分析电子汽车限速器的技术原理

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我国每年有数十万起交通事故发生，如果汽车限速器能够普及，将会降低交通事故发生率，从而挽回不必要的财产和生命损失。
与近期在市场上热销的电子狗产品相比，汽车限速器更具有主动规避事故的优势，电子狗只是在接近超速测试探头时才提醒驾驶者控制车速。汽车限速器通常分为两大类：一种是在车辆超速时发出语音警报，提醒驾驶者减速；另一种是在车辆超过限定速度后，通过车载电脑发出指令，强制控制车辆行驶速度。第1种限速器只起到警示作用，而第2种汽车限速器将更为有效地降低交通事故。因此，本文着重介绍了第2种限速器的实现原理及设计方法。
1 限速器实现原理
由于早期的汽车是没有限速功能的，所以在设计时要同时考虑到汽车出厂前安装与售出后安装两个不同层面的需求，限速器应具备灵活的安装方式，不破坏汽车的完整性和可靠性。为了设计出这样的限速器，首先需要了解汽车油门系统的工作原理。
一般的电子汽车油门系统包括：油门踏板、踏板传感器、电子控制单元（ECU）、电机、节气门机构，如图1所示。驾驶员根据驾驶所需的功率踩踏油门踏板，油门踏板位置传感器将采集到的油门踏板位置信号转化为电信号，并将其传给电子控制单元，由电子控制单元通过电动机实现对节气门的调节，实现节气门的完全电子控制。

  
分析组成汽车电子油门系统的几个环节后，在踏板传感器与ECU这两个环节之间插入限速控制是最易实现的，同时也具备了出厂前安装与售出后安装的条件，因此本文的限速控制设计方案就在踏板传感器和ECU这两个环节之间实现。插入限速器的电子油门系统模型如图2所示，图中虚线框所示的部分即是所设计的限速器。

限速器可通过键盘和显示等人机界面预置速度上限值Vm。当启动限速器工作后，图2中的1和3通路连通。限速器检测踏板传感器传递给它的电信号经IIR滤波后得Ux。由于本限速器尽可能地不破坏汽车原有的结构，因此采用油门的开度来判断汽车行驶速度，但是速度的变化滞后于油门的变化，即油门的变化量并不能直接地表征行驶速度变化量。所以本限速器采用自学习算法，通过较长时间段监测油门的前后变化情况以及前一时间段油门所处的稳定状态（如匀速或停止），判断驾驶者的操作意图，得出相应的行驶速度值Vx。将Vx与预置的速度上限值Vm比较。

图3所示为速度控制状态曲线图。假设Vx由0开始逐渐增大，在未达到Vm时，Vy曲线和Vx曲线完全重合。当Vx >Vm时，Vy的值不随着Vx的增大而增大，保持等于Vm不变。

插入限速器后的电子油门系统，驾驶员可以根据需要选择是否需要限速功能。当驾驶员选择了限速功能后，在不超速情况下，与原有的电子油门系统工作方式是相同的,最大程度地保证了原有系统的完整性。在设计中，限速器中的触点1和触点2为常闭开关,使限速器在不能正常工作的情况下，能保证电子油门系统仍能正常工作，保证系统工作的可靠性。
2 限速器的硬件设计
从限速器的实现原理分析，限速器必须具备以下功能：
(1)模拟信号采集、信号处理和信号输出
限速器需要采集油门踏板传感器的电信号，故需具备模拟信号采集功能，并对采集的信号进行滤波、计算等处理；同时，限速器根据采集信号处理后的结果，输出相应的电信号提供给ECU，故需具备模拟信号输出功能。
(2)控制电路
限速器根据用户的指令或在某些不正常的状态下，需要实现限速器工作模式、报警器工作模式和关闭模式的功能。限速器在工作模式时，不但需要监测油门踏板传感器信号，同时要根据踏板传感器信号和预置的速度上限值Vm，实现限速控制；处于报警工作模式时，只需监测油门踏板传感器信号，结合预置的速度上限值Vm，实现超速时报警。
(3)人机交互功能
限速器需具备显示、键盘、语音报警输出等人机交互方式功能。
根据上述功能需求，限速器的功能框图如图4所示。

为了满足上述功能需求，限速器的核心本设计选用具有强大功能的MSP430F169单片机，其内置有高速的12位ADC和DAC，能单片实现限速器的功能，无须再扩展外部模块，即可提高系统运行的可靠性，降低系统成本，非常符合限速器的功能需求。

实现限速器功能的主要模块分析如下：
(1)信号处理单元
油门踏板传感器实际上是一个角度传感器，可提取瞬间油门踏板的位置信号，并将其转化为电压信号传递给发动机控制器。以磁阻式油门踏板传感器为例，为了将角度变化转化为电压信号，磁阻元件往往做在同一块基片上接成三端式结构，且在片上一定高度处放一半圆形的磁钢，其结构如图5所示。当主轴带动磁钢旋转时，磁阻元件MR1、MR2的电阻值随通过它们的磁通量Φ的变化而变化,从而有电压信号从两个磁阻元件中点输出,经过后面信号处理电路对此输出的电压信号进行放大。通过调节后级放大电路的放大倍数，可以得到所需要的、大小合适的电压信号，其等效电路如图6所示[1]。

