AUTOSAR从入门到精通-【应用篇】基于 LIN 总线的汽车自动天窗防夹控制系统的设计与实现

目录

前言

天窗控制系统的 LIN 总线

2.1 LIN 总线概述

2.2 LIN 总线协议规范

2.3 防夹控制系统的 LIN 总线

2.4 系统 LIN 网络测试

天窗防夹控制系统整体设计方案

3.1 天窗防夹控制系统功能

3.2 控制系统总体设计

3.2.1 系统结构

3.2.2 天窗防夹控制器

3.2.3 天窗传动系统

3.3 控制器的设计方案

3.3.1 控制器的技术要求

3.3.2 控制器的技术参数

3.3.3 控制器的功能设计与实现

3.4 防夹算法的研究与设计

3.4.1 环境条件对防夹算法的影响

3.4.2 防夹算法的研究

天窗防夹控制系统的硬件设计

4.1 模块设计

4.1.1 最小系统模块

4.1.2 电源管理模块

5.4 产品验证试验

5.4.1 天窗起翘异常分析

5.4.2 位置偏移和按键失效现象分析

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前言

随着现代 电子技术的不断发展和电子技术在汽车系统中的不断应用，汽车的各种性能都得到

了较大的改善。驾驶人员对汽车各个方面的要求越来越高，如视野性、安全性、便

捷性、舒适性和娱乐性等。新的控制功能随着汽车级别的提升不断增加，如中央门

锁控制、灯光控制、车窗控制、后视镜调节控制、点火延时控制、倒车雷达控制等

[5] 。

在传统的汽车内饰中，通常使用点对点通信方式，用电缆线连接负载和电子控

制单元。但是当有更多电子元件时，负责有线通信的电子设备将爆炸性增长，不仅

减少了汽车内部可用空间，而且布线更加困难，汽车的总重量增加，耗油量也增加，

总线技术的应用，取代了传统的线束方式，使信息交换变得更加安全、迅捷和高效。

本地互联网络 (Local Interconnect Network, LIN) 总线是一种结构简单、配置灵活、

成本低廉，用于汽车中分布式电子系统的新型低速串行总线 [6] ，由汽车厂商开发，专

门应用与低端系统，作为控制器局域网络 (Controller Area Network, CAN) 总线等高速

总线的辅助网络或子网络。在宽带要求不高、功能简单、实时性要求低等场合，使

用 LIN 总线，可以有效简化网络线束、降低成本、提高网络通讯效率和可靠性 [7] 。

目前，高 / 低速 CAN 和 J1850 总线已经成为标准汽车的车用网络，这些总线速度极

高，具有高抗电磁干扰性和高传输可靠性等优越的性能，但价格也高。大量的车身

和安全性能方面的应用对车用网络总线的性能要求并不太高，只需要一种性价比更

高的标准车用总线网络，而 LIN 总线正好可以满足这一需求。因此， LIN 总线作为

一种性能优异、价格低廉的新型汽车总线，必将进一步促进汽车分级制网络结构的

实施和完善，推动汽车电子技术的发展 [8]。

作为汽车重要的组成部分，天窗的使用可以使车内空气流通，增加新鲜空气进

入，提高采光性能，现在大部分车型都有相应配备的不同型号的天窗，改善驾乘感

受。因为天窗的运行是通过电机驱动实现，关闭过程中存在夹伤人的危险。 2013 年

《法律与生活》报道关于女童因误操作被汽车天窗夹死事件一度将电动天窗的安全

性推上风口浪尖，引起大众高度关注和讨论，为了不让更多的乘客受到伤害，电动

天窗具备防夹功能已成为一种发展趋势。为了保障乘客人员的安全，我国与北美、

欧洲、日本等许多国家及地区都出台了针对天窗防夹功能的法规标准，例如中国新

颁布的 GB11552-2009 国家标准，对具备自动关闭功能的电动窗做出了明确规定，

即通过电机操作闭合部件的过程中，在法规规定的范围内 (4mm-200mm) ，如果遇到

障碍物（防夹力大于 100N ） [9,10] ，电机必须能够及时检测，并且立即停止反转运行。

天窗控制系统的 LIN 总线

2.1 LIN 总线概述

LIN 作为低成本的汽车车用总线，主要用在不需要高速率数据传输的场合 [31] 。

汽车中的座椅、车门、方向盘、照明、雨量 / 阳光传感器和发动机等使用 LIN 总线可

以很容易连接到汽车网络，方便进行诊断和配置。在汽车应用中 LIN 总线形成了汽

车通信网络形式的高低速分层结构，这样的网络可以充分根据总线协议的特点，实

现最大的网络效率，减少生产成本，缩短产品开发时间 [32] 。

LIN 总线具有以下特点 [33] ：

(1) 采取单主多从的结构，没有冲突，不用仲裁；

(2) 硬件成本低，可以与大部分微控制器 (Microprogrammed Control Unit, MCU)

