王士剛　張躍進(jìn)

摘 要： 以往設(shè)計(jì)出的車輛防抱死系統(tǒng)由于控制手段選擇不佳，導(dǎo)致系統(tǒng)制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間均不佳。該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種車輛防抱死改進(jìn)系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由控制模塊、傳感器和電磁閥組成，對(duì)其中的單片機(jī)、電源電路和修正電路進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)。MSP430F149單片機(jī)利用其最小系統(tǒng)對(duì)傳感器感應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析，再調(diào)用電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪制動(dòng)輪缸的直接控制。電源電路根據(jù)特定需求為傳感器和MSP430F149單片機(jī)供應(yīng)能量。改進(jìn)后的修正電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器硬件故障和電磁閥通信故障的檢測和維修。系統(tǒng)利用現(xiàn)場可編程門陣列對(duì)其功能進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并給出功能改進(jìn)流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間，能夠較為成功地實(shí)現(xiàn)改進(jìn)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 車輛防抱死系統(tǒng)； MSP430F149； 制動(dòng)距離； 電磁閥通信故障

中圖分類號(hào)： TN702?34； TM92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）06?0093?03

Abstract： The vehicle anti?lock braking systems designed in the past have poor system braking distance and braking time because they had chosen an unsuitable control means. An improved vehicle anti?lock braking system is designed and implemented in this paper. The system is mainly composed of control module， sensor and solenoid valve. MCU， power supply circuit and correction circuit in the system were improved emphatically. MSP430F149 MCU data computation is used to operate and analyze the sensor sensing data， and then call the solenoid valve to realize the direct control of the wheel brake cylinders. The power supply circuit provides power for the sensors and MSP430F149 MCU according to the specific requirements. The improved correction circuit can realize detection and maintenance of the sensor hardware failure and solenoid valve communication failure. The field programmable gate array （FPGA） is employed to improve the system function. The function improvement flow chart is given in this paper. The experimental results show that the designed system has suitable braking distance and braking time， can successfully achieve the improvement purpose.

Keywords： vehicle anti?lock braking system； MSP430F149； braking length； solenoid valve communication failure

0 引 言

近年來，汽車已成為人們生活中必不可少的交通工具。隨著車速和車流密度的逐漸增長，人們開始關(guān)注駕駛安全。車輛生產(chǎn)商開始在車輛設(shè)計(jì)中加入車輛防抱死系統(tǒng)。車輛防抱死系統(tǒng)是一項(xiàng)以保障駕駛?cè)藛T安全性為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主動(dòng)設(shè)備，其利用特定控制手段對(duì)車輛制動(dòng)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到避免車輪進(jìn)入抱死狀態(tài)的目標(biāo)[1?3]，是人們關(guān)注的重點(diǎn)[4?6]。傳統(tǒng)的車輛防抱死系統(tǒng)往往存在一定的缺陷，如文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)基于機(jī)械動(dòng)力的車輛防抱死系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制效果并不理想，導(dǎo)致系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)間較長。本文設(shè)計(jì)一種具有較好的制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間的車輛防抱死改進(jìn)系統(tǒng)，有效保障駕駛?cè)藛T的行車安全。

1 車輛防抱死系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體改進(jìn)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的車輛防抱死改進(jìn)系統(tǒng)主要由控制模塊、傳感器和電磁閥組成，其整體結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

由圖1可知，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在車輛的四個(gè)車輪上分別安裝了傳感器，令傳感器對(duì)車輛運(yùn)行情況和行駛路面情況進(jìn)行感應(yīng)，再利用控制模塊根據(jù)感應(yīng)數(shù)據(jù)調(diào)用電磁閥，對(duì)車輪的制動(dòng)輪缸進(jìn)行直接控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)以往設(shè)計(jì)系統(tǒng)制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間的有效改進(jìn)。對(duì)單片機(jī)、電源電路和修正電路的設(shè)計(jì)是對(duì)車輛防抱死系統(tǒng)的改進(jìn)重點(diǎn)。

1.2 單片機(jī)設(shè)計(jì)

在所設(shè)計(jì)的車輛防抱死改進(jìn)系統(tǒng)中，控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和流程調(diào)整，這些工作主要由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。本文選擇了MSP430F149單片機(jī)。它是由美國TI公司生產(chǎn)的一款低耗、指令精簡的混合信號(hào)高速處理器，具有強(qiáng)大運(yùn)算能力和控制效果，其內(nèi)部配置了高效運(yùn)算器，這使得系統(tǒng)的能耗和運(yùn)算效率得到了一定的改進(jìn)。MSP430F149單片機(jī)資源豐富，其將各種處理電路融合在一塊芯片上，無需外接功能電路便能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確、高效控制。因此，只需對(duì)MSP430F149單片機(jī)的最小系統(tǒng)加以設(shè)計(jì)，便能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的改進(jìn)目標(biāo)，圖2是MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路。

由圖2可知， MSP430F149單片機(jī)中包括時(shí)鐘電路和振蕩電路。時(shí)鐘電路的計(jì)時(shí)晶振為32.8 kHz，振蕩電路的震蕩晶振為3.7 MHz。這些設(shè)計(jì)為所設(shè)計(jì)的車輛防抱死改進(jìn)系統(tǒng)提供了超強(qiáng)的控制能力，使較好的制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間系統(tǒng)的改進(jìn)目標(biāo)成為可能。當(dāng)車輛駕駛?cè)藛T開啟剎車指令，傳感器便會(huì)感應(yīng)到車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)和行駛路面數(shù)據(jù)，MSP430F149單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換和分析。分析結(jié)束后，感應(yīng)數(shù)據(jù)將自動(dòng)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。電磁閥對(duì)MSP430F149單片機(jī)數(shù)/模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電壓波動(dòng)異常敏感，MSP430F149單片機(jī)根據(jù)該特性對(duì)電磁閥進(jìn)行調(diào)用。

