|
3.3 EHB控制系統的設計 EHB控制系統中硬件部分主要包括以下內容：控制單元ECU設計、輸入通道設計、輸出通道設計、電源系統設計和數采系統設計。 3.3.1控制系統整體結構設計 根據控制系統ECU單元的結構，確定其硬件組成如圖3.10所示，包括：單片機、電源模塊、傳感器信號處理模塊、控制輸出調理模塊及驅動控制模塊等部分。這些模塊構成了ECU的完整控制系統。其中驅動模塊包括對EHB系統中電磁閥的驅動模塊，以及對高壓蓄能器環節中電機泵的驅動模塊，這兩塊直接作用于車輛制動系統中的制動輪缸。下面的章節中我們將對每部分進行研究。 3.3.2系統處理芯片的選用 汽車EHB系統是一種計算機控制系統，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轉換成數字信號輸入到計算機中去進行分析處理，另一方面要將控制信號通過D/A轉換成數字信號輸出到外部的驅動系統中，而電子控制單元內部CPU通過軟件編程來實現各種控制算法，所以電子控制單元是控制系統的重要部分。 目前制動系統采用的單片機是摩托羅拉、英特爾、西門子、英飛凌、飛思卡爾等公司的的16位單片機。EHB系統要求較高數據處理速度，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MC9S12,功能強大的片上外設子系統和片上存儲器單元完美結合，具有更高的集成度、更豐富的片上資源和更強的處理能力，有助于提高系統性能、減小體積和降低成本。同時，它進一步增強了靈活的功率管理。該功率管理機制有效控制了微控制器在特定狀態下的功耗，有效降低了系統總功耗，可長期使用，可靠性高。 MC9S12系列微控制器的特點： (1)核心CPU：16位的CPU，它管理著MC9S12DG128和外部所有設備的活動，通過芯片的內部總線與MCU各個功能模塊通信，通時通過外部總線與系統外設進行通訊。CPU中有6個寄存器，13種尋址方式和400多條指令，內部16為數據通道支持高效、快速的算術操作。 (2)存儲器：內部有128KB的Flash EEPROM，2KB的EEPROM，8KB的RAM. (3)時鐘和復位發生器(CRG)：包括鎖相環時鐘頻率放大器、看門狗、實時中斷(RTI)和時鐘監視器(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。 (5)A/D轉換接口：2個8通道的10位A/D轉換器，連續轉換模式，可編程采樣時間，多通道掃面方式，擁有外部轉變觸發控制，轉換完成中斷等功能。 (6)CAN總線模塊：集成了3個CAN控制器—MSCAN12模塊，兼容CAN2.0A/B，數據傳輸速率達1Mb/s，具有5個接收緩沖器，3個發送緩沖器，4個獨立的中斷通道，具有低通濾波器喚醒功能。 (7)增強型捕捉定時器(ECT)：該定時器的可編程計數器為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。四個定標器的16位遞減模數計數器。 (8)脈寬調制模塊(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器，可獨立控制，8個8通道也可做16個4通道使用，時鐘頻率可調范圍寬，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，有緊急事件可以關斷輸入。 (9)串行口、總線：芯片內部提供2個同步串行設備接口(SPI)，并具有以下特點：全雙工、三線同步傳送;單個數據引腳的雙向傳送方式;主機位傳送頻率最大4MHz，當MCU總線頻率等于8MHz時最小為31.25kHz;可程控設置位時鐘極性、相位和數據位傳送順序，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、靈活保護和安全功能、快速區域擦除和字編程模式特點。 (11)LQFP-112和QFP-80封裝選擇：DG128芯片具有5V的輸入和驅動能力，它的CPU工作頻率可高達50MHz，總線頻率也可達到25MHz，并可以支持背景調試模式(BDM)。 實際工作時需要采集側向加速度傳感器、車速信號和方向盤轉角信號，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行濾波處理。硬件電路設計時采用結構簡單并且效果較好的π型濾波。 3.3.3電源系統的設計 由于車載蓄電池的電壓通常為12 V，對于EHB系統中的飛思卡爾單片機而言需要5V以及2.5V的直流穩定電源。本設計中采用LM2940電源轉換芯片。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%，這樣的電源系統足夠滿足ECU中MC9S12XE/S對電源電壓的需求。 3.3.4系統輸入通道設計 根據EHB系統中所涉及的各個傳感器的基本類型，主要有開關量輸入信號傳感器、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)開關量輸入信號 開關量主要指常規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。