分析電子汽車限速器的技術(shù)原理

我國(guó)每年有數(shù)十萬(wàn)起交通事故發(fā)生，如果汽車限速器能夠普及，將會(huì)降低交通事故發(fā)生率，從而挽回不必要的財(cái)產(chǎn)和生命損失。

與近期在市場(chǎng)上熱銷的電子狗產(chǎn)品相比，汽車限速器更具有主動(dòng)規(guī)避事故的優(yōu)勢(shì)，電子狗只是在接近超速測(cè)試探頭時(shí)才提醒駕駛者控制車速。汽車限速器通常分為兩大類：一種是在車輛超速時(shí)發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)，提醒駕駛者減速；另一種是在車輛超過(guò)限定速度后，通過(guò)車載電腦發(fā)出指令，強(qiáng)制控制車輛行駛速度。第1種限速器只起到警示作用，而第2種汽車限速器將更為有效地降低交通事故。因此，本文著重介紹了第2種限速器的實(shí)現(xiàn)原理及設(shè)計(jì)方法。

1 限速器實(shí)現(xiàn)原理

由于早期的汽車是沒有限速功能的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)考慮到汽車出廠前安裝與售出后安裝兩個(gè)不同層面的需求，限速器應(yīng)具備靈活的安裝方式，不破壞汽車的完整性和可靠性。為了設(shè)計(jì)出這樣的限速器，首先需要了解汽車油門系統(tǒng)的工作原理。

一般的電子汽車油門系統(tǒng)包括：油門踏板、踏板傳感器、電子控制單元（ECU）、電機(jī)、節(jié)氣門機(jī)構(gòu)，如圖1所示。駕駛員根據(jù)駕駛所需的功率踩踏油門踏板，油門踏板位置傳感器將采集到的油門踏板位置信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將其傳給電子控制單元，由電子控制單元通過(guò)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)氣門的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門的完全電子控制。

分析組成汽車電子油門系統(tǒng)的幾個(gè)環(huán)節(jié)后，在踏板傳感器與ECU這兩個(gè)環(huán)節(jié)之間插入限速控制是最易實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)也具備了出廠前安裝與售出后安裝的條件，因此本文的限速控制設(shè)計(jì)方案就在踏板傳感器和ECU這兩個(gè)環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)。插入限速器的電子油門系統(tǒng)模型如圖2所示，圖中虛線框所示的部分即是所設(shè)計(jì)的限速器。

限速器可通過(guò)鍵盤和顯示等人機(jī)界面預(yù)置速度上限值Vm。當(dāng)啟動(dòng)限速器工作后，圖2中的1和3通路連通。限速器檢測(cè)踏板傳感器傳遞給它的電信號(hào)經(jīng)IIR濾波后得Ux。由于本限速器盡可能地不破壞汽車原有的結(jié)構(gòu)，因此采用油門的開度來(lái)判斷汽車行駛速度，但是速度的變化滯后于油門的變化，即油門的變化量并不能直接地表征行駛速度變化量。所以本限速器采用自學(xué)習(xí)算法，通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間段監(jiān)測(cè)油門的前后變化情況以及前一時(shí)間段油門所處的穩(wěn)定狀態(tài)（如勻速或停止），判斷駕駛者的操作意圖，得出相應(yīng)的行駛速度值Vx。將Vx與預(yù)置的速度上限值Vm比較。

圖3所示為速度控制狀態(tài)曲線圖。假設(shè)Vx由0開始逐漸增大，在未達(dá)到Vm時(shí)，Vy曲線和Vx曲線完全重合。當(dāng)Vx >Vm時(shí)，Vy的值不隨著Vx的增大而增大，保持等于Vm不變。

插入限速器后的電子油門系統(tǒng)，駕駛員可以根據(jù)需要選擇是否需要限速功能。當(dāng)駕駛員選擇了限速功能后，在不超速情況下，與原有的電子油門系統(tǒng)工作方式是相同的,最大程度地保證了原有系統(tǒng)的完整性。在設(shè)計(jì)中，限速器中的觸點(diǎn)1和觸點(diǎn)2為常閉開關(guān),使限速器在不能正常工作的情況下，能保證電子油門系統(tǒng)仍能正常工作，保證系統(tǒng)工作的可靠性。

2 限速器的硬件設(shè)計(jì)

