一種帶后窗加熱控制的座艙導航系統

丁永 倪紅兵

摘要：本文詳細介紹了一種座艙導航系統，能實現對后窗進行加熱控制。文中介紹了基于恩智浦FS32K144HFT0VLLT 型單片機多功能汽車后窗控制器的控制功能，硬件控制電路和軟件控制邏輯。改進了很多傳統的座艙后窗加熱方案中通過按壓汽車上空調控制面板上的按鍵去控制后窗加熱。本座艙導航系統是通過語音控制和觸摸控制相結合的方式實現對后窗加熱的功能，極大的提高用戶的操作性及便利性，提升用戶體驗感。

關鍵詞：汽車除霧；后窗加熱；座艙導航

中圖分類號： U463.85+1 文獻標識碼：A

0 引言

汽車的配置和要求越高， 汽車使用者對其舒適程度的需求也越高。特別是汽車空調的除霧功能， 作用至關重要，其目的在于創造良好的視野，提高汽車的安全性能［1］。汽車的除霧功能，是作用在前擋風玻璃處的車窗和后擋風玻璃處的車窗，如果是前面的車窗除霧，就是利用空調出風口吹出冷氣或暖氣，進而進行除霧。如果是后面車窗，就是靠電加熱來除霧，我們在后面車窗上能夠看到鑲嵌的紋理，這些紋理就是電加熱的金屬線。

本論文的目的是在現有的后窗加熱的技術上，實現一種座艙導航娛樂系統后窗加熱控制系統。該實現方式通過一種控制電路，通過導航座艙娛樂系統主機控制繼電器實現對后窗進行加熱控制，使用座艙導航主機的語音識別及觸摸按鍵功能，在大屏導航娛樂主機中集成了對后窗進行加熱的功能，使后窗加熱功能更加智能、便捷。

1 汽車后窗加熱除霧原理

冬季行車，或者夏季的陰雨天氣行車，車內的水蒸氣在車窗處會遇冷凝結在玻璃上形成一層霧或者是霜。消除霧霜通常有2 個辦法，一是提高車窗溫度，二是降低玻璃附近濕度。本論文中的后窗加熱控制系統是通過提高后窗溫度，給后窗加熱實現。對某型車后風擋進行熱性能仿真分析，結果表明：該后風擋在加熱過程中導熱效果好，整體溫度分布均勻，具有良好的融雪除霧作用［2］。

所以，當今的汽車大多設置了后窗除霧功能。后窗除霧是加熱除霧，其工作原理就是通過給后窗上的電阻通電，產生熱量以消除霧霜，或者阻止后窗凝結水分，防止起霧起霜；除霧電阻是印刷粘貼在后玻璃的內表面上的電熱導電涂料，電熱導電涂料是一組平行線，相鄰兩條的間隔大約是40 mm。平行線兩端相連，使這些平行的導電涂料組成了并聯電路［3］，再通過開關或者繼電器連接在汽車供電電路上。

當接通開關時，除霧電路連接12.0 V 電源，開始通電加熱，使后窗玻璃溫度升高。由于散熱作用，后窗溫度在加熱時，會維持在25 ～ 30℃，從而起到了消除霧霜的作用。即玻璃的溫度低于玻璃附近空氣凝結的溫度。

2 座艙導航系統的語音識別應用與實現

近年來，嵌入式系統成為研究和應用的熱點，各類SOC 系統不斷涌現，而隨著我國汽車的日漸增多，對車載GPS 定位及基于此的車聯網技術的需求也日益旺盛，而基于ARM 核心的各種SOC 系統成為實現之類應用的最好載體，以ARM 為核心的嵌入系統加上導航接收設備及相應LCD 及觸摸屏等可以完整地構成一個低成本，高實用性的座艙導航系統。

語音識別技術作為人機交互的有效手段之一，其研究也越來越成熟且接近實用，將語音識別技術應用到嵌入式系統中成為一個非常有前途的應用熱點，而具有語音識別能力的座艙導航系統，可以使駕駛者無需雙手便可以與座艙導航系統進行命令交互，包含打開后窗加熱系統。極大得提高了行車的安全性和座艙導航系統的易用性，無疑將非常具有吸引力［4］。