匹配使用；

(3) 从机节点可以利用报头中的同步场实现同步，不需要晶振或陶瓷振荡器，很

大程度上减少了成本；

(4) 信号传输延迟时间可以计算，网络通讯可预见性；

(5) 低成本单线传输，总线电压 12V ；

(6) 具有可预测的 EMC 性能，制约电磁干扰 (Electronic Magnetic Interference,

EMI) ，数据速率 20Kbit/s ，满足大多数的车身应用程序需求。

(7) 可以灵活地增加或减少从节点的硬件电路。

本文选用了 LIN2.0 版本的总线协议，此版本反映了 LIN 总线协会的定义趋势，

通过对比 LIN1.3 和 LIN2.0 规范，重大的两个变化是对于配置和诊断的标准化支持，

以及指定节点能力文件，这是为了要简化现有节点的使用。

2.2 LIN 总线协议规范

1. 帧结构

在 LIN 总线上进行传送的实体是帧。帧传输时间等于每个字节传输总时间、间

隙的响应时间与字节间隙时间之和。字节间隙时间是从前一个字节终止位结束到下

一个字节起始位结束之间的时间，这两个字节都不能是负数。帧空间是从帧的结束

到下一个帧的开始，内部帧空间不为负。一个完整的帧由帧头（ Header ）和响应

（ Response ）组成，主机发送帧头，从机接收帧头，分析帧头信息，然后决定做何反

应 [34] ，总线上的信息传输如图 2.1 所示。

如图 2.2 所示，帧头包括同步间隔段、同步段以及受保护 ID(Protected Identifier,

PID) 段，应答包括数据段和校验和段[34]。

2. 帧类型

根据不同的传输条件分为无条件帧、事件触发帧、偶发帧、诊断帧和保留帧。

本文设计的 LIN 节点支持无条件帧、诊断帧两种类型，前者用于传统应用报文，后

者用于诊断和配置，其他的不使用。

(1) 无条件帧

无条件帧用来携带数据信息，如图 2.3 所示，当主机任务分配给其固定帧时隙

时，将发送无条件帧。如果有帧头被发送，从机任务必须应答（无条件发送应答），

如果没有接收到应答，可视为通信网络出现了错误。

(2) 事件触发帧

事件触发帧的引入降低了带宽使用， LIN 总线的响应能力和 LIN 机群的可靠性

增强。多个响应共享一个帧头，并且帧头被分配有一个单独的帧时隙，处理偶发事

件。

(3) 偶发帧

偶发帧确保在调度表确定性条件下为系统的动态行为设置灵活性。

(4) 诊断帧

诊断帧携带 8 个字节的诊断信息或组态信息。

3. 调度表

提供 LIN 总线上所有帧的调度，当发送每条报文时，为主机节点提供时序信息，

顺序执行表中的报文，每条报文在前一条报文发送后，延迟一段预定义的时间才发

送。报文的延时时间必须要比发送时间长。调度表如图 2.4 所示，主机按照调度表

循环发送报文，并在多个调度表中自由切换。

4. LIN 总线物理层

物理层是单线连接，每个节点通过上拉电阻连接到总线，来自汽车电源网络的

电源和与二极管串联的上拉电阻以防止电子控制单元在本地电池掉电状况下，通过

总线通电。总线通信的标称位速率为 19200bit/s ，所有的 LIN 节点除要支持标称位

速率外，也要支持较低位的位速率（ 9600bit/s 、 4800bit/s 、 2400bit/s ）。

(1) 信号定义

定义的 LIN 逻辑电平如图 2.5 所示。

(3) 位速率误差

LIN 主 / 从节点的位速率误差与节点的振荡器精度、 MCU 内部软件定时有关。

LIN 主节点需要精度好的外部振荡器，允许误差 <±0.5% ；从节点的振荡器类型由供

应商确定，使用同步场的允许误差 <±14% ，不使用同步场的允许误差 <±1.5% 。

(4) 工作电压

 欠压范围： -0.3V~8V ， LIN 节点不需要保持通信，并且设备不被破坏，并且

恢复电压后可以正常通信。

 正常范围： 8V~18V ， LIN 节点应保持正常通信。

 过压范围： 8V~40V 。

(5) 总线布置要求

 一个网段中，最大允许的节点数 16 个；

 一个网段中，总线的长度不能大于 40 米；

5. 网络管理

系统 LIN 总线通信标准的网络管理在 LIN2.0 规范的基础上对网络的睡眠和唤

醒提出补充要求。

(1) 节点状态

主要有关闭、初始化、常规运行和睡眠四种状态。它们之间转换方式如图 2.7 所

示。

(2) 睡眠策略

主机发送睡眠命令，从节点进入睡眠模式。收到睡眠指示的节点进入睡眠状态，

然后监听网络及本地输入接口。如果 LIN 网络在 4~10 秒内无任何活动，从节点自

动进入睡眠模式，每个节点可以根据实际情况决定是否进入低功耗状态。

(3) 唤醒策略

从节点只能通过 LIN 报文被唤醒，从节点不能唤醒主节点。

6. 网络错误管理

主要描述 LIN 主 / 从节点需要实现的网络错误处理机制。

(1) 监测启动时间

系统上电或者网络唤醒时，为了避免误判故障， LIN 节点需一定的延时时间才

开始进行网络监测，延时时间与车辆的启动条件相关。

(2) 从节点状态管理

每个 LIN 从节点必须通过发送一个叫做 “ 响应错误 ” 的状态位来报告自己的状态。

LIN 主节点将对每个从节点的 “ 响应错误 ” 状态位进行检测。当连续设置诊断代码时

的错误响应数次接受到 “ 响应错误 ” 值为 “1” 时， LIN 主节点将把相应的故障诊断代码

设置为测试失败。如果再次接收到 “ 响应错误 ” 值为 “0” 时，该诊断代码被设置为测试

通过。此类故障的监测是强制的。

(3) 信号错误

对于具有无效值的 LIN 信号，当 LIN 主节点连续收到设置诊断代码时的错误信

号数次从节点发送无效信号时， LIN 主节点将把相应的诊断代码设置为测试失败。

如果再次接收到的信号值不是无效值，那么相应的诊断代码被设置为测试通过。此

类故障的监测是可选的。

(4) 通信错误

LIN 网络无通信：如果不能在判断 LIN 网络无通信的时间内与任何 LIN 从节点

建立连接，那么 LIN 主节点将把相应的诊断代码设置为测试失败。如果能够重新建

立通信，相应的诊断代码将被设置为测试通过。此类故障的监测是强制的。如果此

类错误发生，主节点将不再监测接下来的通信错误。

LIN 从节点无通信：如果不能在判断从节点无通信的时间内从某个从节点接收

到被监测的报文，那么主节点将相应的诊断代码设成诊断测试失败。如果通信重新

建立，相应的诊断代码将被设置为诊断测试通过。如果从节点发送多条报文，为了

降低实现的复杂度，主节点只需要选择其中一条报文进行监测。此类故障的监测是

强制的。

(5) 鲁棒性需求

为了保证通信的可靠性， LIN 主 / 从节点还需满足如下的鲁棒性定义：

1) 网络上的节点不允许因掉电或地线没有连接而干扰其他节点的总线通信；

2) 网络上的节点不允许因为发生故障而干扰其他节点的总线通信；

3) 网络上的节点在上电、初始化或者一个或多个软件、硬件部件发生复位的情

况下，不允许干扰其他节点的总线通信；

4) 总线上的物理错误或者数据错误不能影响与总线数据无关的功能；

5) 当总线上出现物理错误或者数据错误时，依赖总线数据的功能响应进入安全

模式。

7. CAN-LIN 诊断路由

