曹景升

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)電子輔助制動(dòng)系統(tǒng)主要由駕駛員主觀(guān)意識(shí)對(duì)制動(dòng)進(jìn)行控制，車(chē)輛并不能根據(jù)車(chē)輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行輔助制動(dòng)控制，存在極大安全隱患的問(wèn)題，研究一種基于嵌入式的汽車(chē)輔助制動(dòng)系統(tǒng)。其主要由車(chē)輪速度檢測(cè)、車(chē)身加速度檢測(cè)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角檢測(cè)、制動(dòng)踏板壓力檢測(cè)、車(chē)身姿態(tài)檢測(cè)等信號(hào)檢測(cè)模塊、車(chē)輛制動(dòng)執(zhí)行模塊以及中央處理器和輔助接口模塊等組成。針對(duì)基于嵌入式的汽車(chē)輔助制動(dòng)系統(tǒng)的硬件組成、嵌入式系統(tǒng)通信方案和主要功能模塊等設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)敘述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 汽車(chē)輔助制動(dòng)； 車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)； CAN總線(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN876?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0064?0

汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于汽車(chē)的安全性至關(guān)重要，目前，車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械裝置的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)的瓶頸，幾乎做到了近乎完美，無(wú)可挑剔，因此需要通過(guò)電子輔助控制、液壓氣壓輔助制動(dòng)控制等方面進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和提高。電子輔助控制具有靈活性高、響應(yīng)速度快、精度高、系統(tǒng)體積小巧等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛關(guān)注和研究。目前廣泛使用的汽車(chē)輔助制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)采集制動(dòng)踏板狀態(tài)信號(hào)和4個(gè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，在中央處理器中按照預(yù)先設(shè)定的程序?qū)?chē)輛執(zhí)行相應(yīng)的制動(dòng)控制[1?5]。傳統(tǒng)方法主要由駕駛員主觀(guān)意識(shí)對(duì)制動(dòng)進(jìn)行控制，車(chē)輛并不能根據(jù)車(chē)輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行輔助制動(dòng)控制，如果駕駛員沒(méi)有預(yù)先意識(shí)到車(chē)輛可能存在的危險(xiǎn)則錯(cuò)過(guò)了及時(shí)制動(dòng)的時(shí)機(jī)，存在極大安全隱患，因此必須對(duì)電子輔助制動(dòng)進(jìn)行更深一步的研究，本文即研究一種基于嵌入式的汽車(chē)輔助制動(dòng)系統(tǒng)[6?8]。

1 汽車(chē)輔助制動(dòng)系統(tǒng)組成

針對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)輔助系統(tǒng)存在的不足之處，本文研究的基于嵌入式的汽車(chē)輔助制動(dòng)系統(tǒng)加入了車(chē)身姿態(tài)檢測(cè)、汽車(chē)加速度檢測(cè)以及方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度檢測(cè)功能模塊，使用4個(gè)獨(dú)立制動(dòng)控制模塊對(duì)4個(gè)車(chē)輛進(jìn)行分別制動(dòng)控制。汽車(chē)輔助制動(dòng)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 嵌入式輔助制動(dòng)系統(tǒng)組成

本文研究的基于嵌入式的汽車(chē)輔助制動(dòng)系統(tǒng)主要由車(chē)輪速度檢測(cè)、車(chē)身加速度檢測(cè)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角檢測(cè)、制動(dòng)踏板壓力檢測(cè)、車(chē)身姿態(tài)檢測(cè)等信號(hào)檢測(cè)模塊、車(chē)輛制動(dòng)執(zhí)行模塊以及中央處理器和輔助接口模塊等組成。

通過(guò)ARM觸發(fā)4個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制車(chē)輪模塊的信號(hào)，同時(shí)使用額外的8個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)將該信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)紻SP上來(lái)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。DSP數(shù)字信號(hào)處理器可以通過(guò)其內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)算法對(duì)來(lái)自單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行特定的算法處理，然后將處理的結(jié)果返回給ARM。ARM將得到的處理結(jié)果再通過(guò)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)輸送到控制車(chē)輪模塊的單片機(jī)上，這種基于A(yíng)RM的Linux系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)并行處理多DSP處理的結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的目的。如果給整個(gè)系統(tǒng)加上網(wǎng)絡(luò)接口和UART通信接口，那將很方便地對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定期的系統(tǒng)和其基于DSP的算法的更新升級(jí)。

