(tǒng)，并安裝在一些高端的車型上，如東風(fēng)日產(chǎn)藍(lán)鳥智尊、VOLVO XC90、寶馬730i、奧迪TT等都有該類座椅。國(guó)內(nèi)的汽車企業(yè)由于起步比較晚，基本上沒有進(jìn)行記憶存儲(chǔ)式座椅的開發(fā)，國(guó)內(nèi)只有一些進(jìn)口車型和一些合資企業(yè)的車型使用的記憶存儲(chǔ)式座椅控制系統(tǒng)。
1.2.3 記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅控制系統(tǒng)
由于座椅位置和后視鏡位置之間存在聯(lián)動(dòng)關(guān)系，座椅位置決定了后視鏡的位置，調(diào)整了一個(gè)位置另外一個(gè)一般也需要作相應(yīng)的調(diào)整。但是國(guó)外有一些汽車企業(yè)對(duì)于記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅的研發(fā)工作并不是同時(shí)進(jìn)行的，而是先開發(fā)了單獨(dú)的記憶存儲(chǔ)式的后視鏡控制系統(tǒng)，然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)了座椅控制系統(tǒng)，如凌志LS400的后視鏡和座椅控制系統(tǒng)，實(shí)際上兩個(gè)控制系統(tǒng)是通過不同的ECU控制的。國(guó)外開發(fā)記憶存儲(chǔ)式座椅控制系統(tǒng)早期只是為了滿足駕駛員能夠記憶存儲(chǔ)和恢復(fù)駕駛位置的系統(tǒng)，稱為駕駛位置儲(chǔ)存與返回系統(tǒng)。而后是由于駕駛位置和后視鏡位置的關(guān)聯(lián)所以進(jìn)行了后視鏡控制系統(tǒng)的擴(kuò)展開發(fā)，增加了座椅控制功能。
在我國(guó)由于后視鏡和座椅的控制系統(tǒng)是同時(shí)進(jìn)行開發(fā)，由于現(xiàn)在的汽車電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，可以進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，進(jìn)行后視鏡和座椅的聯(lián)合位置存儲(chǔ)和調(diào)用。
1.3 課題研究的內(nèi)容
本文討論的記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅控制器是針對(duì)轎車的外后視鏡和駕駛員座椅設(shè)計(jì)的。本設(shè)計(jì)的記憶存儲(chǔ)式控制器通過集中的控制系統(tǒng)，可以完成后視鏡的上下和左右方向的角度調(diào)整，座椅的前后滑動(dòng)、座位椅面前升降、座位椅面后升降和椅背角度調(diào)整。駕駛員可以根據(jù)個(gè)人自身特點(diǎn)和駕駛習(xí)慣來調(diào)整后視鏡和座椅的位置，然后進(jìn)行記憶存儲(chǔ)，在位置改變后，駕駛員可以使用恢復(fù)功能進(jìn)行方便的位置復(fù)原。
第2章 控制系統(tǒng)及控制方式的選擇
2.1 汽車電子控制系統(tǒng)
2.1.1 汽車電子控制系統(tǒng)概述
位置記憶功能后視鏡與汽車座椅控制系統(tǒng)是典型的汽車電子控制系統(tǒng)。
汽車電子控制系統(tǒng)（ECS，Electronic Control System）是以單片機(jī)為中心組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也可以稱作汽車微機(jī)控制系統(tǒng)，是由電子控制單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行器組合而成[14,15]。汽車電子控制系統(tǒng)的作用是提高汽車的整體性能，包括動(dòng)力性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、操作性等。汽車整體電子控制系統(tǒng)包括若干個(gè)電子控制系統(tǒng)。每個(gè)電子控制系統(tǒng)的控制功能、控制參數(shù)和控制精度都不盡相同，甚至不同的汽車公司研制的電子控制系統(tǒng)也千差萬別，但是其組成和基本功能都一樣[16,17]。汽車電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。
傳感器
ECU
執(zhí)行器
被控對(duì)象
模擬/數(shù)字信號(hào)
執(zhí)行命令
狀態(tài)反饋
控制操作
圖2.1 汽車電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
上圖清楚的顯示了汽車電子控制系統(tǒng)的組成及工作流程。傳感器檢測(cè)得到信號(hào)后傳遞至ECU進(jìn)行處理，然后ECU發(fā)出執(zhí)行命令給執(zhí)行器，執(zhí)行器獲得命令對(duì)被控制的對(duì)象后執(zhí)行相應(yīng)的操作，操作完成后被控對(duì)象將其狀態(tài)反饋給傳感器。這就是一個(gè)典型的汽車電子控制系統(tǒng)的工作循環(huán)。
2.1.2 傳感器
傳感器是能測(cè)量各種物理量并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置和器件。傳感器的作用是將各種非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成為可以輸入電子控制單元中進(jìn)行處理的電信號(hào)。在汽車電子控制系統(tǒng)中，需要傳感器實(shí)時(shí)正確的檢測(cè)所有條件下所需的各種物理量，并把它輸入到控制器中。實(shí)際使用中，傳感器是信息采集的主要部件，主要用來檢測(cè)和采集汽車的狀態(tài)信息或者各種物理、化學(xué)或者電信息。由傳感器采集的信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再傳遞至ECU處理[18]。
