汽車電子液壓制動系統(tǒng)跟隨特性的實驗研究 ----汽車 EHB 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(四)

　　3.3 EHB控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　EHB控制系統(tǒng)中硬件部分主要包括以下內(nèi)容：控制單元ECU設(shè)計、輸入通道設(shè)計、輸出通道設(shè)計、電源系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計。

　　3.3.1控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　根據(jù)控制系統(tǒng)ECU單元的結(jié)構(gòu)，確定其硬件組成如圖3.10所示，包括：單片機(jī)、電源模塊、傳感器信號處理模塊、控制輸出調(diào)理模塊及驅(qū)動控制模塊等部分。這些模塊構(gòu)成了ECU的完整控制系統(tǒng)。其中驅(qū)動模塊包括對EHB系統(tǒng)中電磁閥的驅(qū)動模塊，以及對高壓蓄能器環(huán)節(jié)中電機(jī)泵的驅(qū)動模塊，這兩塊直接作用于車輛制動系統(tǒng)中的制動輪缸。下面的章節(jié)中我們將對每部分進(jìn)行研究。

　　3.3.2系統(tǒng)處理芯片的選用

　　汽車EHB系統(tǒng)是一種計算機(jī)控制系統(tǒng)，其核心部分是電子控制單元ECU.它一方面將采集到的傳感器信號A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到計算機(jī)中去進(jìn)行分析處理，另一方面要將控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出到外部的驅(qū)動系統(tǒng)中，而電子控制單元內(nèi)部CPU通過軟件編程來實現(xiàn)各種控制算法，所以電子控制單元是控制系統(tǒng)的重要部分。

　　目前制動系統(tǒng)采用的單片機(jī)是摩托羅拉、英特爾、西門子、英飛凌、飛思卡爾等公司的的16位單片機(jī)。EHB系統(tǒng)要求較高數(shù)據(jù)處理速度，處理器需要完成各種計算，例如加減速度、參考滑移率等。

　　根據(jù)EHB的特性要求，所選用的中央處理器是飛思卡爾公司推出的16位單片機(jī)MC9S12,功能強(qiáng)大的片上外設(shè)子系統(tǒng)和片上存儲器單元完美結(jié)合，具有更高的集成度、更豐富的片上資源和更強(qiáng)的處理能力，有助于提高系統(tǒng)性能、減小體積和降低成本。同時，它進(jìn)一步增強(qiáng)了靈活的功率管理。該功率管理機(jī)制有效控制了微控制器在特定狀態(tài)下的功耗，有效降低了系統(tǒng)總功耗，可長期使用，可靠性高。

　　MC9S12系列微控制器的特點(diǎn)：

　　(1)核心CPU：16位的CPU，它管理著MC9S12DG128和外部所有設(shè)備的活動，通過芯片的內(nèi)部總線與MCU各個功能模塊通信，通時通過外部總線與系統(tǒng)外設(shè)進(jìn)行通訊。CPU中有6個寄存器，13種尋址方式和400多條指令，內(nèi)部16為數(shù)據(jù)通道支持高效、快速的算術(shù)操作。

　　(2)存儲器：內(nèi)部有128KB的Flash EEPROM，2KB的EEPROM，8KB的RAM.

　　(3)時鐘和復(fù)位發(fā)生器(CRG)：包括鎖相環(huán)時鐘頻率放大器、看門狗、實時中斷(RTI)和時鐘監(jiān)視器(CM)。

　　(4)帶中斷功能的8位和4位端口：可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)。

　　(5)A/D轉(zhuǎn)換接口：2個8通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，可編程采樣時間，多通道掃面方式，擁有外部轉(zhuǎn)變觸發(fā)控制，轉(zhuǎn)換完成中斷等功能。

　　(6)CAN總線模塊：集成了3個CAN控制器—MSCAN12模塊，兼容CAN2.0A/B，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)1Mb/s，具有5個接收緩沖器，3個發(fā)送緩沖器，4個獨(dú)立的中斷通道，具有低通濾波器喚醒功能。

　　(7)增強(qiáng)型捕捉定時器(ECT)：該定時器的可編程計數(shù)器為16位，有8個可編程輸入捕捉或輸出比較通道，4個8位或2個16位的脈沖累加器。四個定標(biāo)器的16位遞減模數(shù)計數(shù)器。

　　(8)脈寬調(diào)制模塊(PWM)：有8個輸出通道，通過外部編程確定每個通道的周期和占空比，各通道各有一個計數(shù)器，可獨(dú)立控制，8個8通道也可做16個4通道使用，時鐘頻率可調(diào)范圍寬，有4個時鐘源可選擇，周期和脈寬可以被雙緩沖。各個通道可分別設(shè)置中心對稱或左對齊輸出，可作為中斷輸入，有緊急事件可以關(guān)斷輸入。