通過(guò)嵌入式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)方便地以DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能，還能簡(jiǎn)便地搭建30～50 Hz的可調(diào)方波信號(hào)發(fā)生器，以及完成A/D轉(zhuǎn)換的功能，這不僅能快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)和進(jìn)行處理，還能通過(guò)處理的結(jié)果來(lái)對(duì)所需要驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪控制模塊進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)的控制。此外，由于嵌入式系統(tǒng)模塊是應(yīng)用在汽車(chē)電子車(chē)輪制動(dòng)系統(tǒng)中的，所以對(duì)該模塊有特殊的性能要求，如運(yùn)行功耗低、控制處理穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等要求，還有就是系統(tǒng)的單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度必須要求足夠快，這關(guān)系車(chē)輪的制動(dòng)反應(yīng)的速度?？紤]到上述要求，本研究決定采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F169單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊的控制，該單片機(jī)在該制動(dòng)系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地進(jìn)行外部信號(hào)的采集處理以及隨之的驅(qū)動(dòng)車(chē)輪控制模塊完成對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)。為了使得整個(gè)系統(tǒng)的信息處理效率更高，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)無(wú)延誤的要求，一般整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用的是循環(huán)和中斷的方式來(lái)提高其實(shí)時(shí)性[9?10]。

3 嵌入式系統(tǒng)通信方案設(shè)計(jì)

用1個(gè)OMAP?L137和12個(gè)MSP430F169搭建成一個(gè)信息處理系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)內(nèi)部各模塊間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理，將外部輸入信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)處理模塊處理以后再驅(qū)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。這樣整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交流的效率和數(shù)據(jù)處理的能力就決定了整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

CAN總線(xiàn)方式具有接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、通信穩(wěn)定、抗各種電磁干擾的能力很強(qiáng)、信息傳輸?shù)木嚯x也較遠(yuǎn)等優(yōu)良性能，完全可以滿(mǎn)足本研究所需的通信要求。雖然在嚴(yán)格的環(huán)境下CAN總線(xiàn)有可能在系統(tǒng)的反應(yīng)速度上不能達(dá)到最佳效果，但是對(duì)車(chē)輪制動(dòng)控制模塊的控制頻率是有限的，完全可以在滿(mǎn)足其控制頻率的條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的。而且每個(gè)CAN總線(xiàn)接口都對(duì)應(yīng)著一個(gè)信號(hào)處理器，在數(shù)據(jù)傳輸中完全能夠通過(guò)構(gòu)建差分連接的方式提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[11?12]。

對(duì)OMAP?L137而言，因?yàn)槠涮幱谥醒肟刂破鞯姆秶?，所以只能控制承?dān)即時(shí)信息查詢(xún)和制動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)部分任務(wù)的MSP430F169單片機(jī)。由于總線(xiàn)的數(shù)據(jù)流量受總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸能力限制，所以在多個(gè)模塊的汽車(chē)工作狀態(tài)檢測(cè)到信號(hào)傳回處理系統(tǒng)時(shí)需要進(jìn)行分時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到各個(gè)處理單元進(jìn)行處理。對(duì)于半雙工工作模式的總線(xiàn)接口，系統(tǒng)中央控制處理器的控制信號(hào)是無(wú)法及時(shí)將信號(hào)傳送給汽車(chē)制動(dòng)控制模塊的控制器進(jìn)行制動(dòng)的，并且對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部各模塊間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換也是非常不利的，這就有必要使用雙總線(xiàn)的辦法來(lái)構(gòu)成全雙工的工作模式進(jìn)行通信，以解決單CAN總線(xiàn)無(wú)法及時(shí)處理數(shù)據(jù)量大且時(shí)間上密集的窘?jīng)r。其實(shí)現(xiàn)構(gòu)架如圖2所示。