在汽車電子控制系統(tǒng)中，傳感器擔(dān)負(fù)著檢測(cè)和提供狀態(tài)等信息的任務(wù)。有的汽車上裝配的傳感器超過了50個(gè)。常見的車用傳感器按其檢測(cè)項(xiàng)目的不同可以分為：位置傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、爆震傳感器、流量傳感器等。
電子技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展為汽車傳感器的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件。從傳感器的發(fā)展方向來看，有多功能化和智能化的特點(diǎn)。多功能化是指?jìng)鞲衅饔梢郧暗膯我还δ艿膫鞲衅靼l(fā)展為具有多種參數(shù)檢測(cè)功能的傳感器。如汽車上采用的壓阻效應(yīng)式壓力傳感器，同時(shí)有靜壓、溫度兩個(gè)傳感器。智能傳感器是指帶有微型計(jì)算機(jī)的傳感器。這種傳感器具有檢測(cè)信息和處理信息的功能。職能傳感器通常將信號(hào)檢測(cè)、處理和驅(qū)動(dòng)賄賂等外圍電路全部集成在一塊基片上，使得傳感器具有自診斷、遠(yuǎn)距離通信、自動(dòng)調(diào)整零點(diǎn)和量程等功能。
汽車電子控制系統(tǒng)不僅僅靠傳感器來提供信號(hào)，還采用了開關(guān)控制信號(hào)來提供控制系統(tǒng)必須的其他控制信號(hào)。開關(guān)控制信號(hào)是將汽車的狀態(tài)信息通過一個(gè)高或者低電平直接輸入ECU，以使得ECU確認(rèn)后進(jìn)行處理的信號(hào)。一般常用的汽車開關(guān)控制信號(hào)有點(diǎn)火開關(guān)信號(hào)（IGN，Ignition Switch）、啟動(dòng)開關(guān)信號(hào)（STA，Start Switch）、空檔安全開關(guān)信號(hào)（NSW，Neutral Security Switch）、蓄電池電壓信號(hào)等。開關(guān)控制信號(hào)與傳感器配合使用能夠使汽車電子控制系統(tǒng)完全檢測(cè)控制汽車狀態(tài)的各種信息，以進(jìn)行較為完善的汽車電子控制中必不可少的信號(hào)檢測(cè)。
2.1.3 ECU
汽車電子控制單元ECU是以單片機(jī)為核心所組成的電子控制裝置，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算，邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)管理等功能。ECU是汽車電子控制系統(tǒng)的核心部件，能對(duì)傳感器傳遞的信息進(jìn)行加工處理，通過預(yù)先編制的控制程序來對(duì)信號(hào)做出響應(yīng)，并發(fā)出各種控制指令，指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。ECU是以CPU為核心，由輸入輸出緩沖元件和程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件等構(gòu)成的。雖然各種汽車電子控制系統(tǒng)使用的ECU各不相同，但是一般而言，ECU主要是由硬件、軟件、殼體和線束插座四部分組成。ECU的軟件主要包括監(jiān)控程序和應(yīng)用程序兩部分；硬件作為實(shí)體，為各種電子控制系統(tǒng)正常工作提供基礎(chǔ)條件。ECU的硬件中的核心是硬件電路。硬件電路是相當(dāng)復(fù)雜的，而且各個(gè)ECU生產(chǎn)公司的產(chǎn)品各有不同，但是硬件電路的組成基本相同，都是由輸入回路、輸出回路和單片微型計(jì)算機(jī)三部分組成。其組成框圖如下圖2.2。
輸入回路
輸入回路
輸出回路
模擬信號(hào)
執(zhí)行器
數(shù)字信號(hào)
存儲(chǔ)器（ROM/RAM）
CPU
I/O
微 機(jī)
ECU
圖2.2 ECU組成框圖
ECU的各個(gè)組成部分的功能和概述如下。
1、輸入回路
輸入回路又稱為輸入接口，是將傳感器輸出的信號(hào)接收，并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的信號(hào)的電路。根據(jù)傳感器返回的信號(hào)不同，輸入回路的接口有A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字輸入緩沖器兩種。
A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)或者將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。傳感器采集的信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩大類。信號(hào)電壓（或電流）隨時(shí)間變化而連續(xù)變化的信號(hào)稱為模擬信號(hào)。在汽車電子控制系統(tǒng)中，如空氣流量傳感器信號(hào)、爆震傳感器信號(hào)、壓力傳感器信號(hào)等都是模擬信號(hào)。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)不能識(shí)別模擬信號(hào)，所以如果傳感器輸出的信號(hào)是模擬信號(hào)時(shí)，必須通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再傳遞給數(shù)字計(jì)算機(jī)處理。信號(hào)電壓（或電流）隨時(shí)間變化而不是連續(xù)變化的信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)。在汽車電子控制系統(tǒng)中，空氣流量傳感器信號(hào)、霍爾式與磁感式傳感器信號(hào)、觸點(diǎn)式節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)、氧傳感器信號(hào)等都是數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)一般都是以脈沖信號(hào)或者高、低電平信號(hào)存在，因此需要通過輸入回路的數(shù)字輸入緩沖器進(jìn)行限幅、整形等處理，才能傳輸?shù)綌?shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理。