從限速器的實(shí)現(xiàn)原理分析，限速器必須具備以下功能：

(1)模擬信號(hào)采集、信號(hào)處理和信號(hào)輸出

限速器需要采集油門踏板傳感器的電信號(hào)，故需具備模擬信號(hào)采集功能，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、計(jì)算等處理；同時(shí)，限速器根據(jù)采集信號(hào)處理后的結(jié)果，輸出相應(yīng)的電信號(hào)提供給ECU，故需具備模擬信號(hào)輸出功能。

(2)控制電路

限速器根據(jù)用戶的指令或在某些不正常的狀態(tài)下，需要實(shí)現(xiàn)限速器工作模式、報(bào)警器工作模式和關(guān)閉模式的功能。限速器在工作模式時(shí)，不但需要監(jiān)測(cè)油門踏板傳感器信號(hào)，同時(shí)要根據(jù)踏板傳感器信號(hào)和預(yù)置的速度上限值Vm，實(shí)現(xiàn)限速控制；處于報(bào)警工作模式時(shí)，只需監(jiān)測(cè)油門踏板傳感器信號(hào)，結(jié)合預(yù)置的速度上限值Vm，實(shí)現(xiàn)超速時(shí)報(bào)警。

(3)人機(jī)交互功能

限速器需具備顯示、鍵盤、語(yǔ)音報(bào)警輸出等人機(jī)交互方式功能。

根據(jù)上述功能需求，限速器的功能框圖如圖4所示。

為了滿足上述功能需求，限速器的核心本設(shè)計(jì)選用具有強(qiáng)大功能的MSP430F169單片機(jī)，其內(nèi)置有高速的12位ADC和DAC，能單片實(shí)現(xiàn)限速器的功能，無(wú)須再擴(kuò)展外部模塊，即可提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低系統(tǒng)成本，非常符合限速器的功能需求。

實(shí)現(xiàn)限速器功能的主要模塊分析如下：

(1)信號(hào)處理單元

油門踏板傳感器實(shí)際上是一個(gè)角度傳感器，可提取瞬間油門踏板的位置信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。以磁阻式油門踏板傳感器為例，為了將角度變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，磁阻元件往往做在同一塊基片上接成三端式結(jié)構(gòu)，且在片上一定高度處放一半圓形的磁鋼，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)主軸帶動(dòng)磁鋼旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁阻元件MR1、MR2的電阻值隨通過(guò)它們的磁通量Φ的變化而變化,從而有電壓信號(hào)從兩個(gè)磁阻元件中點(diǎn)輸出,經(jīng)過(guò)后面信號(hào)處理電路對(duì)此輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。通過(guò)調(diào)節(jié)后級(jí)放大電路的放大倍數(shù)，可以得到所需要的、大小合適的電壓信號(hào)，其等效電路如圖6所示[1]。

根據(jù)油門踏板傳感器的工作原理，限速器信號(hào)處理原理圖如圖7所示[2]。踏板傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器降低輸出阻抗,然后輸入到MSP430F169的ADC輸入腳A3,利用MSP430F169內(nèi)部的12位ADC完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的采集。限速器將踏板傳感器的電信號(hào)采集后，用IIR濾波算法對(duì)其進(jìn)行濾波，進(jìn)行自學(xué)習(xí)算法計(jì)算、處理后，得到汽車行駛速度Vx，并與設(shè)定的限速值Vm比較,以比較的結(jié)果決定輸出模擬信號(hào)輸出的大小。輸出信號(hào)通過(guò)MSP430F169的D/A輸出引腳DAC0輸出,利用MSP430F169內(nèi)部的12位DAC實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，并通過(guò)運(yùn)算放大器提升輸出模擬信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。



(2)語(yǔ)音報(bào)警單元

語(yǔ)音報(bào)警原理圖如圖8所示。為了保證行駛的安全性和平穩(wěn)性，必須在汽車停止?fàn)顟B(tài)下才能啟動(dòng)限速器或關(guān)閉限速器，因此配有語(yǔ)音報(bào)警器，以起到有效的提醒作用。該限速器使用帶功放的ML22865語(yǔ)音芯片，其芯片的SCL、SDA、(CBUSYB)腳分別接至MSP430F169的I/O口P5.2~P5.4,報(bào)警器的SPM、SPP腳接揚(yáng)聲器。



(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

限速器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理圖如圖9所示。限速器要能設(shè)定速度上限值，以及提供給自學(xué)習(xí)算法所需的大量的存儲(chǔ)空間,因此必須具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,本設(shè)計(jì)使用24LC512存儲(chǔ)器。



