汽车电子液压制动系统跟随特性的实验研究 ----汽车 EHB 系统的硬件设计(四)

admin

3.3 EHB控制系统的设计
          EHB控制系统中硬件部分主要包括以下内容：控制单元ECU设计、输入通道设计、输出通道设计、电源系统设计和数采系统设计。
       
        3.3.1控制系统整体结构设计
          根据控制系统ECU单元的结构，确定其硬件组成如图3.10所示，包括：单片机、电源模块、传感器信号处理模块、控制输出调理模块及驱动控制模块等部分。这些模块构成了ECU的完整控制系统。其中驱动模块包括对EHB系统中电磁阀的驱动模块，以及对高压蓄能器环节中电机泵的驱动模块，这两块直接作用于车辆制动系统中的制动轮缸。下面的章节中我们将对每部分进行研究。
       
        3.3.2系统处理芯片的选用
          汽车EHB系统是一种计算机控制系统，其核心部分是电子控制单元ECU.它一方面将采集到的传感器信号A/D转换成数字信号输入到计算机中去进行分析处理，另一方面要将控制信号通过D/A转换成数字信号输出到外部的驱动系统中，而电子控制单元内部CPU通过软件编程来实现各种控制算法，所以电子控制单元是控制系统的重要部分。
       
        目前制动系统采用的单片机是摩托罗拉、英特尔、西门子、英飞凌、飞思卡尔等公司的的16位单片机。EHB系统要求较高数据处理速度，处理器需要完成各种计算，例如加减速度、参考滑移率等。
       
        根据EHB的特性要求，所选用的中央处理器是飞思卡尔公司推出的16位单片机MC9S12,功能强大的片上外设子系统和片上存储器单元完美结合，具有更高的集成度、更丰富的片上资源和更强的处理能力，有助于提高系统性能、减小体积和降低成本。同时，它进一步增强了灵活的功率管理。该功率管理机制有效控制了微控制器在特定状态下的功耗，有效降低了系统总功耗，可长期使用，可靠性高。
           
         
           
          MC9S12系列微控制器的特点：
          （1）核心CPU：16位的CPU，它管理着MC9S12DG128和外部所有设备的活动，通过芯片的内部总线与MCU各个功能模块通信，通时通过外部总线与系统外设进行通讯。CPU中有6个寄存器，13种寻址方式和400多条指令，内部16为数据通道支持高效、快速的算术操作。
         
        （2）存储器：内部有128KB的Flash EEPROM，2KB的EEPROM，8KB的RAM.
           
          （3）时钟和复位发生器（CRG）：包括锁相环时钟频率放大器、看门狗、实时中断（RTI）和时钟监视器（CM）。
         
        （4）带中断功能的8位和4位端口：可编程的上升沿或下降沿触发。
         
        （5）A/D转换接口：2个8通道的10位A/D转换器，连续转换模式，可编程采样时间，多通道扫面方式，拥有外部转变触发控制，转换完成中断等功能。
         
        （6）CAN总线模块：集成了3个CAN控制器—MSCAN12模块，兼容CAN2.0A/B，数据传输速率达1Mb/s，具有5个接收缓冲器，3个发送缓冲器，4个独立的中断通道，具有低通滤波器唤醒功能。
         
        （7）增强型捕捉定时器（ECT）：该定时器的可编程计数器为16位，有8个可编程输入捕捉或输出比较通道，4个8位或2个16位的脉冲累加器。四个定标器的16位递减模数计数器。
         
        （8）脉宽调制模块（PWM）：有8个输出通道，通过外部编程确定每个通道的周期和占空比，各通道各有一个计数器，可独立控制，8个8通道也可做16个4通道使用，时钟频率可调范围宽，有4个时钟源可选择，周期和脉宽可以被双缓冲。各个通道可分别设置中心对称或左对齐输出，可作为中断输入，有紧急事件可以关断输入。
         
        （9）串行口、总线：芯片内部提供2个同步串行设备接口（SPI），并具有以下特点：全双工、三线同步传送；单个数据引脚的双向传送方式；主机位传送频率最大4MHz，当MCU总线频率等于8MHz时最小为31.25kHz；可程控设置位时钟极性、相位和数据位传送顺序，即可选高位在前或低位在前。2个全双工异步串行通信接口（SCI）。
         
        （10）EEPRO模块与FLASH模块MC9S12XE/S内部集成了4KB的EEPROM存储器与256KB的FLASH存储器，具有单块和整块擦除、编程、灵活保护和安全功能、快速区域擦除和字编程模式特点。
         
        （11）LQFP-112和QFP-80封装选择：DG128芯片具有5V的输入和驱动能力，它的CPU工作频率可高达50MHz，总线频率也可达到25MHz，并可以支持背景调试模式（BDM）。
       
        实际工作时需要采集侧向加速度传感器、车速信号和方向盘转角信号，传感器工作时存在各种干扰，其输出的信号存在着各种噪声信号，为了保证信号的可靠性需要对传感器信号进行滤波处理。硬件电路设计时采用结构简单并且效果较好的π型滤波。
       
        3.3.3电源系统的设计
          由于车载蓄电池的电压通常为12 V，对于EHB系统中的飞思卡尔单片机而言需要5V以及2.5V的直流稳定电源。本设计中采用LM2940电源转换芯片。其封装采用TO-220-3的形式。其允许工作电压温度-65℃~150℃，输入电压为26V，输出可调电压范围1.24V~26V最大输出电流为3.5A，电压输出误差小于1%，这样的电源系统足够满足ECU中MC9S12XE/S对电源电压的需求。
       