当 CAN 总线上的外部诊断设备需要访问那些支持节点配置或通过 “ 标识符读 /

写 ” 等诊断服务的 LIN 从节点时，需要先发送诊断报文给 LIN 主节点。主节点将 CAN

诊断报文转换为 LIN 报文发送给从节点，之后再将从节点的响应转为 CAN 报文发

送给外部诊断设备。此过程即为 CAN-LIN 路由过程，如图 2.8 所示。

CAN-LIN 诊断路由可通过两种方式实现：

(1) 需要对 CAN 诊断命令进行转换实现

这种方式需要 LIN 主节点将 CAN 协议的诊断指令及数据标识符转为 LIN 协议

的诊断及配置命令，而不是将 CAN 诊断指令中的数据直接复制到 LIN 诊断指令中。

(2) 不需要对 CAN 诊断命令进行转换实现

这种方式 LIN 主节点只需要将 CAN 诊断指令中的数据直接复制到 LIN 诊断指

令中，但传输层的转换是必须的。 CAN 的统一诊断服务 (Unified Diagnostic Service,

UDS) 和特定的数据标识符用以请求 LIN 从节点的诊断。用以实现 LIN 从节点的诊

断请求是采用 UDS 服务和特定的标识符。

2.3 防夹控制系统的 LIN 总线

天窗控制系统网络采用车身控制器 BCM 作为主机模式，天窗控制器 ECU 作为

从机模式，通过 LIN 总线把天窗控制器和车身控制器连接起来组成一个小的 LIN 网

络。 LIN 从机节点的流程图如图 2.9 所示，首先，对涉及的变量、 MCU 端口以及驱

动函数初始化。然后，主机节点 BCM 采集本地各控制开关的状态产生控制指令，

并将指令转换为 LIN 报文，通过 LIN 网络发送给从机节点天窗防夹模块，天窗控制

器 ECU 接收到与自己相关的报文后对报文进行拆封、解读，然后根据获得的指令执

行相应的动作，从而实现对天窗的控制。针对以下基本功能的 LIN 总线控制策略的

实现方式具体说明：

(1) 天窗开关功能

当按下天窗开关按键时， BCM 将接收到的输入信号转化为 LIN 报文，通过 LIN

总线以报文的形式发送给 ECU ，此报文主要包括以下信号：点火开关信号、钥匙插

入信号、速度信号、天窗开关窗信号等。该报文被天窗防夹控制器的 LIN 收发器接

收后，将相关信号发送给天窗控制器，并由天窗控制器发出相应指令，从而驱动电

机工作。天窗开关窗的同时，天窗防夹控制器同样以 LIN 报文的形式周期性的将天

窗状态信号发送给 BCM ，此报文中包含天窗运行状态信号、天窗位置信号，是否防

夹信号等， BCM 收到该报文后，将相关信号发送给天窗控制器并执行相应的控制。

如果天窗关闭过程中没有发生防夹事件，那么天窗将完全闭合。如果天窗关闭

过程中遇到防夹事件，天窗防夹控制器立即驱动电机反转，使天窗回退至最大位置，

发送 LIN 报文给 BCM 。天窗完全打开后，电机停止工作。如果 4s 内， BCM 没有接

收到任何开关输入信号， LIN 总线自动进入睡眠状态， LIN 总线上停止发送任何报

文，从而降低系统的静态电流。若 BCM 接收到开关输入信号，那么 LIN 总线立即

被唤醒。

(2) 诊断功能

天窗在运动过程中，天窗防夹控制模块会进行自诊断，并通过 LIN 总线发送一

些诊断报文，此报文包括控制器内部故障信号、电机故障信号、 LIN 故障信号等。

当车身控制器 BCM 接收到天窗控制器 ECU 发出的诊断报文后，会将其转化为相应

的诊断故障代码，并将其储存在 EEPROM 中，连接诊断仪后，可直接获得诊断信

息

BCM 作为主节点，ECU 作为从节点，时基设定为 5ms，偏移设定为 0.1ms，主

节点首地址 0x10 ，从节点首地址为 0x13 ，报文标示符为 0x20 。建立 LDF 文件，定

义协议版本、语言版本以及总线速度，本文设计采用 LIN2.0 版本，位速率 19.2kbit/s 。

天窗信号设置如表 2.1 所示。 LIN 线 IGN 信号默认值为 0x00 ， OFF 时值为 0x01 ，

ACC 时值为 0x02 ， ON 时值为 0x03 ， START 时值为 0x04 。 LIN 线钥匙插入信号

0x00 未插入， 0x01 插入。 LIN 线控制器内部错误信号 0x01 发生错误， 0x00 没有发

生错误。 LIN 线电机故障信号 0x01 发生错误， 0x00 没有发生错误。 LIN 线故障信号

0x01 发生错误， 0x00 没有发生错误。 LIN 线天窗状态信号 0x00 重试， 0x01 正在运

行， 0x02 正常。 LIN 线通信连接故障信号 0x01 发生错误，0x00 没有发生错误。

2.4 系统 LIN 网络测试

在汽车总线网络测试过程中，应用的硬件环境主要设备为示波器、程控电源、

LIN 接口模块以及万用表，软件环境为 CANoe(CAN Open Environment) 。 CANoe 是

德国 Vector 公司的一款功能强大研发工具，它支持总线开发，实现了网络设计、仿

真和测试无缝集成 [24] 。

1. 帧信号

使用示波器测量 LIN 总线电平信号，测得一组信号如图 2.10 所示。将信号与协

议规范中报文传输的规定对比，对报文帧的格式、内容等进行验证。测试结果表明，

天窗控制系统的 LIN 总线能够进行正常的通信。

2. 交流电压范围

本文设计的天窗控制系统 LIN 总线正常的通信工作电压范围是 8.5 ～ 16.5V ，从

示波器获取到的电压范围如图 2.11 所示。

3. 总线电压

根据 2.2.1 定义的 LIN 逻辑电平，示波器测试出的电压如图 2-12 所示。 =

8 时，发送节点输出的隐性电压大概在 6.4~8.0V ，输出显性电压大概在 0~1.6V ，实

际测试出的输出隐性电压 __ = 7.0625 , 输出显性电压 __ =

0.9375 ；

= 14 时，发送节点输出的隐性电压大概在 11.2~14V ，输出显性电压

大概在 0~2.8V ，实际测试出的输出隐性电压 __ = 13 ，输出显性电压

__ = 1.1875 ； = 18 时 ， 发 送 节 点 输 出 的 隐 性 电 压 大 概 在

14.4~18.0V ，输出显性电压大概在 0~3.6V ， 实 际 测 试 出 的 输 出 隐 性 电 压

__ = 16.9375 ，输出显性电压 __ = 13。

4. 位时间

从节点的位时间在 52.1μs±1.5% 范围内，测试结果如图 2.13 所示 △ X=56μs ，满

足要求。

5. 唤醒测试

在某些情况下， LIN 总线可以进入睡眠模式减少静态电流，同时也可以随时被

唤醒，进入工作状态。这些都是主节点向总线发送睡眠和唤醒命令，从节点执行相

应动作。通过操作仿真界面的睡眠按钮和唤醒按钮验证天窗可以监听总线的睡眠和

唤醒命令，能够准确执行命令。如图 2.14 所示。

6. 网络管理测试

（1 ）从节点接收睡眠命令帧测试：从节点被测设备 (Device Under Test, DUT) 接

收到睡眠命令后，节点睡眠，此时 CANoe 仿真发送 0x20 报头， DUT 不响应该报

头，然后再连续发送 0x20 报头， DUT 会响应，如图 2.15 所示。

 