數(shù)字輸入緩沖器主要是由整形電路、波形變換電路、限幅電路和濾波電路等組成。數(shù)字輸入緩沖器的作用式對(duì)數(shù)字計(jì)算機(jī)不能接受的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。輸入回路實(shí)際上是將傳感器輸入的信號(hào)，在除去雜波和正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾ê?，再轉(zhuǎn)換成輸入電平輸入計(jì)算機(jī)。
2、單片微型計(jì)算機(jī)
單片微型計(jì)算機(jī)一般也稱為微型計(jì)算機(jī)、微機(jī)或者單片機(jī)。單片機(jī)是可以進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理裝置，包括中央處理器CPU、存儲(chǔ)器和輸入/輸出裝置。其組成結(jié)構(gòu)框圖如圖2.3所示。
RAM
ROM
I/O
CPU
總線
內(nèi)存
圖2.3 單片機(jī)組成框圖
中央處理器（CPU, Central Processing Unit）是ECU的核心，是具有譯碼指令和數(shù)據(jù)處理能力的電子部件。其作用是讀出命令并執(zhí)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)。CPU是由運(yùn)算器（CLU，Calculator）、寄存器（Register）、控制器（Controller）組成，其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖2.4所示。
控制器
運(yùn)算器
寄存器
CLU
CPU
控制信號(hào)
數(shù)據(jù)
總線
圖2.4 CPU組成框圖
運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算部件，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。汽車電子控制系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯判斷都在運(yùn)算器內(nèi)進(jìn)行。寄存器是用于暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或程序指令?？刂破魇怯?jì)算機(jī)的指揮控制部件，其作用是按照監(jiān)控程序或應(yīng)用程序的命令進(jìn)行計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件的自動(dòng)協(xié)調(diào)工作，能夠按照程序進(jìn)行各裝置之間信號(hào)的傳送及控制任務(wù)。
存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)程序指令和數(shù)據(jù)的部件。存儲(chǔ)器包括只讀存儲(chǔ)器（ROM，Read Only Memory）和隨即存取存儲(chǔ)器（RAM, Random Access Memory）。只讀存儲(chǔ)器是一種不可更改寫入信息的存儲(chǔ)器，其存入的信息只支持讀取。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中保存的信息可以隨時(shí)寫入和讀出，改寫時(shí)也不需要擦除原有，但是信息斷電時(shí)會(huì)丟失。實(shí)際上，RAM 起的作用類似與寄存器。
輸入/輸出（I/O）接口是CPU與傳感器或執(zhí)行器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或者輸出控制指令的通道。由于傳感器和執(zhí)行器的多樣化，所輸入的信號(hào)和所需提供的指令也必須多樣化，而CPU能夠接受的信號(hào)和輸出的指令是一定的，所以需要I/O接口來進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。
總線（BUS）是微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部傳遞信息的連線電路。在單片機(jī)內(nèi)部，CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口之間的信息交換都是通過總線來實(shí)現(xiàn)。按照傳遞信息的不同，總線可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三種。數(shù)據(jù)總線主要用于傳送數(shù)據(jù)和指令，其導(dǎo)線數(shù)必須與數(shù)據(jù)的位數(shù)對(duì)應(yīng)。地址總線用來傳遞地址碼，其導(dǎo)線數(shù)與地址碼的位數(shù)和傳送方式相關(guān)?？刂瓶偩€是用來連接微型計(jì)算機(jī)內(nèi)的各個(gè)元器件?？偩€技術(shù)是用來提高計(jì)算機(jī)速度的關(guān)鍵技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)車載各個(gè)電子控制系統(tǒng)的高速通信，現(xiàn)在中高檔車大多已采用了控制器局域網(wǎng)絡(luò)通訊總線（CAN 總線）技術(shù)。
