ARM嵌入式汽車節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、日期：2008-12-3 12:51:00ARM嵌入式汽車節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于各種原因，公交車總是不斷重復(fù)加速-減速或停車-再加速的過程 通過加裝本節(jié)能裝置，當(dāng)汽車需要制動(dòng)時(shí)，在主控單元的控制下，可將汽車行駛時(shí)具有的巨大動(dòng)能通過空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)化成高壓氣體的勢能并儲(chǔ)存起來，從而實(shí)現(xiàn)汽車減速或停車當(dāng)汽車需要啟動(dòng)或加速時(shí)，用儲(chǔ)存起來的高壓氣體勢能代替燃油來驅(qū)動(dòng)汽車，從而實(shí)現(xiàn)汽車能量的回收再利用，達(dá)到節(jié)能的效果同時(shí)由于汽車在起動(dòng)或加速時(shí)能耗最大，如果汽車是用燃油驅(qū)動(dòng)，則此時(shí)油料燃燒不充分，燃燒效果最差，而且產(chǎn)生的噪音最大 系統(tǒng)工作原理 本系統(tǒng)主要由三部分組成，即檢測部分，控制部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測部分包括

2、踏板位置傳感器、曲軸位置傳感器、壓縮機(jī)活塞位置傳感器、汽車運(yùn)行速度傳感器、儲(chǔ)氣罐壓力傳感器等信號的檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括雙向可控電磁閥和電磁離合器控制部分主要由ARM微處理器組成的控制系統(tǒng)及一些外圍電路構(gòu)成本文主要介紹該系統(tǒng)的控制部分該裝置的作用就是將剎車時(shí)本應(yīng)由摩擦來消耗掉的汽車動(dòng)能，改為由氣體的勢能來消耗，在啟動(dòng)時(shí)，利用剎車時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)儲(chǔ)存的高壓氣體勢能來驅(qū)動(dòng)汽車行走，當(dāng)車速到達(dá)一定值如20km/h時(shí)，再切換到由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的模式 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 由于該節(jié)能裝置需檢測的模擬量較多，如儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力、制動(dòng)踏板的位置、車速、活塞運(yùn)行位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù)，而且有些是需實(shí)時(shí)監(jiān)控的，如儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力

3、等，需要使用多任務(wù)執(zhí)行方可實(shí)現(xiàn)，而普通單片機(jī)無法滿足這一要求因此需根據(jù)實(shí)際情況，選用合適的處理器芯片，加上各種數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)芯片構(gòu)成最小系統(tǒng)同時(shí)，增加數(shù)據(jù)采集、顯示、通信接口、控制執(zhí)行單元和電源管理模塊等，來組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)由于目前汽車應(yīng)用CAN現(xiàn)場總線比較廣泛，因此，為了與汽車的控制系統(tǒng)連接的方便，還增加了CAN總線接口，由此構(gòu)成了整個(gè)硬件系統(tǒng)系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示 圖1 系統(tǒng)框圖 S3C44BOX 由于設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)能隨車采集信號，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對主控模塊的要求較高，因此主控制模塊應(yīng)當(dāng)是以高性能的微處理器為核心而組成的一個(gè)最小系統(tǒng)根據(jù)具體應(yīng)用的要求，實(shí)際應(yīng)用的反映情況，選用了Sam

4、sung公司的ARM芯片S3C44BOX，其主要性能如下： Samsung公司推出的16/32位RISC處理器S3C44BOX為一般類型的應(yīng)用提供了高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案為了降低成本，S3C44BOX提供了豐富的內(nèi)置部件，包括:8KB的Cache，內(nèi)部SRAM LCD控制器，帶自動(dòng)握手的2通道DART 4通道DMA，系統(tǒng)管理器(片選邏輯，F(xiàn)P/EDO/SDRAM控制器)，帶有PWM功能的5通道定時(shí)器，I/O端口，RTC 8通道10位ADC，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，同步SIO接口和PLL倍頻器 S3C44BOX的突出特性是它的CPU核，是由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位

