燃料電池城市客車用整車控制器

摘  要:  本文介紹了美國Cygnal公司新近推出的單片機C8051F020在汽車整車控制器中的應用。在分析了整車控制器的功能需求后，研制出了控制器的硬件平臺，并在此硬件平臺上搭建了實時操作系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)框架，實現(xiàn)了各個功能模塊的軟件設計，包括數(shù)據采集、控制器局域網(CAN)總線通信和控制策略數(shù)值計算等。
關鍵詞: C8051F020；整車控制器；實時操作系統(tǒng)；RTX51

整車控制器的功能分析
本文的汽車整車控制器是為國家863重大專項——“燃料電池城市客車”開發(fā)研制的。燃料電池城市客車的結構如圖1所示。與傳統(tǒng)汽車的主要不同是動力源由發(fā)動機改為電動機，同時由燃料電池和輔助電池組合提供電能。這樣車上的主要能量轉換方式就是將電能轉換成機械能。
汽車的整車控制器是整個汽車的大腦，它接受到駕駛員的踏板信號和其它信號，然后作出相應的判斷，控制下層各個部件作出動作，驅動汽車正常行駛，并盡可能實現(xiàn)比較高的能量效率。所以說整車控制器是整個汽車的核心控制部件，它的優(yōu)劣直接影響著汽車的可靠性和其它性能。


圖1  燃料電池城市客車結構簡圖


圖2  整車控制器功能框圖

在此，首先分析一下燃料電池城市客車整車控制器的功能需求。第一，整車驅動系統(tǒng)由驅動電機、燃料電池、蓄電池、DC/DC轉換器等部件組成，各個部件之間的信號通過CAN總線來傳遞，因而整車控制器必須具有CAN總線接口；第二，雖然采用CAN總線可以大大簡化系統(tǒng)的布線復雜程度，但從實時性和安全性的角度出發(fā)，有一部分信號還要由整車控制器直接采集，包括制動踏板、油門踏板以及其它一些數(shù)字量信號；第三，整車控制器還要提供一些對相應部件進行直接控制的信號通道，包括D/A轉換和數(shù)字量輸出等等；第四，為保證駕駛員的安全操作和對汽車控制的可視化，采用了外接液晶顯示器以及觸摸屏的方式來顯示一些重要的信號量，因此選用了一個串行通信口(UART)。
C8051F020的主要功能和資源
基于以上的功能分析，我們最終選用了Cygnal單片機的特點，C8051F020型號的單片機作為整車控制器的核心器件CPU。其主要功能和資源包括：多達32路12位ADC(速度為100kHz)或高達500kHz的8位ADC；2路12位DAC和2路模擬比較器；內部高精度基準電源、可編程增益放大器和溫度傳感器；精確的VDD監(jiān)視器；4K片內RAM、64K片內FLASH以及64K外部數(shù)據存儲器接口；64位I/O口線，所有口線均可編程為弱上拉或推挽輸出；可同時使用的硬件SMBUS/I2C串行總線和SPI串行總線及兩個UART串口；16 位可編程計數(shù)器/定時器陣列帶5 個捕獲/比較模塊；5個通用16 位計數(shù)器/定時器；專用的看門狗定時器和雙向復位等等；獨特的數(shù)字交叉開關陣列(Digital Crossbar)，可將內部系統(tǒng)資源定向分配到P0，P1和P2；
其內部資源的功能框圖從略。

整車控制器的功能框圖
通過比較整車控制器的功能需求和Cygnal單片機的特點可知，C8051F020芯片是一款非常適合用于汽車整車控制器的芯片。根據該單片機的特點，我們設計了控制器的整體框架(如圖2)。
首先，在外部總線上擴展了一片32K的RAM，設計采用61C256，這樣的RAM容量足夠滿足實時操作系統(tǒng)及所需控制參數(shù)和變量的需求。其次，我們選用獨立的CAN控制器芯片SJA1000擴展了一個CAN接口，用于和各個部件之間進行數(shù)據通信。同時，由于C8051F020的很多片內資源都是和數(shù)字I/O口復用的，所以需要利用片內的數(shù)字交叉開關來選擇決定某個I/O口工作在何種方式；設計中選用了一片可編程邏輯芯片CPLD－EPM7128，利用它可以方便地配置芯片的各個I/O口和片內資源，同時可以實現(xiàn)對一些外擴設備的譯碼以及邏輯電路的設計等，這樣不僅節(jié)省了大量的外部譯碼芯片，同時還增加了系統(tǒng)的靈活性。此外，設計中利用一個串口(UART)與液晶顯示器及觸摸屏相連，提供了良好的司機交互操作界面。最后考慮到芯片內部已經具有A/D、D/A等資源，我們只選用了其中的4路A/D用于模擬量采集和2路D/A用于輸出控制，同時設計了8路數(shù)字量輸入(DI)和4路數(shù)字量輸出(DO)。出于對系統(tǒng)的電磁兼容性和安全性方面的考慮，我們對相應的信號都采取了濾波和光電隔離措施。
完成以上所有的硬件功能設計后，一般來說，就應該按照經驗用傳統(tǒng)的軟件方法來編寫汽車整車控制器的軟件系統(tǒng)。然而，近年來嵌入式實時操作系統(tǒng)的普及為我們的軟件設計提供了一套新的解決思路。