        3.3.4系统输入通道设计
          根据EHB系统中所涉及的各个传感器的基本类型，主要有开关量输入信号传感器、脉冲量输入信号传感器、模拟量输入信号传感器等三大类。
         
        （1）开关量输入信号
          开关量主要指常规制动情况下的主动控制功能，驾驶员可以通过脚踏板行程开关选择是否启用这一功能，因此是一种主动控制功能。
       
        （2）脉冲量输入信号
          脉冲量输入信号有：轮速传感器脉冲信号。使用定时器T2和捕获寄存器测量两个上升沿（或下降沿）的时间间隔。由于采集进来的现场信号，容易受到环境干扰等因素影响，不能直接输入单片机处理，为了抗干扰，开关量和脉冲量输入经过光电耦合器TLP521与MC9S12单片机连接。TLP521是直流输入NPN输出的光电耦合器在电隔离的情况下，以光电转换原理传输信息，能有效抑制系统噪声TLP521内部结构由发光二极管和光敏三极管组成。工作时，把输入信号加到输入端，发光二极管产生红外光，光敏三极管接收光后，其集电极与发射极导通，实现电—光—电的转换。TLP521主要用于工业控制中，速度不高，主要用来隔离各开关量信号。
       
        （3）模拟量输入信号在EHB系统中，电控系统要求输入的模拟量有：制动油压力传感器，踏板行程传感器等，其输出的是模拟量信息，而系统只能处理数字量的信息，因此要对其进行模/数转换，即A/D转换。可以利用MC9S12单片机的A/D转换模块实现模数转换以及输入采样。由于滤波电路可以滤掉模拟信号中的高频成分，模拟量输入信号经过滤波电路与飞思卡尔MC9S12单片机的模拟量采样口相连。
       
        3.3.5系统输出通道设计
        系统输出通道的设计，就是对EHB系统执行机构的控制电路的设计。因此系统控制输出就包括：电磁阀驱动控制电路，电机驱动控制电路。
       
        单片机控制电磁阀开、闭的过程，就是控制电磁阀是否得电的过程。本设计利用的MC9S12输出的PWM信号作为输入，通过驱动MOSFET管使高速开关阀工作，电路中驱动电路采用BTS724G芯片，BTS724G芯片为N沟道垂直功率MOSFET管设计的高边开关驱动器。高边条件下可驱动负载电压为24V的MOSFET功率管。BTS724G具有可输入CMOS的兼容性、较高的电磁兼容性、感应负载的快速退磁性和较宽的工作电压范围5.5V~40V.BTS724G自身提供了嵌入式保护程序，当系统过载或电池接反系统自动关闭MOSFET.通过BTS724G芯片驱动电磁阀的开关，实现系统的增压、保压、和减压。
       
        电磁阀驱动控制电机的驱动控制电路是通过大功率MOS管来驱动控制液压泵电机，由液压泵电机带动液压泵，向高压蓄能器管路中注入制动时所需的高压油。图3.11是开发的ECU实物图
           
         
           
          3.3.6数据采集系统设计
          数据采集系统是EHB台架系统中很重要的一个模块，本文采用的数采系统是基于MATLAB/xPCTarget实时数据采集系统。xPC Target 是MathWorks公司提供和发行的一个基于RTW（Real Time Workshop）体系框架的附加产品，用于产品原型开发、测试和配置实时系统的PC机解决途径。xPCTarget采用了从宿主机到目标机的技术途径，即“双机”模式，两机通过以太网或串口进行通信。
       
        系统主要由硬件系统和软件系统组成，硬件系统主要有宿主机（HostPC）、目标机（TargetPC）、数据采集卡。软件系统包括MATLAB、Simulink、RTW、xPCTarget、C编译器等。
       
        （1）宿主机（HostPC）
        宿主机主要用于运行simulink建立模型文件，进行模型参数调整、模型的编译下载以及信号观测。由于xPCTarget采用宿主机（HostPC）和目标机（TargetPC）分离的双机模式。宿主机和目标机之间有串口和以太网两种通信方式。本文采用速度快，距离远的以太网方式。由于要对通讯设备进行配置生成启动软盘。因此要求宿主机包含3.5英寸的软驱和以太网适配卡。采用Windowsxp操作系统，硬件配置要求不高，可正常运行MATLAB程序即可。基于上述条件我们选用普通台式机即可。
           
          （2）目标机（TargetPC）
        目标机用于执行生成的代码，目标机在使用过程中只需开关机操作即可，此目标机采用硬盘启动方式，较之通用的软盘或光盘启动更稳定，启动速度快。为了制作启动盘和试验数据采集，目标机应安装了Windows XP和DOS 7.1系统，并且系统盘为FAT32文件系统。基于上述条件本文采用Advantech工控机。
       
        （3）数据采集板卡
          本文采用的是Advantech PCL-818H采集卡。PCL-818H是一款100KHz的多功能数据采集卡，能够提供最常用的五种测量和控制功能，这些功能包括：12位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器/定时器功能。模块性能特点如下：
           

       

•                 通道：16路单端或8路差分输入范围：        
  
•                 双极性：±0.625V，±1.25V，±2.5，±5V，±10V        
  
•                 输入过载电压：±30VDC        
  
•                 转换类型：逐次比较型A/D转换        
  
•                 转换速率：最大100KHz精度：±0.01%（读取值），±1位        
  
•                 线性度：±1位        
  
•                 触发模式：软件触发、Pacer触发和外部触发        
  
•                 数据传输：程序控制、中断方式和DMA方式
  

           
         
           
          经过以上对EHB系统执行机构和电子控制单元的设计，及其元件的选型，建立起实验台如图3.12所示。