基于MSP430單片機的電子汽車限速器的研究

我國每年有數(shù)十萬起交通事故發(fā)生，如果汽車限速器能夠普及，將會降低交通事故發(fā)生率，從而挽回不必要的財產(chǎn)和生命損失。

　與近期在市場上熱銷的電子狗產(chǎn)品相比，汽車限速器更具有主動規(guī)避事故的優(yōu)勢，電子狗只是在接近超速測試探頭時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發(fā)出語音警報，提醒駕駛者減速；另一種是在車輛超過限定速度后，通過車載電腦發(fā)出指令，強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種限速器的實現(xiàn)原理及設(shè)計方法。

1 限速器實現(xiàn)原理

由于早期的汽車是沒有限速功能的，所以在設(shè)計時要同時考慮到汽車出廠前安裝與售出后安裝兩個不同層面的需求，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、節(jié)氣門機構(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轉(zhuǎn)化為電信號，并將其傳給電子控制單元，由電子控制單元通過電動機實現(xiàn)對節(jié)氣門的調(diào)節(jié)，實現(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)的幾個環(huán)節(jié)后，在踏板傳感器與ECU這兩個環(huán)節(jié)之間插入限速控制是最易實現(xiàn)的，同時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)計方案就在踏板傳感器和ECU這兩個環(huán)節(jié)之間實現(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)計的限速器。

　限速器可通過鍵盤和顯示等人機界面預(yù)置速度上限值Vm。當啟動限速器工作后，圖2中的1和3通路連通。限速器檢測踏板傳感器傳遞給它的電信號經(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，通過較長時間段監(jiān)測油門的前后變化情況以及前一時間段油門所處的穩(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，如果計算所得的速度值VxVm，則沒有在超速狀態(tài)，此時踏板傳感器電信號Ux直接提供給ECU，即限速器輸出信號Uy=Ux。如果計算所得的速度值Vx≥Vm，處于超速狀態(tài)，則限速器恒定輸出預(yù)置的速度上限值Vm所對應(yīng)的電信號Um，即Uy=Um,并傳遞給ECU，實現(xiàn)限速功能。

　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，在未達到Vm時，Vy曲線和Vx曲線完全重合。當Vx >Vm時，Vy的值不隨著Vx的增大而增大，保持等于Vm不變。當Vx下降，VxVm時，并在Vm附近振蕩，但未降至Vm-Δ，此種情況下，Vy仍保持等于Vm不變，起到了優(yōu)化油門控制的作用，以避免人為操作不穩(wěn)定因素的影響。當Vx下降到VxVm-Δ時，Vy曲線和Vx曲線完全重合。

　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)計中，限速器中的觸點1和觸點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

　從限速器的實現(xiàn)原理分析，限速器必須具備以下功能：

　(1)模擬信號采集、信號處理和信號輸出

　限速器需要采集油門踏板傳感器的電信號，故需具備模擬信號采集功能，并對采集的信號進行濾波、計算等處理；同時，限速器根據(jù)采集信號處理后的結(jié)果，輸出相應(yīng)的電信號提供給ECU，故需具備模擬信號輸出功能。

　(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，需要實現(xiàn)限速器工作模式、報警器工作模式和關(guān)閉模式的功能。限速器在工作模式時，不但需要監(jiān)測油門踏板傳感器信號，同時要根據(jù)踏板傳感器信號和預(yù)置的速度上限值Vm，實現(xiàn)限速控制；處于報警工作模式時，只需監(jiān)測油門踏板傳感器信號，結(jié)合預(yù)置的速度上限值Vm，實現(xiàn)超速時報警。

　(3)人機交互功能

　限速器需具備顯示、鍵盤、語音報警輸出等人機交互方式功能。

　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)計選用具有強大功能的MSP430F169單片機，其內(nèi)置有高速的12位ADC和DAC，能單片實現(xiàn)限速器的功能，無須再擴展外部模塊，即可提高系統(tǒng)運行的可靠性，降低系統(tǒng)成本，非常符合限速器的功能需求。