5、ARM7TDMI RISC處理器(66MHz)ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是它集成了Thumb代碼壓縮器，ICE (In Circuit Emulator)斷點(diǎn)調(diào)試支持，和一個(gè)32位的硬件乘法器 數(shù)據(jù)采集單元 數(shù)據(jù)采集單元的作用就是對需要的模擬信號進(jìn)行采集、處理后送到處理器進(jìn)行處理在該單元中，核心是對模擬信號的調(diào)理由于系統(tǒng)要采集到汽車的儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)、制動(dòng)踏板的位置數(shù)據(jù)、車速、離合器切合位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù)，因此需要多路數(shù)據(jù)采集通道各通道的數(shù)據(jù)必須完成信號的調(diào)理后，才能送到處理器進(jìn)行處理該采集單元的信號采集通道框圖如圖2所示 圖2 信號采集通道 控制執(zhí)行單元 控制執(zhí)行單元的功能主要是

6、接收處理器發(fā)出的數(shù)字量，經(jīng)過隔離及驅(qū)動(dòng)后，送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)如電磁閥、繼電器、離合器等來使行相應(yīng)的動(dòng)作功能框圖如圖3所示 圖3 控制執(zhí)行單元 這一級相對來說較為簡單，但為了防止外界對系統(tǒng)的干擾，須采用隔離隔離器件采用普通的光電禍器即可，系統(tǒng)中采用TLP521-1 數(shù)據(jù)顯示模塊 在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，使得調(diào)試更為方便、直觀，因此增加了數(shù)據(jù)顯示模塊S3C44BOX集成了LCD (Liquid Cristal Display)控制器，該控制器支持在LCD上的單色、4級、16級灰度、256色的顯示，具有很強(qiáng)的通用性，S3C44BOX的LCD控制器的作用是將緩存中的數(shù)據(jù)傳送到外部的LCD驅(qū)

7、動(dòng)器，并產(chǎn)生必須的LCD控制信號LCD控制器可以編程支持不同水平和垂直點(diǎn)數(shù)(640480，320240，160160等)、不同數(shù)據(jù)線寬度、不同接口時(shí)序和刷新速率的LCD，支持4位雙掃描、4位單掃描、8位單掃描模式，并支持水平/垂直滾動(dòng)，以用來支持更大的屏幕顯示(如1280 1280) 由于不同尺寸的LCD具有不同數(shù)量的垂直和水平象素、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)寬度、接口時(shí)間和刷新率，S3C44BOX中的LCD控制器可以對相應(yīng)的寄存器值進(jìn)行編程，以適應(yīng)不同的LCD顯示板LCD控制器邏輯框圖如下圖4所示 圖4 LCD控制器邏輯框 電源模塊 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由外部供給系統(tǒng)單一的9V電源，通過三端穩(wěn)壓AS1117

8、-5.0 AS1117-3.3和AS1117-2.5，分別得到5.0V 3.3V以及2.5VAS1117系列穩(wěn)壓器最大能提供800mA電流，由于本系統(tǒng)功耗較低，最大需求電流不超過300mA，因此用AS1117足以滿足系統(tǒng)的供電需求另外的兩套15V電源由DC/DC變換器供給考慮到系統(tǒng)中有數(shù)字電路和模擬電路，由于數(shù)字電路的電流變化較快，容易產(chǎn)生脈沖干擾，從而影響模擬信號的采樣精度，因此應(yīng)把數(shù)字地和模擬地分開 調(diào)試接口 S3C44BOX內(nèi)嵌JTAG測試電路，使得調(diào)試起來非常方便JTAG是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封

9、裝了專門的測試電路TAP (Test Access Port，測試訪問口)，通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試JTAG測試允許多個(gè)器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對各個(gè)器件分別測試JTAG接口還常用于實(shí)現(xiàn)ISP(In System Programmable)功能，如對Flash器件進(jìn)行編程等 目前JTAG接口的連接有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口，在本設(shè)計(jì)中，采用的是14針的接口該接口主要通過下載電路與計(jì)算機(jī)的并行口相連，在集成開發(fā)環(huán)境之下，使用相應(yīng)的JTAG下載代理軟件就可以用來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，而不需專門的仿真器，這樣可以降低開發(fā)的成本 通信單元 在系統(tǒng)