一般而言，用于汽車上的CPU是8位的。而有些控制系統(tǒng)需要處理大容量的數(shù)據(jù)時(shí)，可能會(huì)使用16位甚至?xí)r32位的高速大容量計(jì)算機(jī)。
3、輸出回路
輸出回路是單片機(jī)與執(zhí)行器的連接部件，其功能是根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的指令，控制執(zhí)行器的工作。由單片機(jī)輸出的電壓是較低的電信號(hào)（如脈沖），一般為5V，這樣的信號(hào)一般是不能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件工作的，因此必須通過輸出回路對(duì)控制指令進(jìn)行功率放大、譯碼或者D/A轉(zhuǎn)換，編程可以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的強(qiáng)電信號(hào)。
2.1.4 執(zhí)行器
執(zhí)行器是能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或裝置。執(zhí)行器的作用是按照ECU的指示進(jìn)行動(dòng)作，主要是完成ECU發(fā)出的各種指令。ECU的指令以電信號(hào)的形式存在，執(zhí)行器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成力或位移等物理量[21]。汽車電子控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行器有以下幾種：
1、各種微型電機(jī)，如步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等；
2、各種電磁閥，如自動(dòng)變速系統(tǒng)的換擋電磁閥、鎖止電磁閥，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）的兩位兩通電磁閥、三位三通閥等；
3、電動(dòng)燃油泵，用于提供發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)規(guī)定壓力的燃油；
4、電磁燃油器：用于接收ECU發(fā)出的噴油脈沖信號(hào)，計(jì)量燃油噴射量；
5、怠速控制閥（ISC,Idle Speed Control Valve）：用于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速控制；
2.2 記憶存儲(chǔ)式控制器的功能
總體而言，本文所研究的記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅控制器需要實(shí)現(xiàn)的基本功能是能實(shí)現(xiàn)對(duì)后視鏡的上下和左右方向的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)座椅的前后滑動(dòng)、作為前升降、后升降、椅背角度的調(diào)節(jié)，對(duì)后視鏡和座椅位置的記憶存儲(chǔ)和調(diào)用。其基本功能的具體細(xì)節(jié)描述如下：
1、工作電壓在9－15V時(shí)均能正常工作；
2、能夠調(diào)節(jié)左、右后視鏡上下轉(zhuǎn)動(dòng)和左右轉(zhuǎn)動(dòng)各兩個(gè)位置；
3、能夠調(diào)節(jié)座椅前升降、后升降、前后滑動(dòng)以及椅背角度四個(gè)位置；
4、能夠同時(shí)存儲(chǔ)駕駛員調(diào)整后的后視鏡和座椅位置；
5、能夠調(diào)用駕駛員存儲(chǔ)的后視鏡和座椅的位置；
6、一共可以記錄3組位置信息；
7、鍵盤調(diào)整操作采用點(diǎn)動(dòng)式；
8、同一時(shí)間，只接受一個(gè)調(diào)節(jié)信號(hào)，即只允許進(jìn)行一個(gè)電機(jī)一個(gè)方向調(diào)節(jié)；
9、斷電時(shí)，儲(chǔ)存的位置狀態(tài)信息不會(huì)丟失；
10、防止因誤操作更改存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的鏡面和座椅位置狀態(tài)；
11、對(duì)鍵盤控制鍵操作成功時(shí)有顯示；
12、在車門未關(guān)的情況下，屏蔽所有功能鍵；
13、在汽車行駛時(shí)，同樣也屏蔽所以調(diào)節(jié)功能鍵。
2.3 控制方式的選擇
2.3.1 控制方式及其發(fā)展
在汽車電子控制系統(tǒng)發(fā)展的過程中可以發(fā)現(xiàn)，汽車電子控制系統(tǒng)按發(fā)展的順序出現(xiàn)過單一控制系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)三種[22]。
單一控制系統(tǒng)是汽車電子控制早期采用的的電子控制方式，是由ECU控制汽車上某個(gè)部件以實(shí)現(xiàn)某種單一功能的系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)的汽車電子控制系統(tǒng)受限于車用ECU的性能等客觀因素，無法達(dá)到比較高的性能。例如當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的電控汽油噴射系統(tǒng)，電子控制防抱死制動(dòng)裝置（ABS）和發(fā)動(dòng)機(jī)集成電路調(diào)節(jié)器等。