（2 ）从节点收到唤醒请求信号测试：收到唤醒帧后，从节点 DUT 能够发送报

头 0x20 的响应。

（3 ）总线空闲 4s 后进入睡眠模式测试： DUT 在总线空闲 4s 后，自动进入睡眠

状态。这时使用 CANoe 仿真 0x20 报头发送到总线上， DUT 不响应该报头。

（4 ）从节点发送唤醒请求测试：在按键控制 DUT 本地唤醒后，发送唤醒帧，

且能正确回应 0x20 报头。

通过上述对 LIN 总线的测试，将信号与协议规范中报文传输规定相比较，对总

线的物理层、网络管理层进行验证，测试结果表明，天窗控制系统 LIN 总线的设计

能够进行正常的通信。

天窗防夹控制系统整体设计方案

3.1 天窗防夹控制系统功能

汽车天窗防夹控制系统是汽车车身控制的重要组成部分，也是驾驶和保护汽车

的重要辅助部分 [35] 。系统基本功能如下：

(1) 手动 / 自动运行

天窗收到按键信号后可以向按键方向点动或自动运行至软停止点。

(2) 天窗初始化

考虑到天窗防夹控制系统的稳定可靠运行与实车的天窗及密封条的状况有着密

切的联系，所以要求在整车装配线上进行初始化过程。除了在整车装配时需要初始

化，当更换电机总成或天窗总成时也需要对控制器进行初始化操作。

(3) 防夹功能

防夹功能指自动天窗在关闭过程中，有物体被夹住，达到一定强度，使天窗反

转回退。防夹是一种防护措施功能，它能避免错误操作造成的伤害。防夹力不宜太

强或太轻以保证防夹功能正常工作。防夹系统根据 EEC/74/60 和 FMVSS118 标准要

求，测试弹簧率 5N/mm-20N/mm ，最大防夹力 ≤100N ，夹住物体时反转回退，以防

止乘客（尤其是儿童）被夹伤。

(4) 掉电记忆

天窗运行或停止时突然掉电，运行的天窗立即停止运行，控制器记录当前的正

确位置，再次上电时，天窗可以从当前位置开始运行。

(5) 堵转保护

当电机启动后， ECU 持续一定时间内没有接收到霍尔脉冲信号，电机立即停止

运行，并控制天窗回退。

(6) 电机热保护

电机热保护主要是将绕组的温度控制在容限温度的绝缘水平下，防止绝缘材料

热击穿或老化，导致缩短电机使用寿命。电机连续运行时长大于保护阀值时，天窗

进入热保护状态，电机必须停止规定时长后，才能继续运行。

3.2 控制系统总体设计

3.2.1 系统结构

本文设计方案采用 ECU 单元与电机单元一体化结构，如图 3.1 所示。 ECU 单元

包括中央处理器 (Central Processing Unit, CPU) 和用于采集天窗打开时电机单元电流

的电流采集单元；电机单元包括图中的天窗电机、电机磁环和霍尔元件，电机的正

负接线端子分别通过继电器与 ECU 单元的控制端连接；电机磁环固定在电机轴承

上，且位于天窗电机与齿轮之间；霍尔元件与电机磁环相对设置，用于检测电机磁

环上的电流电压；齿轮与天窗软轴啮合，齿轮带动软轴转动。根据天窗控制电机的

结构需求，设计 PCB 板时， PCB 板上的霍尔元件必须要与电机电枢上的磁环对准，

电机转动时磁环的转动会在霍尔元件上感应出高低变化的方波数字信号，数字信号

具有正传和反转的方向性，对应天窗的起翘打开、起翘关闭、水平打开和水平关闭

动作；数字信号的波形频率对应电机的运行速度， ECU 单元通过采集霍尔信号可以

实时得到天窗运行的方向和速度。

ECU 单元通过继电器控制电机的正反端子，正端接通电源正极，负端接通电源

负极，电机正传，天窗动作为起翘关闭和水平打开；正端接通电源负极，负端接通

电源正极，电机反转，天窗动作为水平关闭和起翘打开。 ECU 通过判断电机的运行

状态判断天窗的运行位置，并且防夹功能只在水平关闭和起翘关闭过程中才有效。

3.2.2 天窗防夹控制器

控制器与电机集成为一体电机，安装在天窗前端，直接对天窗机构进行驱动，

不需要外部控制器。根据功能要求设计硬件文档，控制器的 FLASH 大于 48K ，

EEPROM 大于 1KB 。天窗控制器自带 Hall 传感器进行电机转速测量， Hall 传感器

相位差为 90 度，占空比为 50% （精度尽量高）， Hall 传感器信号需要整形电路使输

入单片机的信号规整。天窗控制器与被控制电机集成在一个结构件内，要求 EMC 一

起达到要求。

如图 3.2 所示为天窗防夹控制器原理图，连接器结构定义如表 3.1 所示。系统供

电电压为 12V ，为直流电机和继电器提供工作电压，稳压电路把 12V 转成 5V 给

MCU 供电。电路设计过程中，要考虑干扰因素，特别是在开启、停止的瞬间会产生

强大的干扰脉冲信号，抗干扰措施可以避免干扰脉冲影响控制器模块的正常工作。

3.2.3 天窗传动系统

电动天窗传动系统的关键是驱动电机，目前大部分车辆的天窗驱动电机都是采

用永磁直流电动机将电能转化成机械能的旋转机械 [36] 。电机由转子、轴承、定子等

构成，通过转向器将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电转

成交流电，由电枢产生的磁场与主磁场作用，产生电磁转矩，从而实现天窗的打开

和关闭。天窗传动系统的性能取决于电机的性能，具有防夹功能的天窗驱动电机要

考虑乘客最基本的安全，为乘客提供更加可靠、更加人性化的安全保证 [27] 。

天窗运行的控制电机为 S 型直流小电机，它直接关系到天窗的正常工作。直流

电机额定电压 12V ，额定电流 2A ，空载转速＜ 150rpm ，制动转矩 7~9N/m ，制动电

流＜ 25A 。 S 型天窗电机具有一体化集成、模块化设计、通用性好、寿命长、性能可

靠以及低成本等优势。

3.3 控制器的设计方案

3.3.1 控制器的技术要求

控制器是天窗防夹控制系统的核心单元，在满足行业标准的前提下，确定论文

控制器的技术要求如下：

(1) 控制器可以采集各路输入信号，根据控制程序，能够对相关数据做出正确的

处理，并能够正确及时地输出控制信号。

(2) 易调试、可扩展，控制器的 Flash 大于 48K ， EEPROM 大于 1KB ，便于存

储系统参数。

(3) 天窗控制器电压工作范围： 9V~16V ；温度范围：存储温度 -40 ℃ ~90 ℃，工

作温度 -40 ℃ ~85 ℃。由于汽车工作环境的特殊和复杂，控制器需要在各种特殊条件

（震动、噪音、湿度、冲击等不良环境）下运行。

(4) 天窗控制器要具有较好的电磁兼容性，满足乘用车电子电器零部件电磁兼

容性标准要求。

3.3.2 控制器的技术参数

1. 电气性能参数

 操作电压： (8.5V~16.5V)±3% ；

 典型操作电压： 13.5V ；

 持续 1 小时最高过电压： 18V±0.5V ；

 持续 1 分钟最高过电压： 24V±0.5V ；

 极性反接持续 1 小时最高电压： -14V±0.5V ；

 典型工作电流（待机状态）： <120mA;