10、設(shè)計(jì)中，考慮到數(shù)據(jù)傳送、下載以及調(diào)試的方便，增加了串行通信RS-232C接口另外，考慮到系統(tǒng)升級的方便，以及為了與現(xiàn)在流行的汽車總線接口的方便，增加了CAN現(xiàn)場總線的接口 本系統(tǒng)中選用MAX232MAX232可以實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換由于在實(shí)際應(yīng)用中，器件對電源噪聲很敏感，因此MAX232的VCC引腳必須要對地加0.lmF去耦電容，另外，為提高抗干擾能力，添加了四個(gè)l0mF電容，在連接在內(nèi)部電源引腳輸出端MAX232芯片第7 8引腳接入分別到串行口的第3 2引腳;9 10引腳接處理器的RXD TXD引腳，實(shí)現(xiàn)與處理器的連接 需要注意的是，MAX232是5V器件，而處理器芯片

11、是用的是3V供電，因此需要考慮電平轉(zhuǎn)換，否則將無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)由于Maxim公司已經(jīng)注意到這點(diǎn)并推出了專用3V供電的器件MAX3232C，利用它就可以無需考率3V到5V的電平轉(zhuǎn)換問題MAX3232C與處理器的接口電路如圖5所示 圖5 RS-232C與處理器的通信接口電路 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中，主程序是整個(gè)程序的核心，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)的運(yùn)行、控制的主要任務(wù)，需要對其控制流程進(jìn)行仔細(xì)考慮，以完成所需的控制要求 在程序開始時(shí)，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初步的初始化之后，采集各種數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否正常，如果正常，則顯示數(shù)據(jù)并等待中斷，根據(jù)中斷轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序如果數(shù)據(jù)不正常，則通過報(bào)警來提示用戶檢查數(shù)據(jù)，直到

12、數(shù)據(jù)正常才執(zhí)行其他程序如果一切正常，且沒有剎車和啟動(dòng)等控制，則可以與其他設(shè)備進(jìn)行通信等操作具體的流程見圖6所示 圖6 系統(tǒng)總程序流程圖 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì) 要達(dá)到良好的系統(tǒng)控制效果需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常注意它的抗干擾性和可靠性本系統(tǒng)由于采用高速ARM作為核心處理器，它的高頻信號不僅容易受到干擾，而且也會(huì)成為系統(tǒng)的干擾源，因此有必要對整個(gè)系統(tǒng)，特別是ARM部分的抗干擾及保護(hù)做更多的處理 硬件部分，控制系統(tǒng)的電源及功率驅(qū)動(dòng)部分抗干擾措施主要就是從防和抗兩方面入手其總原則是：抑制或消除干擾源;切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道;降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性抗干擾設(shè)計(jì)的具體措施包括：隔離、接地、屏蔽、濾波等常用方法

13、軟件部分，本系統(tǒng)的軟件主要采用了以下幾種軟件抗干擾設(shè)計(jì)： 軟件陷阱法 測試系統(tǒng)在遇到外界干擾時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行程序進(jìn)入程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)(即無指令區(qū))，這種現(xiàn)象叫做程序跑飛于是在各子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處，都寫上連續(xù)3個(gè)空操作指令(nop)，后接一無條件轉(zhuǎn)移指令，一旦程序跑飛到這些區(qū)域，就會(huì)自動(dòng)返回執(zhí)行正常程序 程序的冗余設(shè)計(jì) 在程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)域，寫入一些重要的數(shù)據(jù)表和程序作為備份，以便系統(tǒng)程序被破壞時(shí)仍有備份參數(shù)和程序維持系統(tǒng)正常工作由于TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以數(shù)據(jù)頁為基準(zhǔn)，如果對不同數(shù)據(jù)頁的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作而不指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)頁，會(huì)導(dǎo)致程序跑飛因此需要對程序未使用

14、滿的數(shù)據(jù)頁進(jìn)行填充，防止數(shù)據(jù)頁混亂導(dǎo)致的系統(tǒng)誤操作 加裝了能量回收再利用裝置后，當(dāng)汽車在加速或重新起動(dòng)初期，可以利用存儲(chǔ)的高壓氣體驅(qū)動(dòng)汽車，不需要燃料，可以較少汽車尾氣對環(huán)境的污染因此，該裝置不僅可以節(jié)約能源，而且有利于環(huán)保42 液壓與氣動(dòng) 2010年第2期 液壓儲(chǔ)能再生裝置在汽車制動(dòng)中的應(yīng)用研究 林妙山，王玉群，胡文鋒 TheApplicationResearchofHydraulicAccumulatorRecyclable InstallmentforVihicleSBraking LINMiaoshan，WANGYuqun，HUWenfeng (海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 儋州 )