集中控制系統(tǒng)是由一個(gè)ECU集中控制汽車上一個(gè)或者若干個(gè)部件以實(shí)現(xiàn)多種功能的控制系統(tǒng)。集中控制系統(tǒng)的出現(xiàn)是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以致計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和精度得到了極大的提高。這一時(shí)期的電子控制系統(tǒng)發(fā)展首先是集中在發(fā)動(dòng)機(jī)控制部分，由點(diǎn)火系統(tǒng)開始，逐步擴(kuò)展到控制排氣再循環(huán)、控－燃比、怠速轉(zhuǎn)速等部分，后來稱之為發(fā)動(dòng)機(jī)集中控制系統(tǒng)。
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)也叫做分布式控制系統(tǒng)，是由不同的ECU控制汽車上不同的部件實(shí)現(xiàn)不同的功能，而各個(gè)ECU之間通過汽車總線連接[23]。網(wǎng)絡(luò)總線一般也叫做現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus），是使得微機(jī)化測(cè)量設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通行的系統(tǒng)。實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)總線就是使ECU之間有了數(shù)字通信能力，而將ECU連接在一起實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。常用的現(xiàn)場(chǎng)總線有控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線、局部操作網(wǎng)絡(luò)（Lon Works）總線、過程現(xiàn)場(chǎng)總線（Profibus）、本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）等[24]。使用最為廣泛的是CAN總線。
2.3.2 基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)
現(xiàn)在汽車的電子控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的是基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)。CAN總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[24]。CAN總線作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式管理網(wǎng)絡(luò)，屬于局域網(wǎng)、總線型的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單而且能滿足汽車控制的需要。國(guó)外對(duì)于CAN總線的研究已經(jīng)趨于成熟化，形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于歐美轎車。國(guó)內(nèi)的一汽大眾BORA、上海大眾PASSAT、南京菲亞特的SIENA和PALIO、北京現(xiàn)代SONATA等都在車身的控制中使用了CAN總線技術(shù)，但是這些技術(shù)都是由對(duì)方合資公司提供，應(yīng)用于特定的車型。我國(guó)對(duì)于基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的研究還是比較欠缺，現(xiàn)在有許多研究機(jī)構(gòu)和高校以及汽車企業(yè)如吉利汽車集團(tuán)為掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，正在進(jìn)行這方面的研究開發(fā)工作。
2.3.3 線束問題
汽車線束又稱為汽車電纜，是汽車上用于連接各個(gè)部件的物理設(shè)備。實(shí)際上控制方式不斷改進(jìn)的一個(gè)主要原因就是線束問題無法解決。單一控制系統(tǒng)中各個(gè)位置和信號(hào)都需要一根單獨(dú)的線來實(shí)現(xiàn)連接，所以在ECU發(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的集中控制時(shí)，以集中控制方式來實(shí)現(xiàn)各個(gè)相近連接部分的集中控制。可是集中控制系統(tǒng)之間仍然不能交換信息，所以通過汽車網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息共享。
雖然采用了分布式控制系統(tǒng)，通過汽車局域網(wǎng)絡(luò)來連接各個(gè)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)信息和地址的共享，但是在實(shí)際的使用中，汽車電子控制系統(tǒng)的主要瓶頸之一仍然是汽車線束。電子設(shè)備過多，控制系統(tǒng)過復(fù)雜，必然使得車內(nèi)的電氣布線越來越長(zhǎng)、越來越復(fù)雜，導(dǎo)致整車成本大幅度提高，能量損耗增加，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性降低、故障維修難度增大。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，一輛高檔汽車的電纜使用長(zhǎng)度達(dá)到2000m，重量在20Kg左右，控制節(jié)點(diǎn)多達(dá)1500個(gè)。