基于嵌入式系统软硬件自动化的汽车电动座椅位置调节控制系统设计

李鑫 宣子旺 张雍斌 李国建 路林吉

（1国网上海市电力公司，上海，200335；
2挪威船级社（中国）有限公司，上海，200336；
3上海交通大学自动化系，上海，200240）

汽车座椅是人们驾驶汽车时的必要配置。只有汽车座椅调节至恰当的位置，驾驶员才能更加舒适、方便地驾驶汽车。为了解决座椅调节的问题，汽车电动座椅应运而生。

汽车电动座椅是一种实现驾驶舒适性的可调节装置，同时兼有一定程度的安全功能。电动座椅的发展过程经历了3个阶段：无调整或简单调整阶段、电动调整阶段，记忆存储式调整阶段。未来电动座椅将朝着两个方向发展，一个是与汽车主动安全系统等其他电子控制系统更加紧密地联系起来，在实现舒适和方便驾驶的功能下更能保护驾驶员的行车安全；
另一个是更加智能化，不仅可以对记忆位置进行调节，还可以通过检测周围环境和驾驶员状态智能地调节座椅位置，使驾驶员获得更好地驾驶体验。

在电动座椅控制系统的软硬件设计过程中，因硬件设计工程师在设计上容易出现一些疏漏，而且不同的工程师设计思路也不一样，同时为了能够最大程度提高设计的标准化和可靠性，本文采用基于标准软硬件模块数据库的设计方法来设计相关的控制系统软硬件。具体操作过程是：在硬件设计方面，首先从标准模块数据库中选择不同功能的模块，然后按照既定规则组建成硬件电路，这样不仅可以有效地降低硬件工程师在设计上的错误率，提高设计效率，也有利于设计的规范化和标准化；
在软件设计方面，工程师从标准模块库中调用需要的功能模块，由于相应的功能模块已经封装好相关的底层程序，只需要完成主程序的设计就可以实现所有功能，这样便可以提高软件的开发效率，实现搭积木式的编程。

1.1 电动座椅外观及电机组成

本文设计了一款汽车电动座椅，其电机由靠背肩部电机、靠背电机、高度电机、水平电机等组成，具体如图1所示。

图1 汽车座椅及相关电机运动方向

1.2 电动座椅模式

汽车电动调节座椅具有基本模式、舒服模式、复位模式3种方式。

1）基本模式：通过上位机指令可以控制座椅靠背电机、座垫高度调节电机、座垫倾角电机、座垫水平电机4个电机的正转、反转和停止功能。

2）舒服模式：通过上位机指令可以控制靠背肩部电机、腿托前后电机、腿托旋转电机3个电机的正转、反转和停止功能。

3）复位模式：连续按两次模式设置按钮，系统进入复位模式，此时所有电机运行到设定的零点位置。

1.3 通信方式

电动座椅控制系统上位机和控制器之间可采用有线和无线两种通信方式，具体为：

1）由于是近距离通信，故可以采用UART有线串口通信。

2）也可以采用无线蓝牙通信方式。

1.4 电机保护功能

电动座椅控制系统采用无刷直流电动机作为动力驱动，可实现座椅靠背前后调节、腿托前后调节、座垫倾角位置调节等功能，驾驶员可根据自身的舒适程度进行相应的设置和调节。

1.4.1 堵转保护

当电机空载运行电流为4A时，若电流大于额定电流的3.5倍以上，则认为是电机发生堵转现象。此时可利用电流互感器，对电机电流值进行采集，并对采集的数据进行判断。对于电机发生堵转，需要采取的措施是关闭电机转动，查找故障原因。这样可以保护电机，使其不会因为过载而被烧毁。

电机轴上装有永久磁铁，通过电机轴的旋转，给供电的霍尔元件输出高低电平变化脉冲，从而实现转动圈数计数。当电机正常运行时，其霍尔传感器位置检测输出规则的高低电平方波（高电平5V，低电平0V）。当电机处于堵转时，霍尔传感器位置检测输出高或低电平，因此单片机可以通过电平变化的状态，判断电机是否处于堵转状态。