15、摘 要：該文介紹了車輛制動(dòng)能量回收與再利用方式的現(xiàn)狀，分析了各種方式的局限性。并針對液壓 儲(chǔ)能再生裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分論述了液壓儲(chǔ)能再生裝置在汽車制動(dòng)中的應(yīng)用研究。文中采用并聯(lián)混合裝置，對制動(dòng)能量進(jìn)行回收再利用進(jìn)行研究，對汽車的節(jié)能降耗具有深遠(yuǎn)的意義。 關(guān)鍵詞：制動(dòng)能量；回收；再利用；液壓蓄能器 中圖分類號：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1000-4858(2010)02-0042-03 0 引言 在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：飛輪儲(chǔ)能式裝置更適用于起 汽車的制動(dòng)能量至今還是一個(gè)未被開發(fā)利用的能 動(dòng)、制動(dòng)頻繁的大型車輛，其技術(shù)難點(diǎn)是高速飛輪的 量，特別是對于需要頻繁起動(dòng)和制動(dòng)的在市區(qū)行駛的 研制。

16、電化學(xué)儲(chǔ)能方式的制動(dòng)能量再生方法適用于各 汽車，制動(dòng)能量再生有重要意義。制動(dòng)能量再生是指 種車輛，目前被電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車所重 汽車減速或制動(dòng)時(shí)，將其中一部分機(jī)械能(動(dòng)能)轉(zhuǎn)化 視，其技術(shù)瓶頸是缺乏性能好、成本低的蓄電池或超 為其他形式的能量，并加以再利用的技術(shù)。制動(dòng)能量 級電容器。液壓儲(chǔ)能裝置可適用于各種類型的大小車 再生方法的基本原理是先將汽車制動(dòng)或減速時(shí)的一部 輛，在不改變傳統(tǒng)汽車底盤結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)的前提下， 分機(jī)械能(動(dòng)能)經(jīng)再生系統(tǒng)轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移為其他形式 通過在底盤上加裝一套液壓再生驅(qū)動(dòng)總成，使大部分 的能量，如旋轉(zhuǎn)動(dòng)能、液壓能、化學(xué)能等，并儲(chǔ)存于儲(chǔ) 通常被浪費(fèi)掉的制動(dòng)能量有效回

17、收儲(chǔ)存，并應(yīng)用于車 能器中，同時(shí)產(chǎn)生一定的負(fù)荷阻力使汽車減速制動(dòng)； 輛起動(dòng)和加速上，從而達(dá)到節(jié)約燃油、降低排放、減少 當(dāng)汽車再次起動(dòng)或加速時(shí)，再生系統(tǒng)又將儲(chǔ)存在儲(chǔ)能 發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器磨損的效果。 器中的能量再轉(zhuǎn)換為汽車行駛所需的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)力。汽 1 再生制動(dòng)過程中的能量分析 車上采用制動(dòng)能量再生技術(shù)，有助于提高汽車能源利 再生制動(dòng)就是要把傳統(tǒng)制動(dòng)器中浪費(fèi)的能量回收 用率，減少燃料消耗，減輕制動(dòng)器的熱負(fù)荷，減少磨 起來，制動(dòng)能量分為可回收能量和不可回收能量?？?損，提高汽車行駛的安全性和使用經(jīng)濟(jì)性。理論上， 回收能量是驅(qū)動(dòng)軸上的制動(dòng)能量，不可回收能量主要 汽車制動(dòng)能量再生方法根據(jù)不同的儲(chǔ)能機(jī)理可以分為 是汽車克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力所消耗的能量以及在 空氣儲(chǔ)能、液壓儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和電儲(chǔ)能等。儲(chǔ)能裝置 通過行星排或錐齒輪副與原機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)成雙流傳動(dòng)， 收稿El期：2009-0810 設(shè)法回收汽車制動(dòng)能量，然后在汽車起步或加速時(shí)釋 作者簡介：林妙山(1967一)，男，廣東省