汽車每行駛100Km，50Kg的線束額外能耗為100W，相當(dāng)于燃燒0.2L的汽油。寶馬5系車型有的裝配的ECU單元多大50個(gè)，相應(yīng)的電子控制系統(tǒng)就多達(dá)50個(gè)，即使通過CAN總線局域網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)電子控制系統(tǒng)，之間使用的電纜也是相當(dāng)驚人。而且汽車上規(guī)定使用銅線直徑不能低于0.5mm，實(shí)際應(yīng)用中傳送距離稍遠(yuǎn)的銅線都使用0.8mm 的甚至1.0mm以上的銅線，其制造成本比較高。而且汽車線束一般都是放置在汽車縱梁下等比較難以檢測(cè)和維修的地方，通常的維修方法都是直接更換，這在一定程度上增加了汽車的維修和使用成本。
所以在汽車電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，汽車線束也是一個(gè)主要的考慮因素。由于現(xiàn)在普遍使用網(wǎng)絡(luò)化的分布式控制系統(tǒng)，各個(gè)零部件設(shè)計(jì)企業(yè)都選擇設(shè)計(jì)可以通過汽車總線連接的分布式控制系統(tǒng)。由于各個(gè)汽車電子控制系統(tǒng)之間的連接也是通過汽車線束實(shí)現(xiàn)，這樣的設(shè)計(jì)無形中增加了汽車線束。所以在汽車電子控制系統(tǒng)中，我們確定的主要設(shè)計(jì)原則是：為了減少汽車線束，能集中的控制系統(tǒng)一定集中控制，不能集中的控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)控制；為了方便維修，少數(shù)據(jù)共享的控制系統(tǒng)不連入汽車網(wǎng)絡(luò)。
2.3.4 控制方式的對(duì)比選擇
記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅控制系統(tǒng)可以采用分布式控制系統(tǒng)。國(guó)外一些高端車型上使用的記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅就是采用的分布式控制系統(tǒng)，如凌志LS400等[25]。其采用分布式控制系統(tǒng)的一個(gè)主要原因是國(guó)外汽車企業(yè)對(duì)于后視鏡和座椅的控制系統(tǒng)的研究是分開進(jìn)行的，一般都是首先單獨(dú)研究開發(fā)了記憶存儲(chǔ)式的后視鏡，然后開發(fā)了記憶存儲(chǔ)式的座椅。這樣是開發(fā)了兩個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線（一般都使用CAN總線）連接。
本文研究開發(fā)的后視鏡和座椅控制系統(tǒng)采用集中控制系統(tǒng)，以一個(gè)ECU進(jìn)行集中控制后視鏡和座椅，不選擇分布式控制系統(tǒng)開發(fā)的原因如下：
1、汽車線束的減少。以一個(gè)ECU對(duì)后視鏡和座椅集中控制要比使用兩個(gè)ECU單獨(dú)的控制減少了汽車線束的使用。
2、由于后視鏡和座椅的位置是相關(guān)的，本設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行位置的聯(lián)合存儲(chǔ)以保證同時(shí)調(diào)整到座椅的最舒適位置和后視鏡最佳視野位置，所以以一個(gè)ECU集中控制，進(jìn)行位置的聯(lián)合存儲(chǔ)和恢復(fù)更為簡(jiǎn)便。
3、反應(yīng)速度比分布式控制系統(tǒng)快。
4、成本低。由于電路并不是非常復(fù)雜，選用2個(gè)20腳的ECU進(jìn)行分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選用1個(gè)40腳的ECU進(jìn)行集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，后者明顯更加適合低成本的商品化開發(fā)。
5、電路簡(jiǎn)單。有些信號(hào)如車門關(guān)閉信號(hào)等后視鏡和座椅控制系統(tǒng)都需要使用，集中控制系統(tǒng)不需要額外的接線進(jìn)行信號(hào)共享，簡(jiǎn)化了電路。
2.4 基本工作原理
記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的汽車電子控制系統(tǒng)，其硬件元件也是由ECU、傳感器和執(zhí)行器組成的。
本設(shè)計(jì)中的執(zhí)行器選用永磁式直流電動(dòng)機(jī)，考慮到車載電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為12V。選用的后視鏡內(nèi)的電機(jī)的運(yùn)行電流和扭矩都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于座椅內(nèi)的電機(jī)。電機(jī)內(nèi)裝有過載電流保護(hù)器?；诤笠曠R和座椅的工作狀態(tài)和調(diào)節(jié)狀況，后視鏡的傳感器選用電位傳感器，座椅中靠背角度選用干簧管傳感器，前后移動(dòng)、座位前升降和后升降選用霍爾式傳感器。