 典型静态消耗电流（睡眠模式）： <400μA ；

 继电器额定操作电流： 6A ；

 继电器最大通过峰值电流： 25A ；

2. 时间参数

 操作开关消抖时间： 50±10ms ；

 操作开关最大激活时间： 30±2s ；

 点触时间 Tone touch ： 300±50ms ；

 重新初始化起翘开关保持时间： 7±0.5s ；

 电机堵转侦测时间： 250±50ms ；

 点火关闭后进入休眠的时间： 3±2s ；

3. 温度参数

 存储温度： -40 ℃ ~90 ℃；

 运行温度： -40 ℃ ~85 ℃；

 测试温度： 25±5 ℃；

 测试湿度： 65±20% ；

3.3.3 控制器的功能设计与实现

在系统功能要求的基础上，对天窗控制器的功能进行扩展设计。电机的运行受

点火开关 ( Imagine Games Network , IGN) 控制， IGN 开关有效后，天窗能够通过操作

开关控制天窗的运行。手动操作通过点触按压按钮（ <300ms）的动作来实现，自动

的操作是通过长按按钮（ ≥300ms ）的动作来实现。手动、自动操作会在如下情况下

停止：

 天窗到达了目标位置；

 按钮被释放；

 点火开关关闭；

 发生错误，例如堵转、控制器内部错误、电机错误等。

1. 天窗开关功能

(1) 按键开关功能

点火开关位置为 ON 时，控制器接收到按键信号后进行如表 3.2 所示逻辑动作。

天窗运行中按下任一按键，天窗立即停止。两个按键都被按下时， ECU 判定为

无效指令。当点火开关 IGN 处于 LOCK/ACC 档时，天窗操作无效，只能关闭天窗；

当点火开关处于 ON 档时，天窗开关操作有效。若天窗正在开窗动作时发生点火开

关由 ON 档向 LOCK/ACC 或 START 档切换，此时， IGN 信号由高电平切换成低电

平，开窗动作立即停止，但天窗关闭和防夹返回的动作除外。

(2) IGN 信号 ON 到 OFF 的功能

在天窗运行过程中，

IGN 信号由 ON 切换到 OFF ，天窗的行为逻辑如表 3.3 所

示。

(3) 自动关闭

在 IGN 信号 OFF 、钥匙拔出后，天窗能够通过门锁 PE 操作或遥控闭锁操作提

供的关闭信号来关闭天窗。如果没有锁车操作，而整车电源在一段时间之后自动关

闭时， BCM 向天窗控制器发送 “ 整车电源关闭信号 ” ，天窗控制器自动关闭天窗。自

动关闭将在一下情况下停止：

 天窗到达目标位置；

 IGN 信号 ON ；

 发生错误；

 防夹回转被激活；

 开关按钮取消；

2. 天窗初始化

考虑到天窗防夹控制系统稳定、可靠运行与实车的天窗及密封条状况有密切的

联系，所以要求在整车装配线上进行初始化过程。更换电机总成或天窗总成时也需

要对控制器进行初始化操作。天窗初始化主要包括出厂初始化、强制重新初始化和

自动初始化。

(1) 出厂初始化

未初始化状态下，按下按键后，天窗运行方式：持续按住按键时，天窗连续运

行，松开按键，天窗停止。未初始化的控制器有位置记忆功能，但无按键自动模式。

当未初始化的控制器安装到天窗上，第一次上电时，默认将当前位置设为一个临时

平移开点，未初始化状态平移开窗不会超出该点。

控制器出厂时处于未初始化状态，安装到天窗上后，在第一次加电时，必须执

行一次初始化程序，以取得天窗的零点位置信息。在初始化过程中，堵转侦测必须

激活。不论 IGN 信号是否有效，均可执行初始化操作。初始化方法：持续按住内藏

关闭 / 起翘打开 (Close/Tilt Up) 超过 7s ，天窗从任意位置向起翘最大点运行，碰到起翘

挡点时，天窗将回退到软零点，完成初始化，进入正常状态，此时控制器才可以全

功能操作。初始化最大行程： 10 倍天窗行程。

(2) 强制重新初始化

当一个已经初始化过的控制器被安装到另一副天窗上时，这个控制器所储存的

位置信息与现在的天窗不匹配。当控制器进入睡眠模式或断电后天窗被外力移动，

此时控制器储存的位置信息与移动后的天窗也会不匹配。不匹配方式有两种：

 超前同步：实际天窗位置超前于控制器储存的天窗位置，起翘打开或平移

关闭时，天窗会因碰到机械挡点而产生防夹回退。（由超前距离决定撞击位

置。如实际天窗处于起翘区域，而控制器储存位置在平移区域，则撞击出现

在平移关闭操作过程中）

 落后同步：实际天窗位置落后于控制器储存的天窗位置，此时起翘打开天

窗，实际天窗仍未达到起翘位置。

当控制器与天窗出现不匹配时，需要重新初始化矫正零点。持续按住 Close/Tilt

Up 键，待天窗运行到控制器储存的电停止点或碰到障碍物而回退并停止 10s 后，控

制器会重新启动天窗，执行一次初始化程序。

(3) 自动初始化

控制器通过自动初始化来补偿由于环境原因（温度变化、机械结构老化等）导

致的微小误差。每第 50 次起翘打开操作，天窗将会自动进行一次初始化动作，重新

校正零点。

3. 防夹力学习

防夹力学习分为自动学习和手动 + 自动学习两种方式。自动学习方式在天窗运

行中自动进行，控制器将每次天窗运行时采集到的摩擦系数加以处理并存入

EEPROM 以供计算防夹力使用，这样即使随着使用年限的增加，天窗变形或摩擦系

数发生变化，控制器也能准确判断。手动学习为初始化完成后，先手动执行一次防

夹力学习过程。

4. 防夹功能

防夹功能是一种防护措施，它能避免错误操作造成的伤害。防夹需要考虑电机

的扭矩、电机工作电压、天窗位置、振动、电机加减速率、实时采样速率、历史采

样速率等因素，防夹功能要具有很强的抗扰能力，对风阻、摩擦力变化、结构变形、

结冰等因素都具有识别能力。

5. 车速信号检测

由于汽车在高速行驶过程中，天窗执行起翘打开动作时，强大的气流会产生一

个阻力，可能使控制器误判而执行防夹动作。为了防止误防夹动作发生， ECU 单元

采集整车总线上 ABS 控制器输出的车速信号，在起翘关闭防夹过程中，车速信号用

来补偿风力对防夹侦测系统是必须的。

6. 防堵死

当电机启动后，控制器持续 300ms 没有接收到霍尔脉冲信号时判断为天窗堵死，

该功能在全行程内都具备。在堵死回退过程中，按动天窗开关，天窗运行状态没改

变继续回退，只有当又一次堵转或者天窗运行到最终的位置时才停止运动。

7. 位置记忆

控制器将天窗的位置信息存储在内部 EEPROM 中，信息存储后即使控制器断

电，也不会丢失位置信息，再次加电时，不需要重新初始化。正常状态位置记忆延

时时间为 4 秒（天窗停止运行后 4 秒内无操作）。运行中的断电记忆功能，控制器

检测到外部电源断开后，立即停止当前的动作并将位置信息存储到 EEPROM 中。

8. 睡眠模式

为了减少电流消耗，天窗停止运行后 4 秒内无操作，控制器进入睡眠状态。调

到低功耗模式，减小电流消耗，按键、中断和总线都可以被唤醒。

9. 应急操作

电机总成安装了机械应急驱动器，如果由于电机或控制器电气故障而导致不能

关闭天窗时，应急情况下可使用六角扳手开手动关闭或开启天窗，因此电机被设计

成非自动阻塞电机。应急驱动器扭转力不能超过 3Nm，尽可能以较低的速度操作。

当控制器在睡眠模式或电源断开的状况下使用应急操作后，天窗实际行程位置与控

制器内部存储的位置会出现不匹配，因此需要执行一次强制重新初始化。

10. 电压监测

 控制器对工作电压实时监控，具有欠压、过压与反接保护；

 防夹力根据工作电压实时调整；

 最低工作电压： 9.0V±3%DC ，最低恢复电压 9.5V±3%DC ；

 最高工作电压： 17V±3%DC ，最高恢复电压 16.5V±3%DC 。

11. 电机热保护

为了防止电机过热，直流电机的温度能在模型中预估出来。电枢的临界温度检

测，根据热保护功能模块来决定中断正在进行的行为或阻止新的启动。当天窗在短

时间内过于频繁的打开与关闭，为了防止电机长时间运行过热而损坏，控制器将进

入电机热保护模式，如图 3.3 所示 ，达到热保护触发点时，停止执行开窗指令。

12. 错误检测

控制器检测到以下错误后，通过 LIN 总线将错误信息发送给 BCM ， BCM 做进

一步处理。

 天窗状态：提示天窗未关状态，控制器通过 LIN 总线更新天窗状态，天窗

在关闭点发送 “ 天窗关闭 ” 信息；处于其他位置时发送 “ 天窗未关闭 ” 信息，

BCM 收到状态信息进行提示。

 控制器内部错误：天窗控制器内部出现错误，如霍尔信号错误、内部继电器

错误等问题，统一通过 LIN 总线发送 “ 控制器内部错误 ” 信息。

 按键错误：采集到按键有效时间超过 30s ，发送 “ 按键粘连 ” 错误。按键信号

恢复后错误信息也恢复。

 电机错误：天窗重负载或电机故障等原因导致转速极度变慢，单个行程运

行时间超过 20 秒，判定为电机运行故障。

3.4 防夹算法的研究与设计

3.4.1 环境条件对防夹算法的影响

防夹算法，要综合考虑电机的扭矩、电机工作电压、天窗位置、振动、电机加

减速率、实时采样速率、历史采样速率等因素，具有很强的抗扰能力，对风阻、摩

擦力变化、结构变形、结冰等因素都具有识别能力。

 