　實現(xiàn)限速器功能的主要模塊分析如下：

　(1)信號處理單元

油門踏板傳感器實際上是一個角度傳感器，可提取瞬間油門踏板的位置信號，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號傳遞給發(fā)動機控制器。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，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。當主軸帶動磁鋼旋轉(zhuǎn)時，磁阻元件MR1、MR2的電阻值隨通過它們的磁通量Φ的變化而變化,從而有電壓信號從兩個磁阻元件中點輸出,經(jīng)過后面信號處理電路對此輸出的電壓信號進行放大。通過調(diào)節(jié)后級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，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，限速器信號處理原理圖如圖7所示[2]。踏板傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過運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，實現(xiàn)模擬信號的采集。限速器將踏板傳感器的電信號采集后，用IIR濾波算法對其進行濾波，進行自學(xué)習(xí)算法計算、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輸出的大小。輸出信號通過MSP430F169的D/A輸出引腳DAC0輸出,利用MSP430F169內(nèi)部的12位DAC實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，并通過運算放大器提升輸出模擬信號的驅(qū)動能力。

(2)語音報警單元

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

　(3)數(shù)據(jù)存儲單元

　限速器的數(shù)據(jù)存儲原理圖如圖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空間,因此必須具備數(shù)據(jù)存儲功能,本設(shè)計使用24LC512存儲器。

(4)鍵盤和顯示單元

　利用MSP430F169的P3.4~P3.7實現(xiàn)4個獨立按鍵，功能分別為限速器開關(guān)鍵、數(shù)值增加鍵、數(shù)值減少鍵以及確認鍵。顯示單元使用4個8段數(shù)碼管顯示，顯示4位的限速值。顯示數(shù)據(jù)通過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才點亮，當30 s內(nèi)不再操作鍵盤時數(shù)碼管熄滅。

3 限速器的軟件設(shè)計

　限速器的軟件設(shè)計流程圖如圖10所示。為了保證行駛的安全性和平穩(wěn)性，必須在汽車停止狀態(tài)下才能啟動或關(guān)閉限速器。限速器工作過程如下：通過按鍵中斷程序判斷是否有啟動或關(guān)閉限速器的按鍵，如果有按鍵信號，限速器根據(jù)主程序采集的踏板傳感器電信號，判斷是否有油門踏板動作，如果有踩下油門踏板，語音報警，此操作無效；如果無踏板動作，再次提醒是否處于行駛狀態(tài)，并且設(shè)置5 s延時，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；如果是啟動限速器，則開啟限速器工作，并設(shè)置開機狀態(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并通過IIR濾波判斷是否有踏板動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，并存儲在存儲器中；如果沒有，則讀入踏板傳感器的電信號A/D值Ux，Ux通過自學(xué)習(xí)算法得出行駛速度值Vx。Vx與Vm比較，如果VxVm，則Vy=Vx，通過D/A輸出Ux作為ECU的輸入信號；如果Vx≥Vm，則Vy=Vm，將設(shè)定的限速值Vm換算成對應(yīng)的傳感器電信號Um，通過D/A輸出Um作為ECU的輸入信號。

4 測試實驗

(1)限速器開啟瞬間信號振蕩測試實驗

　為了檢測限速器開啟瞬間工作的可靠性，抽樣5臺限速器做實驗，觀察ECU輸入信號(圖2中“1”點處信號)。主要測試項目為：限速器開啟到穩(wěn)定所需時間(如圖11中的t2-t1)、開啟瞬間信號的最大振幅(如圖11中的Umax~Umin)、測試所得到數(shù)據(jù)如表1所示。實驗結(jié)果表明,開關(guān)切換時間在1 ms以內(nèi)，根據(jù)ECU電氣特性，信號的干擾在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)的過程是可靠的。

　(2)限速器輸出信號跟隨輸入信號變化滯后測試實驗

　IIR濾波算法及自學(xué)習(xí)算法會導(dǎo)致輸出信號滯后與輸入信號。本實驗中MSP430F169的運行速度為8 MIPS。為了測試滯后影響，本實驗通過檢測限速器輸出信號跟隨踏板傳感器信號變化的情況來測試其影響性。主要測試項目為：當踏板傳感器的信號從U1值變到U2值時，踏板傳感器信號達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間t1，限速器輸出信號達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間t2, t2-t1的差值以及穩(wěn)定狀態(tài)時兩電路值ΔU如圖12所示,通過測試得到數(shù)據(jù)如表2所示。實驗結(jié)果表明時間差t2-t1為10 ms左右，這個時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。因此時間的滯后及電壓誤差不會影響限速器的性能。

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，隨著汽車消費品不斷普及以及消費者安全意識的不斷增強，汽車限速器在未來必將會有廣闊的市場。