1.4.2 控制系统电压保护

电动座椅控制器采用12V的电源电压供电。当供电电压跌落到8.0V时或大于15.5V时，单片机停止工作，同时发出不同声响的报警音。

1.4.3 输出端口隔离保护

座椅控制器对信号的采集和输出，均采用小型双向隔离光耦，其具有抗干扰能力强、性能稳定等优点，同时光耦控制板采用容错设计，即使控制线断开，继电器也不会发生任何动作。

2.1 硬件总体设计

图2所示为电动座椅控制系统总体框图。其中，上位机（计算机）采用无线蓝牙或USB通信线与下位机（嵌入式座椅控制器）连接，上位机软件采用C#语言来设计相关界面。上位机操作界面上有M1（基本模式）、M2（舒服模式）、M3（复位模式）3种状态的设置按钮，其初始设定值在出厂时已设置好，分别点击M1、M2、M3按钮，座椅便会自动进行相应的运行。此外，上位机操作界面上还有一个复位按钮，按下该按钮，座椅上的7个电机同时转动，系统恢复到初始状态。

图2 电动座椅控制系统硬件总体设计框图

座椅控制器采用具有51内核的单片机STC8H8K64U,其可提供丰富的数字外设(串口、定时器、高级PWM以及RC、SPI、USB)接口与模拟外设(超高速ADC、比较器)端口，便于实现各种输入/输出控制。电机的正反转可利用16路12V单刀双掷继电器进行切换来实现。

2.2 蓝牙通信模块

为了简化系统上位机和下位机的编程，降低难度，本文设计上位机和下位机之间采用蓝牙串口透传模块通信，这样二者之间的通信编程就转化为串口编程。本文选择HC-08蓝牙模块，这是目前行业内采用的一款主流的蓝牙模块，具有低功耗、操作简单、通信效果好等优点。

2.3 主控单元模块

根据硬件设计原理框图分析，电动座椅控制系统需要16个输出口控制继电器、8个输入口检测转动圈数、8个输入口检测堵转过流、2个串口连接蓝牙模块，因此本文选用STC8H8K64U开发板，其端口数量足够多，可满足使用要求。

2.4 继电器模块

当驾驶员通过上位机上的按钮调节座椅模式时，座椅控制器对上位机发来的命令字进行解析，以便控制端口的电压变化，达到开启或关闭继电器、实现电流方向变化的目的。电动座椅的驱动电机连接在两个继电器的动静触点上，可利用两个继电器的常开与常闭触点电源的流向变换，实现电机的正反转。

当驾驶员按下座椅高度电机朝上的箭头时，上位机发出高度电机正转的指令，座椅控制器对指令进行解析后，K1的标号输出高电平，三极管Q1输出高电平，K1继电器吸合，此时12V电源的电流经过K2继电器常闭点到直流电机的正极，电机的负极与K1的常开点相连，K1触点另一端接地，实现电机正转。当转到限位点时，上位机的按键显示红色。当驾驶员按下座椅高度电机向下的箭头时，则K1和K2功能互换。电机正反转控制控制原理如图3所示。

图3 电机正反转控制原理

2.5 基于标准模块数据库的硬件自动化设计实现方案

电动座椅系统整个硬件电路主要由主控模块、蓝牙通信模块、电机驱动模块（继电器模块）、霍尔电流检测模块、电源转换模块（12V转5V）、USB转串口模块、复位模块等组成。其中，每种类型的模块都可以重复调用，尤其是电机驱动模块和霍尔电流检测模块。因此每一类硬件模块可以设计出一种典型的应用电路增添到模块数据库中，然后在硬件设计过程中直接从数据库中调用相应的硬件模块，应用基于硬件与主控模块之间的连接规则的硬件电路自动连线算法，最终自动生成系统的整体硬件电路。

系统硬件设计的具体步骤如下：

1）根据需求确定硬件的总体设计框图；

2）根据设计框图确定各个硬件功能模块的类型和数量；

3）从标准数据库中调用相应类型的功能模块；

4）根据基于权重优先的硬件连接算法实现各功能模块之间的自动连接功能；

5）检查确认整体硬件电路设计是否正确。

3.1 软件主程序框图

电动座椅控制器用来控制座椅电机运动，其核心在于主控程序。主控程序由有线通信、蓝牙通信、霍尔计数、堵转检测、位置记忆、电机控制等子程序模块组成。每个模块可以实现不同的功能，统一由主控程序控制。电动座椅控制器主控程序框图如图4所示。