3 本座艙后窗除霧加熱系統的概述

本文中的座艙后窗加熱系統，是集導航功能、汽車娛樂功能，及后窗加熱系統一體的多功能座艙加熱系統。本文中的座艙導航系統，以Linux 嵌入式系統為基礎，利用基于ARM 核的A7 作為開發的硬件平臺，設計了系統各個功能模塊的電路圖。其中包含MCU 模塊、顯示模塊、觸摸模塊、存儲模塊、CAN 網絡模塊、WIFI 與BT 模塊、MIC 電路模塊、音頻處理模塊、功放模塊及各個接口模塊等。同時，也對座艙導航系統對后窗加熱控制進行了詳細的電路設計。本座艙導航系統的其中一個重要功能，即實現了通過語音系統及觸摸控制對后窗進行控制加熱打開關閉的功能。

3.1 本座艙后窗加熱系統的控制及其控制原理

本文中的座艙后窗加熱系統，包含一種導航座艙娛樂后窗加熱系統的控制電路，整個系統包括控制電路、繼電器和加熱風窗電機、車身控制器、車身電池、單片機、SOC 核心處理器、控制器局域網CAN、顯示及觸控驅動模塊、音頻處理解碼器和麥克風等。當用戶在導航座艙娛樂系統上點擊觸摸加熱后窗的界面圖標，或是語音系統接收到用戶的開關風窗加熱的語音命令。

系統通過SOC 核心處理器模塊將信息通過串口通信傳輸給單片機模塊，單片機模塊判斷是否達到風窗加熱系統打開或關閉的條件。達到打開或者關閉的條件，通過單片機模塊的輸入輸出端口輸出低電平或者高電平，控制繼電器的回路或者斷路，實現汽車上通過導航座艙娛樂系統加熱機對后窗進行加熱的功能。本系統中的加熱控制邏輯如圖1 所示，系統中涉及后窗加熱控制的具體實施如下。

（1）單片機的GPIO 口進行控制，輸出高低電平，控制電路通過接收單片GPIO 口輸出的控制高低電平信號，控制繼電器的閉合和打開。

（2）其中車身電池給加熱風窗電機電供電，當繼電器接收控制電路的輸出信號并進行閉合或者打開，使加熱風窗電機通電開始運轉或者斷電停止運轉，來實現汽車上通過導航座艙娛樂系統加熱機對后窗進行加熱的功能。

（3）系統中語音控制信息的采集及穩定傳輸，顯示及觸控驅動模塊的控制和信號傳輸是系統中SOC 核心處理模塊來實現的。

（4）SOC 核心處理模塊將收到的座艙信息通過串口通信傳輸給單片機。

（5）單片機通過CAN 總線與車身控制器實現網絡信號穩定傳輸。

系統硬件構成：使用TE 的30A 的NOD 型繼電器、恩智浦的FS32K144HFT0VLLT 型號單片機、控制器局域網CAN 為恩智浦TJA1043T，通過CAN 總線與車身控制器（BCM）實現網絡信號穩定傳輸。其他硬件還包括，高通A7 處理器作為SOC 核心處理器，外置雅馬哈的音頻處理解碼器YMU836-QZ，用于實現語音控制信息的采集和穩定傳輸，以及顯示單元的控制和信號傳輸。

3.2 后窗加熱控制繼電器的控制

座艙導航系統中后窗加熱控制電路的系統框圖如圖2 所示。該后窗控制電路包含：三極管驅動元電路、過壓保護電路、單片機控制電路、限流電路、靜電保護電路和繼電器電路。座艙導航系統中后窗加熱控制電路如圖3 所示。

本系統后窗控制電路圖中的電路具體實施如下。其中，REAR_DEFOG_CTRL 為MCU 輸出的除霧信號的電平控制信號，當主芯片MCU 的除霧信號I/O 口輸出高電平時3.3 V 時，三極管Q3 導通。原理圖中的REAR_DEFOG 端口電平拉低。繼電器輸入回路產生壓降，即電流流過繼電器線圈。

當MCU 輸出的電平控制信號REAR_DEFOG_CTRL 口輸出低電平0.0 V 時，三極管Q3 截止，繼電器輸入回路斷路。繼電器端口兩端斷路。繼電器兩端同為12.0 V，沒有電流流過線圈，繼電器輸出回路處于常態閉合狀態。此電路中Q3 使用的是羅姆的NPN 型三極管，型號為SST3904HZGT116。