硬件系統(tǒng)如圖2.5所示?？刂葡到y(tǒng)以ECU為核心連接各個(gè)部件，控制后視鏡和座椅位置的調(diào)整。駕駛員可以調(diào)整左右后視鏡的上下轉(zhuǎn)動(dòng)和左右轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)位置，座椅的前升降、后升降、前后滑動(dòng)和椅背角度四個(gè)位置。所有的位置調(diào)整都通過電機(jī)的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)節(jié)，所以的位置信息都通過相關(guān)位置的傳感器來采集。ECU和電機(jī)等都通過車載的蓄電池（12V）來供電，用電元件的工作電壓都是5V或者12V。在圖2.5中車門車速信號(hào)由兩個(gè)開關(guān)表示，在車門未關(guān)和車行駛時(shí)斷開電源供電從而屏蔽調(diào)節(jié)電路，其細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的電路和信號(hào)在硬件電路設(shè)計(jì)章節(jié)中有介紹。
蜂鳴器
后視鏡控制
恢復(fù)
存儲(chǔ)
M3
M2
M1
上下轉(zhuǎn)
左右轉(zhuǎn)
左右選擇
椅背角
前后滑
后升降
前升降
點(diǎn)火
后視鏡控制
電源
M
M
M
M
M
M
M
M
*
*
*
*
*
*
*
*
E
C
U
*
M
前升降
后升降
前后滑
椅背角
左右轉(zhuǎn)
上下轉(zhuǎn)
左右轉(zhuǎn)
上下轉(zhuǎn)
左后視鏡
右后視鏡
座椅控制
車門
車速
座椅控制
傳感器
電機(jī)
圖2.5 硬件系統(tǒng)原理圖
硬件系統(tǒng)總體上通過圖2-5示意，而其內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)，ECU的選擇和引腳使用，其余電子元器件的選型和使用等部分在ECU的選擇和使用章節(jié)，硬件電路設(shè)計(jì)章節(jié)中將進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
2.5 控制器的操作和使用
本設(shè)計(jì)的控制器的操作和使用過程如下：
如圖2.6、圖2.7，圖中M1、M2、M3分別代表三個(gè)存儲(chǔ)位置。各個(gè)箭頭按鍵分別用來控制電機(jī)向箭頭所指代的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。“左后視鏡”、“右后視鏡”鍵用來切換左右后視鏡?！按鎯?chǔ)”鍵配合“M1”等鍵存儲(chǔ)位置信息?！盎謴?fù)”鍵用來進(jìn)入恢復(fù)座椅和后視鏡記憶位置狀態(tài)。
初始時(shí)，駕駛員通過控制面板操作，輸入控制信號(hào)，信號(hào)通過ECU輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)整后視鏡和座椅，以獲得后視鏡的最佳視野和座椅的最舒適位置。調(diào)整完成后，駕駛員可以同時(shí)按下存儲(chǔ)鍵和任意位置鍵（M1、M2 或M3），保持3秒后ECU會(huì)獲得存儲(chǔ)信號(hào)，即可通過預(yù)先編制的存儲(chǔ)程序，將該位置信息保存在存儲(chǔ)器中（本設(shè)計(jì)使用的是EEPROM）。在需要恢復(fù)時(shí)，駕駛員只需要同時(shí)按下恢復(fù)鍵和相應(yīng)的位置鍵并保持3秒，ECU獲得恢復(fù)信號(hào)從存儲(chǔ)器中獲得位置信息，然后即可通過預(yù)先編制的恢復(fù)程序，控制電機(jī)工作，恢復(fù)到該位置鍵所對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)的位置。
圖2.6 座椅位置調(diào)節(jié)面板
圖2.7 后視鏡位置調(diào)節(jié)面板
2.6 本章小結(jié)
本章首先對(duì)汽車電子控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，其基本組成部分為ECU、傳感器和執(zhí)行器。然后對(duì)本設(shè)計(jì)所需實(shí)現(xiàn)的控制器的功能進(jìn)行介紹，在功能介紹完成后對(duì)控制方式進(jìn)行對(duì)比和選擇。最后通過硬件系統(tǒng)的原理示意圖來說明了記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅控制器的基本工作原理和控制操作過程。
第3章 汽車電子控制單元（ECU）的選擇與使用
3.1 ECU選擇指標(biāo)與原則
3.1.1 ECU的環(huán)境指標(biāo)
汽車電子產(chǎn)品的性能和可靠性，在很大程度上取決于它的耐環(huán)境性，汽車用ECU所處的環(huán)境十分惡劣復(fù)雜，除了濕度、溫度、振動(dòng)、沖擊、灰塵、泥沙、水、油污、波動(dòng)電壓等環(huán)境因素外，電磁干擾也是一個(gè)不可忽視的問題。ECU作為整個(gè)汽車電子控制系統(tǒng)的核心，其所處的工作環(huán)境及其惡劣，所以選擇的ECU 需要有相當(dāng)高的抗干擾性、耐高溫性和穩(wěn)定性。許多電子產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室能夠完成相關(guān)功能試驗(yàn)，但是安裝在汽車上卻不能正常工作，這往往是ECU 不能適應(yīng)汽車內(nèi)惡劣的環(huán)境導(dǎo)致的。
車內(nèi)溫度在各個(gè)部位不一樣，如發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的溫度可超過100℃，陽(yáng)光下?lián)跤臧宓臏囟瓤蛇_(dá)90℃?？紤]到本設(shè)計(jì)的控制器最終安裝位置不靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，也不靠近擋雨板，更不可能受到陽(yáng)光的直射，所以一般的抗高溫ECU即可。其他的考慮因素包括抗潮濕、防振、抗干擾等基本因素。