  
根据油门踏板传感器的工作原理，限速器信号处理原理图如图7所示[2]。踏板传感器输出的电压信号经过运算放大器降低输出阻抗,然后输入到MSP430F169的ADC输入脚A3,利用MSP430F169内部的12位ADC完成模数转换，实现模拟信号的采集。限速器将踏板传感器的电信号采集后，用IIR滤波算法对其进行滤波，进行自学习算法计算、处理后，得到汽车行驶速度Vx，并与设定的限速值Vm比较,以比较的结果决定输出模拟信号输出的大小。输出信号通过MSP430F169的D/A输出引脚DAC0输出,利用MSP430F169内部的12位DAC实现数模转换，并通过运算放大器提升输出模拟信号的驱动能力。



(2)语音报警单元
语音报警原理图如图8所示。为了保证行驶的安全性和平稳性，必须在汽车停止状态下才能启动限速器或关闭限速器，因此配有语音报警器，以起到有效的提醒作用。该限速器使用带功放的ML22865语音芯片，其芯片的SCL、SDA、(CBUSYB)脚分别接至MSP430F169的I/O口P5.2~P5.4,报警器的SPM、SPP脚接扬声器。



(3)数据存储单元
限速器的数据存储原理图如图9所示。限速器要能设定速度上限值，以及提供给自学习算法所需的大量的存储空间,因此必须具备数据存储功能,本设计使用24LC512存储器。



(4)键盘和显示单元
利用MSP430F169的P3.4~P3.7实现4个独立按键，功能分别为限速器开关键、数值增加键、数值减少键以及确认键。显示单元使用4个8段数码管显示，显示4位的限速值。显示数据通过MSP430F169的P1口提供。MSP430F169的P2.0~P2.3口作为数码管的控制口，为了节省能耗，数码管只有在按下键盘时才点亮，当30 s内不再操作键盘时数码管熄灭。

3 限速器的软件设计
限速器的软件设计流程图如图10所示。为了保证行驶的安全性和平稳性，必须在汽车停止状态下才能启动或关闭限速器。限速器工作过程如下：通过按键中断程序判断是否有启动或关闭限速器的按键，如果有按键信号，限速器根据主程序采集的踏板传感器电信号，判断是否有油门踏板动作，如果有踩下油门踏板，语音报警，此操作无效；如果无踏板动作，再次提醒是否处于行驶状态，并且设置5 s延时，并再次按下该按键，才能将限速器开启或关闭。如果判断是关闭限速器按键，则关闭限速器，并设置关闭状态，且将该状态信息传递给主程序；如果是启动限速器，则开启限速器工作，并设置开机状态，且将该状态信息传递给主程序。在主程序循环中，首先采集踏板传感器信号并通过IIR滤波判断是否有踏板动作并将该信息反馈给键盘中断程序，然后判断是否有设置速度上限值按键。如果有，则设置相应的速度值Vm，并存储在存储器中；如果没有，则读入踏板传感器的电信号A/D值Ux，Ux通过自学习算法得出行驶速度值Vx。


4 测试实验
(1)限速器开启瞬间信号振荡测试实验
为了检测限速器开启瞬间工作的可靠性，抽样5台限速器做实验，观察ECU输入信号(图2中“1”点处信号)。主要测试项目为：限速器开启到稳定所需时间(如图11中的t2-t1)、开启瞬间信号的最大振幅(如图11中的Umax~Umin)、测试所得到数据如表1所示。实验结果表明,开关切换时间在1 ms以内，根据ECU电气特性，信号的干扰在5 ms以内，能够被平滑处理。而电压振幅也在ECU允许的范围内，因此开关的过程是可靠的。

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(2)限速器输出信号跟随输入信号变化滞后测试实验
IIR滤波算法及自学习算法会导致输出信号滞后与输入信号。本实验中MSP430F169的运行速度为8 MIPS。为了测试滞后影响，本实验通过检测限速器输出信号跟随踏板传感器信号变化的情况来测试其影响性。主要测试项目为：当踏板传感器的信号从U1值变到U2值时，踏板传感器信号达到稳定状态所需的时间t1，限速器输出信号达到稳定状态所需的时间t2, t2-t1的差值以及稳定状态时两电路值ΔU如图12所示,通过测试得到数据如表2所示。实验结果表明时间差t2-t1为10 ms左右，这个时间人的操作是感觉不到的;电压的误差ΔU在3 mV以内，电压的影响可以被忽略。因此时间的滞后及电压误差不会影响限速器的性能。

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本文所介绍的汽车限速器安装灵活，不破坏汽车的完整性和可靠性，可以从根本上解决汽车超速问题，可极大地减少恶性交通事故，该装置推广应用，随着汽车消费品不断普及以及消费者安全意识的不断增强，汽车限速器在未来必将会有广阔的市场。