繼電器的線圈需要并聯二極管D4，如果沒有此二極管，繼電器開關切換的時候就有可能產生較大的反沖電壓，這個反沖電壓有時會高于三極管的耐壓值。從而造成電路中三極管損壞，導致電路失效。此電路中D4 使用的是SEMTECH ELECTTRONICS 的二級管，型號為IN4148WS。

該控制電路需要接一個靜電保護二極管D5，防止系統受到雷擊浪涌與ESD 靜電放電或者其他瞬態電壓時，可對電路進行一個防護效果，使電子產品內物料受到ESD 靜電管的保護，從而不會損壞電路中的元件［5］。

該電路中將阻值為10 Ω、精度1% 的電阻R47 串聯于電路中，用以限制所在支路電流的大小，在以防電流過大燒壞所串聯的元器件，同時限流電阻也能起分壓作用。該限流電阻的主要作用是保護電路中其他元器件不受過大的電流損壞。

3.3 單片機判斷電源模式與控制繼電器信號邏輯

后風窗加熱功能需要座艙導航系統的單片機控制繼電器，具體邏輯如下。

（1）本論文中的系統工作時，導航座艙娛樂系統通過SOC核心處理器模塊將信息通過串口通信傳輸給單片機模塊，單片機模塊判斷是否達到風窗加熱系統打開或關閉的條件；達到打開或者關閉的條件，通過單片機模塊的輸入輸出端口輸出低電平或者高電平，控制繼電器的回路或者斷路，實現汽車上通過導航座艙娛樂系統加熱機對后窗進行加熱的功能。

（2）風窗加熱打開條件：當加熱風窗電機運行，電池電壓范圍在11.3 ～ 16.7 V，按下后風窗加熱的開關。關閉條件為：加熱風窗電機停止運行 KL15 OFF，電池電壓過高或者過低，再次按下后風窗加熱開關，后風窗已經連續工作10 min，尚未關閉，則自動關閉。

（3）如圖4 所示，當按鍵按下，判斷整車電源模式（SysPwrMd）與發動機信號（EnRunA/HVBatShutOff），如果符合條件則立即點亮指示燈并發送按鍵按下信號Req，1.5 s 延遲后根據主節點反饋信號DspCmd 來控制驅動的開啟和關閉。

（4）如圖5 所示，除霜功能已經開啟情況下，再次按下除霜按鍵，首先會熄滅除霜按鍵的LED 小燈，同時發送關閉請求信號。等待1.5 s檢查DspCmd是否滿足關閉條件，如果滿足則關閉驅動，不滿足則重新點亮小燈，直到DspCmd 滿足關閉條件。

4 結束語

本論文將導航座艙娛樂系統與后窗加熱控制系統通過控制電路和繼電器相連，將座艙娛樂集成后窗加熱的功能，實現了對后窗進行加熱控制，使用座艙導航主機自身的觸摸按鍵及語音識別功能，將對后窗進行加熱的功能集成到大屏導航娛樂主機中。該控制電路實用性強，通過導航座艙娛樂儀的觸摸按鍵和語音系統對后窗進行命令設置，通過硬件控制電路來實現限流及控制繼電器閉合和打開，用戶的操作性及便利性強，顯著提升了用戶的體驗感；并且硬件成本低、軟件控制邏輯簡單，護窗加熱控制更加智能便捷。

【參考文獻】

[1] 趙紜. 汽車后風窗玻璃電加熱除霜系統設計[D]. 長沙： 湖南大學，2016.

[2] 劉瑩，印明勛，喬鑫.汽車后風擋熱性能分析[J].汽車工業研究，2020（1）：31-33.

[3] 田永， 韋俊. 汽車后風窗玻璃加熱除霜試驗研究[J]. 客車技術與研究，2013，35（2）：50-51.

[4] 肖寒.GPS 座艙導航系統的語音識別應用與實現[D]. 杭州： 浙江大學，2006.

[5] 湖南山， 洪興楠， 李浩模， 等. 中國集成電路大全： 微波集成電路[M]. 北京： 國防工業出版社，1995.

作者簡介：

丁永，本科，工程師，研究方向為汽車智能座艙產品及系統。