基于MC9S12DP256B的汽车防抱死系统设计

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1前言

随着汽车行驶速度的提高，道路行车密度的增大，对于汽车行驶安全性能的要求也越来越高。汽车的防抱死制动系统(ABS)应运而生，它是以传统制动系统为基础，采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种机电一体化系统。

2基于双CPU结构的防抱死系统

ABS系统设计中主要考虑以下几个问题：首先，由于ABS系统直接关系车辆的安全性能，因而它的故障问题显得极为重要，系统必须保证能及时检测故障并准确判断故障点；其次，ABS系统通常包含电磁阀等感性负载，驱动电流很大，需要适当的驱动电路；此外，为了便于ABS系统与车辆上其他系统进行通信，系统需要预留通信接口。

本文以原有的四传感器四通道(4S/4M)ABS电子控制单元为基础，开发了一个带有故障自检的气压ABS。设计中采用MCU+CPLD的双CPU结构，系统结构如图1所示。

　　                                        图1ABS系统结构框图

控制CPU采集轮速信号，然后根据设定的减速度和滑移率门限值进行路面识别及制动控制，另外它还负责对轮速传感器进行静态检测。安全CPU(CPLD)则主要负责ABS系统的故障检测工作，判断故障部位，并将相应的故障码传输给控制CPU。产生故障后，由控制CPU统一对故障状态进行处理，包括中断ABS功能，恢复至常规制动，点亮故障显示灯，并将相应的故障代码存储在E2PROM中，需要时可随时通过CAN通信端口传输到上位机或车上其他电子控制系统。

3系统硬件设计

ABS系统故障主要为电磁阀故障、轮速信号采集系统的故障、制动管路压力信号采集系统的故障、电源故障和控制器故障。本系统针对这些故障均给出了相应的诊断电路。

4 MC9S12DP256B和CPLD概述

MC9S12DP256B是基于16位HCSl2CPU及0.25?m制造工艺的高速、高性能5.0VFLASH微控制器。该单片机使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较同类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境。并且包含定时器、A/D转换、PWM输出、CAN通讯、E2PROM、SPI、SCI等多个模块，资源丰富，满足系统功能的开发要求。

系统中的CPLD采用XC9572TQ100，此款芯片支持扩展工业温度范围。它不仅工作温度范围更大，从-40℃~+100℃，而且还符合汽车业界特有的质量认定标准。此外，该芯片的门数和I/O数均符合设计要求，并留有功能扩展的余地。

5 数字输入通道诊断电路

轮速输入信号正确与否直接影响到ABS系统的工作。为此特地在信号处理电路之前加设数字开关，便于系统检测电路板数字输入通道。采用输入模拟法，由安全CPU(CPLD)向数字通道发出一组标准方波信号输入到控制CPU的输入捕捉端口进行测量。具体电路如图2所示。

                                             图2电路板数字输入通道诊断电路

CPLD产生DETECT信号控制数字开关CD4066的通断。ABS上电自检时，DETECT为“0”，开关断开，轮速信号被屏蔽，此时由CPLD产生事先定义好的标准方波(频率为100Hz，即每个计数周期(0.1s)10个脉冲)并输出给主CPU。主CPU通过ECT口捕捉方波进行测量与计算，经与定义的该标准波的频率比较后，如果结果一致则说明数字输入通道正常，否则说明有故障出现。检测完毕，一切正常后，DETECT变为“1”，开关接通，轮速信号经过信号整形放大单元、由CPLD输出至控制CPU。

6电磁阀驱动及其故障检测电路

汽车制动系统中电磁阀的工作电流为1.5~2.5A，而微控制器的输出电流远达不到这一要求，因此采用Freescale公司的高端驱动芯片MC33289来实现电磁阀的驱动。单通道的控制电路如图3所示。

                                              图3电磁阀驱动及故障检测电路

由于MC33289的自检功能，应用时可将St引脚直接与CPU相连，一旦电磁阀出现故障，如短路或断路，St即自动置低，CPU接收到信号后立刻停止ABS功能，点亮故障显示灯，同时将相应的故障代码以中断的形式传输给控制CPU。对电磁阀驱动状况的检测通过比较MC33289的输出OUT与输入IN来完成。在正常情况下同一路的两个逻辑值应相等，同时为“1”或“0”；若不相等，则说明驱动芯片出现故障，CPU必须中断ABS功能，点亮故障显示灯并传输故障码。


7 故障码存储及传输

MC9S12DP256B自带4KB的E2PROM，地址从0x400到0xFFF。无须外扩E2PROM，可用于对故障码的存储，便于数据长期保存。

擦、写操作前必须通过设置E2PROM时钟分配寄存器ECLKDIV，将模块时钟配置在150KHz至200KHz之间。系统中的晶振为16MHz，总线频率8MHz，经计算，取ECLKDIV=0x4A，即预分频因子PRDIV8=1，分频因子EDIV[5:0]=001010，模块的时钟为182KHz。

因为每次写操作均以字进行，所以为安全起见，擦除时每次擦两个字。擦除操作的时序与写操作完全相同，只不过相应地址写入的数据均为“0”。

此外，系统结合自身CAN模块，选用Philips公司的PCA82C250，设置了CAN的接口电路，便于故障码的传输。接口电路如图4所示。

                                            图4CAN接口电路

系统中的其他电路，像轮速信号处理电路、传感器静态检测电路、电源监控电路等由于篇幅所限，在此不作详细介绍。

8 系统软件及VHDL语言设计

系统的控制CPUMC9S12DP256B用C和汇编语言进行开发，而CPLD用VHDL语言进行编程。

MC9S12DP256B程序的功能是：程序存储器及数据存储器的自检；对轮速传感器进行静态、动态检测；采集轮速信号，计算出车轮速度和减速度，根据控制逻辑输出制动压力调节信号；实时存储故障代码；CAN通信。

CPLD程序的功能是：控制数字开关CD4066的通断；检测数字输入通道；监测电磁阀驱动芯片和电磁阀的工作状态；向控制CPU传送故障情况。CPLD的设计由四个步骤组成：设计输入、实现、校验和芯片编程。设计中采用VHDL语言文本输入，经综合、仿真、实现后通过并行线缆下载至Xilinx芯片中。图5和图6分别是系统控制CPU及CPLD的流程图。

                                                         图5控制CPU流程图

                                                      图6CPLD流程图

9 结语

本系统以其独特的双CPU结构，集防抱死制动、系统故障检测于一体，同时能实现对故障码的传输。同时双CPU均预留了一定的输入/输出端口，为进一步扩展汽车电子控制装置的功能提供了可能。