电压成线性正比关系。电机工作电压与天窗开关速度成正比关系，电压越大，电机

转速越高。

3.4.2 防夹算法的研究

1. 非接触式传感器方案

车窗关闭过程中，遇到障碍物并进入传感器检测范围内时，传感器不需要与障

碍物接触就可以采集信息，发送给 ECU 单元执行相应操作。非接触式传感器检测要

求有集成的红外传感器或超声波传感器，利用这类传感器检测部件实现车窗防夹 [28] 。

利用红外传感器实现车窗防夹原理，如图 3.5 所示，当车窗上升时， ECU 控制继电

器启动红外发射器并驱动电机使车窗上升，一旦检测到有异物存在，感应接收器迅

速把信息传递给 ECU ，ECU 通过继电器控制电机实现防夹。

该方案无需外力施加在车窗上，不受车窗振动和空气动力学变化等因素的影响，

但要求有集成的传感器以及相关的电路模块和线路，同时还受元器件成本和车门样

式的限制，因此，采用在其他领域广泛使用的红外传感器或超声波传感器作为核心

部件来实现车窗的防夹功能比较困难，所以不选择本方案进行设计。

2. 基于压力传感器方案

此方法属于接触式防夹，车窗防夹框图如图 3.6 所示，压力传感器安装在车窗

和摇杆端滑动之间，当车窗关闭遇到障碍物时，压力传感器感应到压力电信号，压

力信号通过 ECU 与设定的参考值进行比对，如果达到参考值，即车窗遇到障碍物，

ECU 执行防夹操作[29]。

该防夹方法设计比较简单，有利于布置。然而，当汽车在复杂的道路条件下，

特别是在颠簸路面上行驶时，压力传感器上受力变化大，容易造成防夹误操作，所

以，此方法只对在平坦道路上行驶的汽车车窗防夹有一定参考意义。

3. 基于电流纹波检测的防夹方案

通过整流、滤波、稳压等流程，交流变直流，这个过程中直流含有一些交流成

分，这就是电流的纹波 [30] 。当用蓄电池供电时，负载变化会产生纹波，纹波的频率

体现在电机转速上，电动窗根据纹波电流变化执行防夹操作。

文献 [31][32]中提出的纹波防夹方案是利用纹波数量监测电动窗的位置，利用纹

波频率检测车窗的速度，这中间要加电流检测电路，把电流信号变成电压信号，使

用运算放大器放大电流信号，把纹波的峰峰值稳定在 0~5V 内。通过去耦电容滤除

直流分量，并将其存储到 MCU 中与标准值对比，若与标准值之间的差值大于标定

值，则进入防夹状态，反之不防夹 [33-37] 。该方案的原理框图如图 3.7 所示。

优点：硬件结构上不需要霍尔传感器，扩大了电机的使用，节约了相应的成本。

缺点：该方案困难在于如何除去电流纹波的干扰毛刺，这些毛刺随着电机转动

而变大，滤除变得非常困难，而这将影响防夹效果的可靠性。

4. 基于霍尔传感器的防夹策略设计

(1) 防夹设计原理

电动天窗控制系统通过驱动机构使天窗沿滑槽前后移动，实现起翘、下翘、平

移开关，可根据需要停留在任何位置。通过构建电机与传动机构的系统模型，详细

阐述天窗防夹的原理。首先建立防夹直流电机系统模型如图 3.8 所示。

(2) 防夹设计方案

本文设计的防夹算法思路是通过检测霍尔脉宽变化，来判断是否遇堵。霍尔脉

宽变化直接反应电机运行速度，在一个相对时间段内天窗外部因素影响较少，如果

天窗运行速度发生变化，也就是霍尔脉宽变大，既可认为天窗运行过程中收到非正

常因素的外部阻力。

(a) 防夹区域的判定

天窗电机的运行从机械零点到机械开点为一个总体行程，靠机械结构将前半段

的起翘动作和后半段的打开动作区分开来。因此天窗的常规关闭点位置没有任何机

械信号，只能通过实际标定后，记录在软件内存中。总行程中两个防夹区域如图 3.10

所示。

平移滑动防夹：在平移滑动关闭过程中，有效的防夹区域应该在打开位置和关

闭位置之间，距关闭位置 4mm-20mm 。一旦在此区域检测到防夹事件，天窗将立即

开始回退。

起翘关闭防夹：在起翘关闭过程中，有效的防夹区域在最大起翘打开到关闭位

置之间，关闭位置与起翘打开位置最好超过 20mm ，一旦在此区域检测到防夹事件，

天窗将立即开始回退。

(b) 霍尔信号记录天窗位置

天窗在关闭过程中，由于存在玻璃重量和窗框阻力等因素，在每个位置上的周

期大小是不一样的，因此判断天窗位置对防夹算法的设计是相当重要的。从机械角

度看，电机旋转会带动天窗软轴的运动，从而带动天窗的平移打开和起翘打开。电

机每旋转一定的角度，天窗相应的运行一定的距离。电机的转动会在控制器上的霍

尔元件上感应出霍尔脉冲信号，因此天窗的位置可以通过霍尔传感器和

STM8AF5288 中的计时器模块相结合的方法捕获霍尔电压上升沿或下降沿，从而在

中断服务程序中对天窗位置进行记录。由于天窗有可能平移打开、关闭和起翘打开、

关闭，因此程序进入中断服务后首先要检测天窗运行状态，即电机运行状态。如果

电机正转，天窗位置相应递增；如果电机反转，天窗位置相应递减。霍尔捕捉中断

流程如图 3.11 所示。如果从上次中断到本次中断之间，电机没有停止过或者反向过，

在防夹区内天窗打开，就记录本周期霍尔运行时间长度。如果在防夹区内关闭天窗，

就实时记录霍尔周期。

(c) 防夹天窗算法的提出

本文采用的防夹算法是基于电机运行参数，即周期的方法，是防夹算法能否实

现的关键。算法设计时，只考虑天窗平移关闭和起翘关闭时才启动防夹，其他情况

不进行防夹判断。防夹参数定义如表 3.5 所示。

当基准霍尔脉宽小于当前霍尔脉宽时，启动防夹。基准霍尔脉宽定义为动态学

习（近 50 霍尔脉宽的平均值）与标定基准值之和。标定基准值受温度、电压、车速、

老化等因素影响，需要根据不同的环境进行标定。

防夹标定参数定义如表 3.6 所示，

参数需要根据不同的环境进行现场标定。

防夹算法的模式包括初始化模式，运行计算模式，防夹计算模式和防夹模式，

下面对这几种模式详细介绍。

1) 防夹初始化模式 1 ：防夹启动时使用此模式，初始化内容为 △ Htime 。根据最

终求得的平均霍尔值计算出 △ Htime ， △ Htime=LearnHtime*AP_Para3/100 。

2) 防夹初始化模式 2 ：首次初始化，无学习数据或控制器异常的情况下采用此

初始化模式。初始化内容为 △ Htime ， △ Htime=AP_Para4 ，清除霍尔时间 50 个缓存区

内的缓存值。

3) 防夹初始化模式 3 ：动态初始化防夹参数 △ Htime ，根据实时学习值

LearnHtime 的变化增加或减小 △ Htime ，实时计算新的 △ Htime ，并进行更新，流程图

如图 3.12 所示。

4) 运行计算模式：计算近 50 个霍尔脉宽的平均霍尔时间，即计算 LearnHtime 。

SHtime=LearnHtime+ △ Htime ， △ Htime=LearnHtime*AP_Para3/100 ，此模式的流程图

如图 3.13 所示。

5) 防夹计算模式：防夹计算流程图如图 3.14 所示。

6) 防夹模式：防夹处理，停止电机运行或反向运行。

天窗防夹控制系统的硬件设计

4.1 模块设计

4.1.1 最小系统模块

根据汽车自动天窗防夹控制系统的功能要求，控制器最小系统模块硬件电路

采用意法半导体 ST 公司推出的 STM8AF5288 芯片，它是一款专门用于满足汽车

特殊需求的 8 位 Flash 微控制器，可降低外接元件数量，从而降低系统成本。单片

机不能单独工作，外围电路为其提供电源、时钟、复位等，如图 4.1 所示，这些外

围电路与单片机共同构成了天窗控制系统的最小系统。