一般ECU生產(chǎn)企業(yè)將電子控制單元按照其使用的范圍可以都分為車用ECU，消費(fèi)電子類ECU等若干類。其中車用ECU是基于汽車內(nèi)部的惡劣環(huán)境專門為汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的ECU，其基本的抗高溫、防振、抗潮濕、抗干擾性能都能夠滿足基本的車用的要求。本設(shè)計(jì)選用車用ECU進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.1.2 ECU選擇的基本技術(shù)指標(biāo)
同時(shí)，ECU的選擇中也需要考慮其高速計(jì)算的能力以滿足汽車電子控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算和對(duì)傳感器信號(hào)、控制信號(hào)的處理。綜合而言，本設(shè)計(jì)的記憶存儲(chǔ)式后視鏡和座椅控制器ECU選擇的主要考慮指標(biāo)包括A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，輸入輸出的引腳數(shù)，存儲(chǔ)容量，工作溫度，可擴(kuò)展性和成本，詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如下：
1、A/D：8通道；
2、輸入輸出引腳數(shù)；
3、存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)控制程序（初步考慮C語言）；
4、工作溫度：-40－85℃；
5、可擴(kuò)性：CAN總線。
其中輸入輸出的引腳數(shù)量是無法明確在設(shè)計(jì)開始的時(shí)候就得知的。而且在設(shè)計(jì)時(shí)，ECU并不是單獨(dú)選擇的，而是與硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件程序設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行的。首先計(jì)算需要多少個(gè)輸入輸出信號(hào)。以EEPROM實(shí)現(xiàn)記憶存儲(chǔ)需要4個(gè)輸入輸出信號(hào)；驅(qū)動(dòng)8個(gè)電機(jī)的信號(hào)；返回11個(gè)傳感器的信號(hào)，座椅4個(gè)方向和兩個(gè)后視鏡各2個(gè)方向以及車門打開、車速信號(hào)；1個(gè)操作成功信號(hào)；后視鏡控制信號(hào)5個(gè)，即左右選擇、上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)；座椅控制信號(hào)8個(gè)，即前移、后移、椅面前抬高、前降低、椅面后抬高、后降低、椅背角變大、變小。以上共37個(gè)輸入輸出信號(hào)，而且不計(jì)算鍵盤需要使用的引腳，粗略的估計(jì)總數(shù)超過40個(gè)。
ECU的成本與外圍電路使用的元器件相比是比較高的，所以本控制器需要實(shí)現(xiàn)的40多個(gè)信號(hào)的輸入輸出在使用相對(duì)較少引腳的ECU時(shí)可以通過硬件電路來優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。本控制器的硬件電路設(shè)計(jì)中使用了譯碼器、編碼器、模擬多路器等成本相當(dāng)?shù)偷男酒cECU 共同實(shí)現(xiàn)所需功能，則ECU的引腳數(shù)量可以大大的降低。
3.1.3 ECU的選擇
考慮到以上情況，初步選用摩托羅拉半導(dǎo)體公司車用8位微處理器，68HC08系列的芯片。該系列芯片具有速度快，效率高，功耗小的特點(diǎn)，而該系列的芯片的基本功能和接口完全能夠滿足本控制器的要求。
實(shí)際上在本控制器的設(shè)計(jì)過程中，ECU的選擇在確定了選用摩托羅拉68HC08系列后并不能確定選用的具體型號(hào)，但是選用了該系列能夠保證能實(shí)現(xiàn)我們需要的基本功能，而各個(gè)型號(hào)之間的區(qū)別不是本質(zhì)性的，所以完全可以在硬件電路和軟件程序開始設(shè)計(jì)之后即時(shí)修改。在本控制器的設(shè)計(jì)過程中，首先選擇了引腳數(shù)量相對(duì)比較多的44腳的M68HC908SR12芯片，該芯片有33個(gè)輸入輸出引腳，而后進(jìn)行了硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)。在硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)過程中對(duì)本控制器所實(shí)際需要的引腳數(shù)量、軟件程序容量等具體技術(shù)指標(biāo)更加明確。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)通過硬件電路的優(yōu)化，44腳的MC68HC908SR12能夠提供足夠數(shù)量的輸入輸出引腳，同時(shí)成本過高，而功能與其他芯片差別不大，最終選用44腳的MC68HC908GT8。而實(shí)際上這兩款芯片的引腳數(shù)量、基本功能沒有差別，實(shí)際差別在其細(xì)節(jié)技術(shù)指標(biāo)如RAM 容量、flash 存儲(chǔ)容量等。
3.2 ECU主要特性
MC68HC908GT8是摩托羅拉公司車用MC68HC08系列的一款芯片。該系列芯片都使用CPU08作為其中央處理器，而各款產(chǎn)品在使用的ROM 存儲(chǔ)容量，引腳，封裝，模塊等有一定的區(qū)別。
MC68HC908GT8的主要特性如下[26,27,28]：
1、工作電壓5V；
2、工作溫度-55℃—150℃；
3、8位CPU；
4、8KB的Flash存儲(chǔ)空間，可在線編程；
5、8路8位A/D轉(zhuǎn)換器；
6、8MHz的總線頻率；
7、增強(qiáng)型串行通信接口和串行外圍接口；
8、系統(tǒng)保護(hù)特性：低電