(4)鍵盤和顯示單元

利用MSP430F169的P3.4~P3.7實(shí)現(xiàn)4個(gè)獨(dú)立按鍵，功能分別為限速器開關(guān)鍵、數(shù)值增加鍵、數(shù)值減少鍵以及確認(rèn)鍵。顯示單元使用4個(gè)8段數(shù)碼管顯示，顯示4位的限速值。顯示數(shù)據(jù)通過(guò)MSP430F169的P1口提供。MSP430F169的P2.0~P2.3口作為數(shù)碼管的控制口，為了節(jié)省能耗，數(shù)碼管只有在按下鍵盤時(shí)才點(diǎn)亮，當(dāng)30 s內(nèi)不再操作鍵盤時(shí)數(shù)碼管熄滅。

3 限速器的軟件設(shè)計(jì)

限速器的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖10所示。為了保證行駛的安全性和平穩(wěn)性，必須在汽車停止?fàn)顟B(tài)下才能啟動(dòng)或關(guān)閉限速器。限速器工作過(guò)程如下：通過(guò)按鍵中斷程序判斷是否有啟動(dòng)或關(guān)閉限速器的按鍵，如果有按鍵信號(hào)，限速器根據(jù)主程序采集的踏板傳感器電信號(hào)，判斷是否有油門踏板動(dòng)作，如果有踩下油門踏板，語(yǔ)音報(bào)警，此操作無(wú)效；如果無(wú)踏板動(dòng)作，再次提醒是否處于行駛狀態(tài)，并且設(shè)置5 s延時(shí)，并再次按下該按鍵，才能將限速器開啟或關(guān)閉。如果判斷是關(guān)閉限速器按鍵，則關(guān)閉限速器，并設(shè)置關(guān)閉狀態(tài)，且將該狀態(tài)信息傳遞給主程序；如果是啟動(dòng)限速器，則開啟限速器工作，并設(shè)置開機(jī)狀態(tài)，且將該狀態(tài)信息傳遞給主程序。在主程序循環(huán)中，首先采集踏板傳感器信號(hào)并通過(guò)IIR濾波判斷是否有踏板動(dòng)作并將該信息反饋給鍵盤中斷程序，然后判斷是否有設(shè)置速度上限值按鍵。如果有，則設(shè)置相應(yīng)的速度值Vm，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；如果沒有，則讀入踏板傳感器的電信號(hào)A/D值Ux，Ux通過(guò)自學(xué)習(xí)算法得出行駛速度值Vx。


4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

(1)限速器開啟瞬間信號(hào)振蕩測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了檢測(cè)限速器開啟瞬間工作的可靠性，抽樣5臺(tái)限速器做實(shí)驗(yàn)，觀察ECU輸入信號(hào)(圖2中“1”點(diǎn)處信號(hào))。主要測(cè)試項(xiàng)目為：限速器開啟到穩(wěn)定所需時(shí)間(如圖11中的t2-t1)、開啟瞬間信號(hào)的最大振幅(如圖11中的Umax~Umin)、測(cè)試所得到數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,開關(guān)切換時(shí)間在1 ms以內(nèi)，根據(jù)ECU電氣特性，信號(hào)的干擾在5 ms以內(nèi)，能夠被平滑處理。而電壓振幅也在ECU允許的范圍內(nèi)，因此開關(guān)的過(guò)程是可靠的。



(2)限速器輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)變化滯后測(cè)試實(shí)驗(yàn)

IIR濾波算法及自學(xué)習(xí)算法會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)滯后與輸入信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)中MSP430F169的運(yùn)行速度為8 MIPS。為了測(cè)試滯后影響，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)檢測(cè)限速器輸出信號(hào)跟隨踏板傳感器信號(hào)變化的情況來(lái)測(cè)試其影響性。主要測(cè)試項(xiàng)目為：當(dāng)踏板傳感器的信號(hào)從U1值變到U2值時(shí)，踏板傳感器信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間t1，限速器輸出信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間t2, t2-t1的差值以及穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)兩電路值ΔU如圖12所示,通過(guò)測(cè)試得到數(shù)據(jù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明時(shí)間差t2-t1為10 ms左右，這個(gè)時(shí)間人的操作是感覺不到的;電壓的誤差ΔU在3 mV以內(nèi)，電壓的影響可以被忽略。因此時(shí)間的滯后及電壓誤差不會(huì)影響限速器的性能。



本文所介紹的汽車限速器安裝靈活，不破壞汽車的完整性和可靠性，可以從根本上解決汽車超速問(wèn)題，可極大地減少惡性交通事故，該裝置推廣應(yīng)用，隨著汽車消費(fèi)品不斷普及以及消費(fèi)者安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)，汽車限速器在未來(lái)必將會(huì)有廣闊的市場(chǎng)。