由于采集進來的現場信號，容易受到環境干擾等因素影響，不能直接輸入單片機處理，為了抗干擾，開關量和脈沖量輸入經過光電耦合器TLP521與MC9S12單片機連接。TLP521是直流輸入NPN輸出的光電耦合器在電隔離的情況下，以光電轉換原理傳輸信息，能有效抑制系統噪聲TLP521內部結構由發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，發光二極管產生紅外光，光敏三極管接收光后，其集電極與發射極導通，實現電—光—電的轉換。TLP521主要用于工業控制中，速度不高，主要用來隔離各開關量信號。 (3)模擬量輸入信號在EHB系統中，電控系統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，而系統只能處理數字量的信息，因此要對其進行模/數轉換，即A/D轉換。可以利用MC9S12單片機的A/D轉換模塊實現模數轉換以及輸入采樣。由于濾波電路可以濾掉模擬信號中的高頻成分，模擬量輸入信號經過濾波電路與飛思卡爾MC9S12單片機的模擬量采樣口相連。 3.3.5系統輸出通道設計 系統輸出通道的設計，就是對EHB系統執行機構的控制電路的設計。因此系統控制輸出就包括：電磁閥驅動控制電路，電機驅動控制電路。 單片機控制電磁閥開、閉的過程，就是控制電磁閥是否得電的過程。本設計利用的MC9S12輸出的PWM信號作為輸入，通過驅動MOSFET管使高速開關閥工作，電路中驅動電路采用BTS724G芯片，BTS724G芯片為N溝道垂直功率MOSFET管設計的高邊開關驅動器。高邊條件下可驅動負載電壓為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、感應負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程序，當系統過載或電池接反系統自動關閉MOSFET.通過BTS724G芯片驅動電磁閥的開關，實現系統的增壓、保壓、和減壓。 電磁閥驅動控制電機的驅動控制電路是通過大功率MOS管來驅動控制液壓泵電機，由液壓泵電機帶動液壓泵，向高壓蓄能器管路中注入制動時所需的高壓油。圖3.11是開發的ECU實物圖 3.3.6數據采集系統設計 數據采集系統是EHB臺架系統中很重要的一個模塊，本文采用的數采系統是基于MATLAB/xPCTarget實時數據采集系統。xPC Target 是MathWorks公司提供和發行的一個基于RTW(Real Time Workshop)體系框架的附加產品，用于產品原型開發、測試和配置實時系統的PC機解決途徑。xPCTarget采用了從宿主機到目標機的技術途徑，即“雙機”模式，兩機通過以太網或串口進行通信。 系統主要由硬件系統和軟件系統組成，硬件系統主要有宿主機(HostPC)、目標機(TargetPC)、數據采集卡。軟件系統包括MATLAB、Simulink、RTW、xPCTarget、C編譯器等。 (1)宿主機(HostPC) 宿主機主要用于運行simulink建立模型文件，進行模型參數調整、模型的編譯下載以及信號觀測。由于xPCTarget采用宿主機(HostPC)和目標機(TargetPC)分離的雙機模式。宿主機和目標機之間有串口和以太網兩種通信方式。本文采用速度快，距離遠的以太網方式。由于要對通訊設備進行配置生成啟動軟盤。因此要求宿主機包含3.5英寸的軟驅和以太網適配卡。采用Windowsxp操作系統，硬件配置要求不高，可正常運行MATLAB程序即可。基于上述條件我們選用普通臺式機即可。 (2)目標機(TargetPC) 目標機用于執行生成的代碼，目標機在使用過程中只需開關機操作即可，此目標機采用硬盤啟動方式，較之通用的軟盤或光盤啟動更穩定，啟動速度快。為了制作啟動盤和試驗數據采集，目標機應安裝了Windows XP和DOS 7.1系統，并且系統盤為FAT32文件系統。基于上述條件本文采用Advantech工控機。 (3)數據采集板卡 本文采用的是Advantech PCL-818H采集卡。PCL-818H是一款100KHz的多功能數據采集卡，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轉換、D/A轉換、數字量輸入、數字量輸出及計數器/定時器功能。模塊性能特點如下： 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 轉換類型：逐次比較型A/D轉換 轉換速率：最大100KHz精度：±0.01%(讀取值)，±1位 線性度：±1位 觸發模式：軟件觸發、Pacer觸發和外部觸發 數據傳輸：程序控制、中斷方式和DMA方式 經過以上對EHB系統執行機構和電子控制單元的設計，及其元件的選型，建立起實驗臺如圖3.12所示。 |