STM8AF5288 包括多达 128K 字节的闪存、数据 EEPROM 、 10 位的 ADC 、多

个定时器、 LIN 、 CAN 、 USART 、 SPI 、 I2C 等，所有器件的工作电压为 3V~5V ，

工作温度扩展到了 145°C 。 STM8AF5288 芯片的主要特点：

(1) 内核最高工作频率 = 24。

(2) 系统成本低，集成式真数据 EEPROM ；内部监控器电路 ( 加电复位、工厂

预校 16MHz 和 128KHz RC 振荡器 ) ；注入式鲁棒型 I/O 。

(3) 开发周期短，产品线兼容性实现了应用可升级性；高级开发工具 Flash 程

序存储器，可以轻松实现软件开发和产品资格认证。

(4) 高效的 STM8 内核 ( 在 16MHz 的频率下实现 10MPIS 的性能 ) 。

(5) 新式内核和外设；先进技术；电源电压 (3.3V 和 5V) ；最高工作温度 145 ℃。

1. 供电电路

STM8AF5288 芯片可以通过一个外部的 3V~5.5V 电源供电。芯片上的电源管

理系统提供了内核逻辑的 1.8V 数字电源，存在正常和低功耗两种工作模式，并具

有检测内外电源间电压降的优点。该芯片有四种相对独立的供电电源：一对 （主

/ 电源 3V~5.5V ）；两对 / （ I/O 口供电电源 3V~5.5V ）；一对

/ （模拟部分供电电源）。 / 引脚用于给内部主电压调节器 (Main

Voltage regulator, MVR) 和内部低功耗电压调节器 (Low Power Voltage Regulator,

LPVR) 供电。这两个调节器的输出短连接在一起，给 MCU 的 CPU 、 FLASH 和 RAM

提供 1.8V 电压。在低功耗模式下，系统会将供电电压从 MVR 自动切换到 LPVR

以减少电流消耗，为了稳定 MVR ，需要在 VCAP 引脚连接一个拥有较低的等效串

联电阻值得电容。 / 与 ADC 模块相连接，对 MVR 和 LPVR 的输入供电由

上电 / 掉电复位电路监控，监控电压范围为 0.7V~2.7V 。如图 4.2 所示为供电电路电

源管脚需要与地并联 100nF 的滤波电容滤除高频噪声， C7 为电解电容用来储能和

滤波。

2. 时钟电路

单片机时钟信号有两种产生方式 [40]：片外和片内。时钟信号的稳定可靠必须

得到保证，若不稳定，系统的工作将受到很大程度的影响，本文设计的时钟电路采

用外接晶振的方式。

STM8AF5288 芯片具有内部和外部时钟源输入以及一个输出时钟 (CCO) ，设计

中把一个 16MHz 晶振接在 MCU 的 OSCIN 和 OSCOUT 引脚上。选用了村田的一

款具有内置电容的陶瓷晶振 Y1 ，它具有较高的可靠性、广泛的工作温度范围和频

率范围，应用在振荡电路中不需要外部负载电容。电路图如图 4.3 所示，图中所示

R8 为 1MΩ 电阻，用来外部限流。

3. 复位电路

单片机复位引脚 RESET 属于低有效复位，系统上电时提供复位信号，为了防

止由电源开关产生的抖动影响复位，电源稳定后必须要有一定的延时才可以取消

复位信号，因此采用上电复位的方式产生复位信号，方便操作。上电时利用 RC 电

路的充放电在 RESET 引脚形成一个低脉冲信号，如图 4.4 所示，图中 R7 为 10KΩ

的电阻， C11 为 100nF 的电容，上电瞬间，电容 C11 两端电压不能突变，电压为

0V ，随着充电的不断进行，电容两端电压不断升高， VCC 通过 R7 向 C11 充电，

C11 两端电压持续升高，电容两端电压基本与电源电压持平。

4.1.2 电源管理模块

系统对电源的稳定性要求很高，控制单元设计的重要一步是确定电源要求，以

及选择合适的电源方案，本文设计采用低压差线性稳压器的方案，此方案具有反应

速度快、输出纹波小、线路简单、工作噪声低、相互干扰小和成本低等优点。在车

身控制模块的供电电源方面，中国市场上所售汽车中，轿车一般采用 12V 电源 [41] ，

本文设计使用 ST 公司的 5V 稳压芯片 L5150BN ，如图 4.5 所示为芯片及外围电路。

为了减少输入端电源的杂波，提高系统的稳定性和可靠性，二极管 D1 、 D6 为电路

提供反接保护， TVS 管 D2 为电路提供高压保护，防止瞬间高压产生的高峰脉冲对

后面的电路产生影响。图中 C4 、 C6 是电解电容，可以有效滤除高低频干扰，使输

出电压具有较强的抗干扰性。

复正常；

E ：试验中一个或多个功能失效，试验后不能自动恢复正常，只有通过替换器件。

各测试的测试状态图如图 5.7 所示。

1. 传导发射

传导发射大小、试验方法和试验设备满足 GB/T18655 的要求，只对受试设备

(Equipment Under Test, EUT) 电源线进行测量，应用频率范围： 150KHz~108MHz 。主

要计量器具和设备为测量接收机、线路阻抗稳定网络 (Line Impedance Stabilization

Network, LISN) 以及辅助设备直流稳压电源。检测带宽如表 5.11 所示。 EUT 的详细

工作状态以及一般技术条件及测试连接图如图 5.8 所示。

EUT 天窗总成、 AE 手动测试板通电 12V ，测试过程中不断拨动手动测试板上

的开关，让天窗总成不断重复关窗、起翘、下降、开窗动作。测试频率在 150KHz ～

108MHz 频率范围内，测量接收机读取峰值，记录整个频段内 EUT 电源端产生的最

大骚扰，检测曲线如图 5.9 所示。如果接收机读取的峰值都在规定的峰值限值下即

通过，如果有一个超出限值则不通过。

2. 辐射发射

辐射发射大小、试验方法和试验设备满足 GB/T18655 的要求，应用频率范围：

150KHz~2500MHz 。主要计量器具和设备有：测量接收机、接收天线（棒状天线、

双垂天线、对数周期天线、双脊喇叭天线）、前置放大器和直流稳压电源。若测试

频率小于 30MHz 时，采用垂直极化方式进行测试；若测试频率在 30MHz~2.5GHz ，

分别采用垂直和水平极化对 EUT 辐射发射进行测试。需要满足限值 B （峰值检波）

要求，检测带宽如表 5.12 所示，连接图如图 5.10 所示， EUT 置于暗室中，测量接

收机通过天线接收辐射信号。

AE 自动测试板通电 12V 电压，开启 AE 自动测试板上的开关，天窗总成重复

关窗、开窗动作后开始测试。其中重复动作为开窗 — 暂停 40 秒 — 关窗 — 暂停 40 秒。

检测曲线如图 5.11 所示，峰值检波结果未超出限值线。

3. 电源线瞬态抗干扰

试验方法和试验设备满足 ISO 7637-2 的要求。主要计量器具和设备为汽车电子

干扰模拟器和直流电源。实验波形如图 5.12 所示，将脉冲干扰通过容性耦合夹耦合

到信号线上。检测数据如表 5.13 所示。天窗总成、手动测试板通电 12V ，试验中不

断拨动测试板上的开关，监测天窗总成是否重复完成关窗、起翘、下降、开窗动作。

实验结果符合规范标准要求，模块各功能工作正常。

4. 大电流注入（ BCI ）

试验方法和试验设备满足 ISO 11452-4 的要求，试验频率范围 1MHz~400MHz 。

主要计量器具和设备为微波信号源、功率放大器、电流注入探头以及直流电源设备。

测试距离为： 150mm ， 450mm ， 750mm ，检测设备详细设置如表 5.14 所示，受试设