4 主要功能模塊設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)時(shí)處理接口電路

本研究采用了MSP430F169單片機(jī)的模擬SPI接口方式和MCP2515協(xié)議控制器進(jìn)行通信，并以此結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部從信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理以及最后輸出到制動(dòng)模塊的控制信號(hào)。因?yàn)槠?chē)電子系統(tǒng)處于一個(gè)相對(duì)不是穩(wěn)定的環(huán)境中，伴有很強(qiáng)的背景噪聲，所以為了避免過(guò)長(zhǎng)信號(hào)傳輸過(guò)程引入不必要的干擾，通常將MSP430F169處理器與MCP2515協(xié)議控制器集成在一起；另外，電源和時(shí)鐘信號(hào)電路等的設(shè)計(jì)也都要考慮到噪聲干擾屏蔽設(shè)計(jì)。

此外，為了獲得MSP430F169和MCP2515以及TJA1050之間的最好的通信傳輸效果，在MSP430F169和MCP2515間采用了一一對(duì)接的SPI接口的連接，這有利于不同數(shù)據(jù)交換互不干擾，其電路連接設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理的硬件電路設(shè)計(jì)中，考慮到各模塊之間的數(shù)據(jù)交換效率，通常使用一個(gè)MCP2515 和一個(gè)TJA1050控制器組成一個(gè)總線(xiàn)控制器，然后使得每個(gè)這樣的控制器由其相應(yīng)的MCU來(lái)構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)OMAP?L137 與多個(gè)MSP430F169 之間的實(shí)時(shí)通信。

4.2 傳感檢測(cè)電路

車(chē)輛車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器采用差分信號(hào)的磁電式傳感器。為了消除干擾信號(hào)，提高傳感器精度，需要將磁電式傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、整形電路處理，整形電路[13]見(jiàn)圖4。

車(chē)身加速度檢測(cè)試驗(yàn)采用Analog Device公司的ADXL202AE型低功耗、雙軸加速度傳感器。傳感器使用5 V電壓供電時(shí)的工作電流僅為5 mA左右，測(cè)量動(dòng)靜態(tài)加速度頻率高，可達(dá)5 kHz。ADXL202AE加速度傳感器電路如圖5所示[14]。

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)方法主要由駕駛員主觀(guān)意識(shí)對(duì)制動(dòng)進(jìn)行控制，車(chē)輛并不能根據(jù)車(chē)輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行輔助制動(dòng)控制，如果駕駛員沒(méi)有預(yù)先意識(shí)到車(chē)輛可能存在的危險(xiǎn)則錯(cuò)過(guò)了及時(shí)制動(dòng)的時(shí)機(jī)，存在極大安全隱患。因此本文研究一種基于嵌入式的汽車(chē)輔助制動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)電子輔助制動(dòng)進(jìn)行更深一步的研究，并對(duì)基于嵌入式的汽車(chē)輔助制動(dòng)系統(tǒng)的硬件組成、嵌入式系統(tǒng)通信方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。選用兩個(gè)獨(dú)立的CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信方案設(shè)計(jì)，以提高嵌入式系統(tǒng)處理信息的實(shí)時(shí)性。對(duì)MSP430F169和MCP2515以及TJA1050的接口電路以及車(chē)輛車(chē)輪速度檢測(cè)和加速度檢測(cè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 林雙武.電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)控制策略的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[2] 徐曉芬.車(chē)輛電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)輔助坡道起步的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[3] 劉成曄.汽車(chē)輔助制動(dòng)裝置發(fā)展綜述[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008（1）：105?111.

[4] 閆佳偉.汽車(chē)智能駐車(chē)與輔助起步控制系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[5] 王超勇.車(chē)輛電子駐車(chē)制動(dòng)（EPB）控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

[6] 殷衛(wèi)喬.基于執(zhí)行器精細(xì)調(diào)節(jié)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向/制動(dòng)控制系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[7] 趙育良.車(chē)輛電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)（EPB）的軟件設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

[8] 崔玥.基于CAN總線(xiàn)的電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

[9] 何偉麗，劉光.實(shí)時(shí)汽車(chē)電子輔助制動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子制作，2014（17）：73.

[10] 韓云武，羅禹貢，李克強(qiáng)，等.混合動(dòng)力汽車(chē)下坡輔助電?液復(fù)合制動(dòng)控制方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015（8）：112?118.

[11] 張洪飛，閆守成.實(shí)時(shí)汽車(chē)電子輔助制動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（1）：153?156.

[12] 郭建亭.基于CAN總線(xiàn)的電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[13] 文天光.實(shí)時(shí)汽車(chē)電子輔助制動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[14] 李鑫.基于ZigBee的汽車(chē)電子測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.