图4 电动座椅控制器主控程序框图

1）有线通信模块：上位机和下位机之间的通信采用波特率为9600、无校验、4个字符的通信协议，字符格式为ASCII代码。

2）蓝牙模块：上位机和下位机之间采用蓝牙串口透传模块通信，上位机按相关协议发送命令字。

3）霍尔计数模块：单片机采用外部中断计数方式计数，当霍尔由低到高变化1次，数值上加1，这样可有效计算电机旋转角度。

4）堵转检测模块：单片机利用外部中断来监测霍尔传感器的输出电平变化，从而判断电机是否处于堵转状态。

5）位置存储模块：通过I2C串行总线，可对EEPROM存储器的数据进行读出和写入，从而保存相应的电机位置数据。

6）复位模块：通过上位机的复位按钮，可恢复到出厂设置状态。

7）电机控制模块：通过继电器的触点变换，改变电流的流向，从而实现电机的正反转。

3.2 主程序通信解析流程

座椅控制器主程序是一个一直在循环的过程，只要开机，软件系统将按照图5所示的流程一直运行。当座椅控制器检测到上位机通过USB或者蓝牙发来的通信数据时，便会按照相关通信协议进行解析，从而控制相关电机进行动作。

图5 座椅控制器主程序流程图

3.3 电机同步控制算法

同步控制是指一个坐标的运动指令能够驱动多个电机同时运行，通过对多个电机移动量的检测，将位移偏差反馈到数控系统获得同步误差补偿。

1）基本模式：座椅靠背电机、座垫高度调节电机、座垫倾角电机、座垫水平电机的机械运动角度和行程各不相同，而且这些电机都需要同步控制。因此，把霍尔传感器信号作为反馈计数信号，利用单片机对霍尔传感器计数，其相关数据可转换为运动行程，确保多个电机同步控制的稳定性、控制精度和运行状况平稳。

2）舒适模式：靠背肩部电机、腿托前后电机、腿托旋转电机的行程各不相同，利用霍尔计数数据和电机行程长度的对应关系，将计数数据转换为运动行程。其控制方式和基本模式相似。

3）复位模式：在运行该模式时，需要以基本模式和舒适模式的最后数据为起始数据，同步控制7个电机运动，采用PID控制算法，以霍尔传感器为位置检测反馈信号，确保每一个电机运行稳定可靠，座椅系统整体运行到驾驶员最初设置的位置。

3.4 基于设计自动化的座椅控制器嵌入式软件实现方案

由于主程序控制框图中各个模块的底层驱动程序与系统相关硬件是关联的，而且所采用的PID控制算法等多种算法的实现程序结构不变，所以可将各个模块的底层驱动程序和算法的实现程序封装成标准子程序，做成软件模块数据库。这样在进行系统软件设计时，就可以直接调用软件子程序数据库中相应的子程序，有效减少软件编程的工作量，提高设计效率，也能进一步优化软件架构，降低调试难度。

系统软件设计的具体步骤如下：

1）在硬件设计完成的基础上，编写相应模块的底层驱动程序，如电机驱动程序、蓝牙模块驱动程序、PID控制算法程序等，将其封装成标准子程序，导入子程序数据库中；

2）设计主程序的总体软件流程图，梳理控制逻辑；

3）根据总体软件流程图自动生成相关的全局变量和主程序；

4）在主程序的后面，根据流程图的顺序依次调入相关的标准子程序模块；

5）判断流程图中标准子程序是否多次调用，如果属于多次调用，则只在源程序中出现一次；

6）进行程序测试与优化。

电动座椅控制系统设计完成后，本文对其进行了验证，整个系统累计测试次数达5000次，并未发生一次故障。测试结果表明：电动座椅可实现基本模式、舒适模式、复位模式等功能，而且控制系统的稳定性好、控制精度高、运行状况良好。

本文设计的基于嵌入式软硬件自动化的汽车电动座椅控制系统，具备基本模式、舒适模式、复位模式等功能，不仅解决了因工程师技术水平参差不一而导致的达不到客户要求的情况，同时还避免了设计过程中要反复修改、工期拉长的情况。采用自动化设计方案，可使嵌入式控制系统软硬件实现模块化、标准化以及设计的快速化。自动化设计方法正在得到越来越多的研发工程师的认可，在嵌入式控制系统的研发中使用也越来越广泛。