备的详细工作状态及测试连接图如图 5.13 所示。 EUT 天窗总成、 AE 手动测试板通

电 12V ，试验中不断拨动 AE 手动测试板上的开关，监测天窗总成是否重复完成关

窗、起翘、下翘、开窗动作。当调制方式分别为 AM 和 CW 时，测试距离为 15cm 、

45cm 和 75cm ，测试中 EUT 天窗总成运行状态正常，符合功能失效状态等级 A 的

要求。

5. 静电放电

试验方法和试验设备满足 ISO 10605 的要求。主要计量器具和设备为静电放电

发生器和直流电源。检测设备的详细设置如表 5.15 所示，受试设备的详细工作状态

及测试连接图如图 5.14 所示。 EUT 不通电时，用静电放电发生器对 EUT 连接管脚、

壳体和缝隙进行放电试验； EUT 通电时，对 EUT 壳体和缝隙进行放电试验。

(1) EUT 通电测试： EUT 天窗总成、 AE 手动测试板通电 12V ，试验中不断拨动

AE 手动测试板上的开关，监测天窗总成是否重复完成关窗、起翘、下翘、开窗动作。

(2) EUT 不通电测试：测试中 EUT 天窗总成不通电工作，测试结束后通电检测

EUT 功能是否正常。

5.4 产品验证试验

样件认可：进行 3 万公里道路试验，并进行冬季和夏季道路试验，并达到以下

要求：

(1) 在各种路况形式（包括山路、环路和高速环路试验中），天窗的各种功能正

常，重点验证天窗的防夹功能是否正常。

(2) 道路试验后，线束与天窗运动控制单元对对接处的接插件无锈蚀、松动等现

象。

5.4.1 天窗起翘异常分析

天窗起翘打开时，天窗动作超过允许行程，滑块撞击天窗机构并发生抖动现象。

起翘关闭时，天窗关闭不到正常位置。现场故障分析来看天窗控制器基本操作功能

是正常的，但会存在天窗起翘异常现象。在试验室进行位置偏差实验时，位置偏差

数据最大约 5mm ，可以确定天窗运行机构在持续运行后会存在行程累计误差，但天

窗关闭时的位置状态基本正确，不可能造成现场误差大于 3mm 那样程度的问题，具

体分析后认为如下原因导致天窗严重关闭不严：

原因 1 ：天窗运行机构可能螺丝钉松动而导致轻微变形，天窗在进行位置学习

时，检测到的零点位置不正确，控制器位置行程学习数据错误，从而导致天窗关闭

不到正确位置。

原因 2 ：接插件可能存在接触不良，电机输出的霍尔信号存在丢失现象，使控

制器不能判定运行位置，从而导致 EEPROM 内数据异常。

原因 3 ：天窗运行 50 次后累计误差远大于 3mm ，导致天窗严重关闭不严。

通过对异常现象原因具体分析后，采取如下措施解决：

(1) 在 EEPROM 数据读取时增加了判定条件，回避原有缺陷；

(2) 数据和备份数据在 EEPROM 内分别设置在不同的页面中；

(3) 对备份数据读取增加了更加严格的限制条件；

此次路试样件在硬件结构上没有做调整，软件架构也未做调整，只是在对数据

写入 EEPROM 的方式上略做调整，增加了写入数据的检验，以保证在掉电时数据写

入 EEPROM 的正确性和稳定性。经过模拟不同运行条件，连续进行测试证明原有缺

陷问题未重现，同时对控制器其他功能也进行了验证测试，改善后的控制器功能正

常，天窗起翘异常问题得到解决。

5.4.2 位置偏移和按键失效现象分析

四台路试车均出现位置偏移，偏移距离最大约 3cm 左右；偏移位置超出对应行

程，对应按键出现按键不灵现象。

1. 原因分析

控制器在睡眠状态若将 IGN 转换到 ON 状态，此时控制器将重新打开霍尔电

源，霍尔电源上电时，如果霍尔信号本身处于高状态（即电机内霍尔芯片感应面与

电机内霍尔信号感应铁芯未对齐），此时霍尔信号会产生一个由低到高的电平变化

过程，而控制器霍尔信号中断功能在 MCU 唤醒的同时， MCU 的中断功能也将同时

打开，控制器将上电过程中的霍尔信号上下沿变化当成正常霍尔脉冲记录下来。同

理：控制器在进入睡眠模式时，控制器关闭霍尔电源，若在关闭前霍尔信号本身处

于高状态，那么霍尔信号会产生一个由高到低的电平变化过程，控制器霍尔信号中

断功能会将霍尔脉冲上下沿变化当成正常霍尔脉冲记录下来。霍尔信号处于高状态

下，如果 IGN 由 ON 状态转换 OFF 状态（大于 5 秒）和 IGN 由 OFF 状态转换 ON

状态（大于 5 秒），则会多出 2 个霍尔脉冲，反复操作 IGN 开关则 20 次后就会出

现较大位置偏移；反之若霍尔信号处于低电平状态（即电机内霍尔芯片感应面与电

机内霍尔信号感应铁芯正对）情况下则不会出现前面所述的霍尔信号脉冲电平变化

过程（通过在试验车上实验已经得到证实）。

位置偏移若超出对应行程将会出现按键控制失效现象，在 IGN 由 OFF 状态转

换到 ON 状态和 IGN 由 ON 状态转换 OFF 状态期间，首先使天窗执行起翘关闭动

作回到关闭点，经过上述操作 1 次，天窗的位置信息会增加 2 个霍尔信号脉冲，导

致天窗真实的关闭点位置向起翘方向平移 2 个脉冲位置。经过多次相同操作，若使

天窗回到正常的关闭点位置，则此时真实的天窗位置已变到内藏行程中，此时操作

天窗起翘按键，就会出现天窗起翘按键控制不灵的现象，此时，操作天窗打开按键，

再操作天窗关闭按键后，起翘按键的功能将恢复正常。在 IGN 由 OFF 状态转换到

ON 状态和 IGN 由 ON 状态转换 OFF 状态期间，首先使天窗执行内藏关闭动作回

到关闭点，经过上述操作 1 次，天窗的位置信息将会减少 2 个霍尔信号脉冲，会导

致天窗真实的关闭点位置向内藏打开方向平移 2 个脉冲位置，经过多次相同操作，

若使天窗回到正常的关闭点位置，则此时真实的天窗位置已变到起翘行程中，此时

操作天窗内藏关闭按键，就会出现天窗内藏打开按键控制不灵的现象，此时，操作

天窗起翘打开按键，再操作天窗起翘关闭按键后，内藏打开按键的功能将恢复正常。

以上故障现象与先前出现的故障（路试试验反馈故障现象）基本一致。

在控制器中，天窗位置霍尔信号采集是利用 MCU 相关具有中断捕捉功能的端

口，在 MCU 软件的底层配置成中断捕捉模式来实现霍尔信号采集的。中断捕捉模

式的特点是只要在该端口上有电平变化， MCU 检测到就会产生中断，认为是有效霍

尔脉冲信号出现。由于单片机只要正常工作就会捕捉到端口上的所有沿变信号，因

此，在产品中，单片机由睡眠状态转换到正常工作状态时，霍尔信号采集的中断功

能与霍尔电源控制功能几乎是同时开启的，但由于霍尔电源建立及霍尔电源关闭会

存在充、放电的过程，这样，在电机霍尔端口上的霍尔信号电压的上升和下降会明

显滞后于中断捕捉功能的开启， MCU 端口检测到霍尔信号电压上升和下降过程，将

会作为有效霍尔脉冲信号记录。

2. 改进措施

(1) 控制器睡眠时，在 IGN ON 中断唤醒时立即打开霍尔电源，当打开霍尔电

源时屏蔽掉 100ms 的霍尔中断，即在霍尔电源开始建立的前 100ms 所产生的霍尔信

号电平变化认为是异常霍尔信号不予处理。

(2) IGN OFF 后 5 秒后会进入睡眠状态关闭霍尔电源，当 IGN OFF 后第 3 秒开

始屏蔽霍尔中断，即在 IGN OFF 3 秒后所产生的霍尔信号电平变化认为是异常霍尔

信号不予处理。

实验证明通过以上两种措施可以有效防止霍尔电源上电和断电时产生的非正常

脉冲，把改好的样件装在四台路试车上进行测试，未出现位置偏移和按键失效现象，

和原状态的控制器进行对比测试效果明显改善。