　　(9)串行口、總線：芯片內(nèi)部提供2個同步串行設(shè)備接口(SPI)，并具有以下特點(diǎn)：全雙工、三線同步傳送;單個數(shù)據(jù)引腳的雙向傳送方式;主機(jī)位傳送頻率最大4MHz，當(dāng)MCU總線頻率等于8MHz時最小為31.25kHz;可程控設(shè)置位時鐘極性、相位和數(shù)據(jù)位傳送順序，即可選高位在前或低位在前。2個全雙工異步串行通信接口(SCI)。

　　(10)EEPRO模塊與FLASH模塊MC9S12XE/S內(nèi)部集成了4KB的EEPROM存儲器與256KB的FLASH存儲器，具有單塊和整塊擦除、編程、靈活保護(hù)和安全功能、快速區(qū)域擦除和字編程模式特點(diǎn)。

　　(11)LQFP-112和QFP-80封裝選擇：DG128芯片具有5V的輸入和驅(qū)動能力，它的CPU工作頻率可高達(dá)50MHz，總線頻率也可達(dá)到25MHz，并可以支持背景調(diào)試模式(BDM)。

　　實際工作時需要采集側(cè)向加速度傳感器、車速信號和方向盤轉(zhuǎn)角信號，傳感器工作時存在各種干擾，其輸出的信號存在著各種噪聲信號，為了保證信號的可靠性需要對傳感器信號進(jìn)行濾波處理。硬件電路設(shè)計時采用結(jié)構(gòu)簡單并且效果較好的π型濾波。

　　3.3.3電源系統(tǒng)的設(shè)計

　　由于車載蓄電池的電壓通常為12 V，對于EHB系統(tǒng)中的飛思卡爾單片機(jī)而言需要5V以及2.5V的直流穩(wěn)定電源。本設(shè)計中采用LM2940電源轉(zhuǎn)換芯片。其封裝采用TO-220-3的形式。其允許工作電壓溫度-65℃~150℃，輸入電壓為26V，輸出可調(diào)電壓范圍1.24V~26V最大輸出電流為3.5A，電壓輸出誤差小于1%，這樣的電源系統(tǒng)足夠滿足ECU中MC9S12XE/S對電源電壓的需求。

　　3.3.4系統(tǒng)輸入通道設(shè)計

　　根據(jù)EHB系統(tǒng)中所涉及的各個傳感器的基本類型，主要有開關(guān)量輸入信號傳感器、脈沖量輸入信號傳感器、模擬量輸入信號傳感器等三大類。

　　(1)開關(guān)量輸入信號

　　開關(guān)量主要指常規(guī)制動情況下的主動控制功能，駕駛員可以通過腳踏板行程開關(guān)選擇是否啟用這一功能，因此是一種主動控制功能。

　　(2)脈沖量輸入信號

　　脈沖量輸入信號有：輪速傳感器脈沖信號。使用定時器T2和捕獲寄存器測量兩個上升沿(或下降沿)的時間間隔。由于采集進(jìn)來的現(xiàn)場信號，容易受到環(huán)境干擾等因素影響，不能直接輸入單片機(jī)處理，為了抗干擾，開關(guān)量和脈沖量輸入經(jīng)過光電耦合器TLP521與MC9S12單片機(jī)連接。TLP521是直流輸入NPN輸出的光電耦合器在電隔離的情況下，以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，能有效抑制系統(tǒng)噪聲TLP521內(nèi)部結(jié)構(gòu)由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。工作時，把輸入信號加到輸入端，發(fā)光二極管產(chǎn)生紅外光，光敏三極管接收光后，其集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，實現(xiàn)電—光—電的轉(zhuǎn)換。TLP521主要用于工業(yè)控制中，速度不高，主要用來隔離各開關(guān)量信號。

　　(3)模擬量輸入信號在EHB系統(tǒng)中，電控系統(tǒng)要求輸入的模擬量有：制動油壓力傳感器，踏板行程傳感器等，其輸出的是模擬量信息，而系統(tǒng)只能處理數(shù)字量的信息，因此要對其進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，即A/D轉(zhuǎn)換?？梢岳肕C9S12單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換以及輸入采樣。由于濾波電路可以濾掉模擬信號中的高頻成分，模擬量輸入信號經(jīng)過濾波電路與飛思卡爾MC9S12單片機(jī)的模擬量采樣口相連。

　　3.3.5系統(tǒng)輸出通道設(shè)計

　　系統(tǒng)輸出通道的設(shè)計，就是對EHB系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制電路的設(shè)計。因此系統(tǒng)控制輸出就包括：電磁閥驅(qū)動控制電路，電機(jī)驅(qū)動控制電路。