嵌入式實時操作系統(tǒng)RTX51
針對中小型控制系統(tǒng)來說，mC/OS-II是目前最流行的、源碼公開、幾乎免費的RTOS。mC/OS-II具有執(zhí)行效率高，占用空間小，實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點，最小內核可編譯至2k。通常來講，是一種比較好的選擇方案。但是，我們在項目初期的實踐中證明mC/OS-II在8 位MCS51單片機系統(tǒng)中的效果并不是非常理想。因此，我們選用了一個最適用于8051家族單片機的實時多任務操作系統(tǒng)RTX51。在Keil C51的集成開發(fā)環(huán)境下，選用RTX51還具備如下優(yōu)點：
?使用便捷，當用戶在集成開發(fā)環(huán)境里打開目標選項對話框，選擇目標操作系統(tǒng)以后，鏈接器便會自動添加合適的RTX-51庫文件；
?完全支持C51具有的浮點操作功能、可重入功能和中斷功能；
?對于8051系列單片機具有友好的用戶界面來進行RTX51的配置；
?使用靈活，僅需占用少量的系統(tǒng)資源，也能夠應用于實時性要求較高的系統(tǒng)中。
RTX51具有兩種不同的版本：RTX51 Full和RTX51 Tiny。
在燃料電池城市客車的整車控制器中，由于整個被控系統(tǒng)相對比較復雜，同時考慮到將來可能的系統(tǒng)擴展，我們采用了功能較強的RTX51 Full版本。
RTX51 Full可適用于大多數(shù)8051系列單片機，但是必須針對不同的單片機進行相應的配置。由于Cygnal的C8051系列單片機是比較新型的MCS51單片機，所以RTX51并沒有為此系列單片機提供專門的配置。因此，我們首先找到了一個與C8051系列單片機比較接近的單片機Infienon C515單片機，然后比較這兩種單片機的異同，修改RTX51為Infienon C515專門提供的配置，即可得到我們所需的配置。修改的部分如下：
INT_EN_MASK_NUMBER    EQU  3
?RTX_IE  DATA  0A8H
?RTX_IEN1DATA  0E6H
?RTX_IEN2  DATA  0E7H
如上所述，RTX51與C51編譯器是完全集成在一個uVision的集成環(huán)境中，作為RTX51應用程序只要求用戶將RTX51.H頭文件包含進來，并且選擇編譯選項Target中的operating為RTX51 Full即可。

整車控制器的軟件設計思路
燃料電池城市客車明顯區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的一個主要特點就是：傳統(tǒng)汽車由司機根據自己的意愿，操縱油門踏板和制動踏板來直接控制汽車的運行狀態(tài)；而燃料電池城市客車的油門踏板并沒有和底層部件直接相連，而是通過將踏板信號采集進入多能源動力總成控制系統(tǒng)，再根據一定的控制策略，最終確定汽車的實際運行狀態(tài)。
由此可見，對于燃料電池城市客車而言，對司機控制命令的信號采集和對司機意圖的解釋變得至關重要。因此，整車控制器的主要任務就是采集司機的各種控制信號(包括鑰匙位置、制動踏板、油門踏板和檔位信息等等)，正確判斷司機的實際駕駛意圖，協(xié)調控制汽車各個部件的工作，對整車進行有效的控制。 
根據整車控制器所需完成的功能，我們結合RTOS分解其各項功能并制定出相對獨立的任務。目前，我們制定了以下幾個任務：
任務0 系統(tǒng)初始化及控制策略數(shù)值計算：
初始化單片機的相關配置，啟動所有其它的任務。隨后進行控制策略的數(shù)值計算。
任務1  發(fā)送CAN信息：
當任務0完成了控制策略數(shù)值計算后，通過CAN總線發(fā)送相應的控制命令。
任務2  模數(shù)轉換A/D：
采集油門踏板和制動踏板的信號，并進行數(shù)字濾波。這些信號將提供給任務0進行控制策略的計算。
任務3  數(shù)字量的輸入和輸出：
讀入鑰匙位置、緊急開關信號等數(shù)字量，輸出Ready等信號。這些信息將提供給任務0來判斷汽車應該選擇的工作模式，同時在液晶屏幕上進行相應的狀態(tài)顯示。
任務4  故障診斷：
判斷單片機系統(tǒng)工作是否正常，CAN通信是否正常，并且給出相應的報警信號。
中斷1  接收CAN信息：
接收其它控制器節(jié)點發(fā)來的CAN信息，并且按照CAN協(xié)議把接收到的數(shù)據信息進行相應的轉換。
上述各任務的程序流程圖從略。

結語
C8051F020這款單片機具有較快的運行速度和豐富的內部資源，非常適合用于汽車整車控制器的開發(fā)。我們在搭建出其硬件平臺的基礎上，又開發(fā)了基于實時操作系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，并且實現(xiàn)了數(shù)據采集、輸出控制、液晶顯示以及CAN總線通信等功能。實時操作系統(tǒng)的實施讓我們的軟件設計思路產生了很大的變化，使我們能夠更方便地進行復雜軟件的設計?？梢赃@樣說，實時操作系統(tǒng)的引入提高了軟件設計的起點，同時提高了軟件設計的效率?！?本文做了刪減，讀者可發(fā)郵件至articleb@edw.com.cn索閱全文)