　　單片機(jī)控制電磁閥開、閉的過程，就是控制電磁閥是否得電的過程。本設(shè)計利用的MC9S12輸出的PWM信號作為輸入，通過驅(qū)動MOSFET管使高速開關(guān)閥工作，電路中驅(qū)動電路采用BTS724G芯片，BTS724G芯片為N溝道垂直功率MOSFET管設(shè)計的高邊開關(guān)驅(qū)動器。高邊條件下可驅(qū)動負(fù)載電壓為24V的MOSFET功率管。BTS724G具有可輸入CMOS的兼容性、較高的電磁兼容性、感應(yīng)負(fù)載的快速退磁性和較寬的工作電壓范圍5.5V~40V.BTS724G自身提供了嵌入式保護(hù)程序，當(dāng)系統(tǒng)過載或電池接反系統(tǒng)自動關(guān)閉MOSFET.通過BTS724G芯片驅(qū)動電磁閥的開關(guān)，實現(xiàn)系統(tǒng)的增壓、保壓、和減壓。

　　電磁閥驅(qū)動控制電機(jī)的驅(qū)動控制電路是通過大功率MOS管來驅(qū)動控制液壓泵電機(jī)，由液壓泵電機(jī)帶動液壓泵，向高壓蓄能器管路中注入制動時所需的高壓油。圖3.11是開發(fā)的ECU實物圖

　　3.3.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是EHB臺架系統(tǒng)中很重要的一個模塊，本文采用的數(shù)采系統(tǒng)是基于MATLAB/xPCTarget實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。xPC Target 是MathWorks公司提供和發(fā)行的一個基于RTW(Real Time Workshop)體系框架的附加產(chǎn)品，用于產(chǎn)品原型開發(fā)、測試和配置實時系統(tǒng)的PC機(jī)解決途徑。xPCTarget采用了從宿主機(jī)到目標(biāo)機(jī)的技術(shù)途徑，即“雙機(jī)”模式，兩機(jī)通過以太網(wǎng)或串口進(jìn)行通信。

　　系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)主要有宿主機(jī)(HostPC)、目標(biāo)機(jī)(TargetPC)、數(shù)據(jù)采集卡。軟件系統(tǒng)包括MATLAB、Simulink、RTW、xPCTarget、C編譯器等。

　　(1)宿主機(jī)(HostPC)

　　宿主機(jī)主要用于運(yùn)行simulink建立模型文件，進(jìn)行模型參數(shù)調(diào)整、模型的編譯下載以及信號觀測。由于xPCTarget采用宿主機(jī)(HostPC)和目標(biāo)機(jī)(TargetPC)分離的雙機(jī)模式。宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間有串口和以太網(wǎng)兩種通信方式。本文采用速度快，距離遠(yuǎn)的以太網(wǎng)方式。由于要對通訊設(shè)備進(jìn)行配置生成啟動軟盤。因此要求宿主機(jī)包含3.5英寸的軟驅(qū)和以太網(wǎng)適配卡。采用Windowsxp操作系統(tǒng)，硬件配置要求不高，可正常運(yùn)行MATLAB程序即可?；谏鲜鰲l件我們選用普通臺式機(jī)即可。

　　(2)目標(biāo)機(jī)(TargetPC)

　　目標(biāo)機(jī)用于執(zhí)行生成的代碼，目標(biāo)機(jī)在使用過程中只需開關(guān)機(jī)操作即可，此目標(biāo)機(jī)采用硬盤啟動方式，較之通用的軟盤或光盤啟動更穩(wěn)定，啟動速度快。為了制作啟動盤和試驗數(shù)據(jù)采集，目標(biāo)機(jī)應(yīng)安裝了Windows XP和DOS 7.1系統(tǒng)，并且系統(tǒng)盤為FAT32文件系統(tǒng)?；谏鲜鰲l件本文采用Advantech工控機(jī)。

　　(3)數(shù)據(jù)采集板卡

　　本文采用的是Advantech PCL-818H采集卡。PCL-818H是一款100KHz的多功能數(shù)據(jù)采集卡，能夠提供最常用的五種測量和控制功能，這些功能包括：12位A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出及計數(shù)器/定時器功能。模塊性能特點(diǎn)如下：

　　通道：16路單端或8路差分輸入范圍：

　　雙極性：±0.625V，±1.25V，±2.5，±5V，±10V

　　輸入過載電壓：±30VDC

　　轉(zhuǎn)換類型：逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換

　　轉(zhuǎn)換速率：最大100KHz精度：±0.01%(讀取值)，±1位

　　線性度：±1位

　　觸發(fā)模式：軟件觸發(fā)、Pacer觸發(fā)和外部觸發(fā)

　　數(shù)據(jù)傳輸：程序控制、中斷方式和DMA方式

　　經(jīng)過以上對EHB系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電子控制單元的設(shè)計，及其元件的選型，建立起實驗臺如圖3.12所示。