1.3 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路為傳感器和MSP430F149單片機(jī)供應(yīng)能量。MSP430F149單片機(jī)對(duì)電源電路的需求較多，其所需電壓范圍為[1.6 V，3.8 V]，穩(wěn)壓系數(shù)需求在[0.045%，0.01%]之間，紋波抑制比需求在[53 dB，70 dB]之間。符合MSP430F149單片機(jī)需求的電源電路可同時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行供電，電源電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

由圖3可知，電容C1的作用是將蓄電池的24 V電壓轉(zhuǎn)換成12 V電壓，電容C2則可將12 V電壓轉(zhuǎn)換成接近MSP430F149單片機(jī)所需的5 V電壓。再經(jīng)由電阻R1和可滑動(dòng)電阻R2，將輸出電壓控制在[1.6 V，3.8 V]之間。電容C3具有排除電路干擾波形的作用。由于所設(shè)計(jì)的車輛防抱死改進(jìn)系統(tǒng)的線路布置長且復(fù)雜，故電源電路利用電容C4避免系統(tǒng)線路自激。MSP430F149單片機(jī)對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)和紋波抑制比的需求便是經(jīng)由電容C3，C4實(shí)現(xiàn)的。

1.4 修正電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的車輛防抱死系統(tǒng)中修正電路只能進(jìn)行系統(tǒng)的簡單維護(hù)，無法有效保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。改進(jìn)后的修正電路分為傳感器修正電路和電磁閥修正電路，其主要作用是對(duì)傳感器硬件和電磁閥通信的故障進(jìn)行檢測和維護(hù)，如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，所設(shè)計(jì)的車輛防抱死改進(jìn)系統(tǒng)為修正電路提供車輛制動(dòng)故障辨認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于傳感器修正電路來說，故障辨認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)可幫助檢測4個(gè)傳感器中感應(yīng)信號(hào)的脈沖數(shù)目，分析出傳感器齒圈是否存在故障。對(duì)于電磁閥修正電路來說，其檢測位置是在電磁閥與MSP430F149單片機(jī)的傳輸連接處。該電路能夠在第一時(shí)間檢測出電磁閥傳輸?shù)亩搪饭收匣驍嗦饭收?。修正電路一旦檢測出故障存在，便將故障信息傳輸至控制模塊，通過MSP430F149單片機(jī)對(duì)傳感器或電磁閥的故障進(jìn)行暫時(shí)控制，最后由系統(tǒng)維護(hù)人員介入處理。

2 車輛防抱死系統(tǒng)的改進(jìn)軟件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的車輛防抱死改進(jìn)系統(tǒng)利用現(xiàn)場可編程門陣列對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，功能改進(jìn)流程圖見圖6。

根據(jù)圖6對(duì)所設(shè)計(jì)的車輛防抱死改進(jìn)系統(tǒng)軟件功能改進(jìn)進(jìn)行解析。設(shè)計(jì)定義功能可以對(duì)車輛防抱死改進(jìn)系統(tǒng)中所需改進(jìn)的內(nèi)置電路進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)，縮短系統(tǒng)的制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間；設(shè)計(jì)輸入功能將系統(tǒng)各模塊和電路中的預(yù)設(shè)參數(shù)和控制流程，并將設(shè)計(jì)結(jié)果輸入到系統(tǒng)相應(yīng)位置；功能模型構(gòu)建分析設(shè)計(jì)定義和設(shè)計(jì)輸入的成果是否能夠?qū)囕v防抱死系統(tǒng)進(jìn)行正確改進(jìn)進(jìn)行驗(yàn)證；邏輯定義的功能是將簡化后的代碼能夠直接作為驗(yàn)證系統(tǒng)制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間好壞的依據(jù)；初仿真是對(duì)功能模型構(gòu)建的二次檢驗(yàn)，監(jiān)督功能模型構(gòu)建工作；線路布置功能是對(duì)設(shè)計(jì)輸入和邏輯定義進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，將軟件設(shè)計(jì)出的代碼變換為硬件的實(shí)際線路布置方案，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)；末仿真全面監(jiān)管著系統(tǒng)硬件和軟件工作流程和參數(shù)，并對(duì)初仿真進(jìn)行二次檢驗(yàn)，是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的最后檢驗(yàn)工作；時(shí)序分析功能是對(duì)線路布置功能的補(bǔ)充，對(duì)系統(tǒng)中線路時(shí)延的分析工作便是利用該功能實(shí)現(xiàn)的，時(shí)序分析順序必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)定義功能的功能實(shí)現(xiàn)規(guī)范執(zhí)行，稍有偏差便會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息；下載驗(yàn)證功能是系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)的最后一步，該功能將軟件最終信號(hào)輸入到系統(tǒng)單片機(jī)中，單片機(jī)將對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下載和驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后的信號(hào)將會(huì)對(duì)防抱死系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行指導(dǎo)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于路面限制會(huì)對(duì)車輛防抱死系統(tǒng)產(chǎn)生影響，故實(shí)驗(yàn)在3種光滑度不同路面上對(duì)本文系統(tǒng)的制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間好壞程度進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)前對(duì)市面上車輛防抱死系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)研，得出在安裝有兩個(gè)改進(jìn)前車輛防抱死系統(tǒng)（分別為基于數(shù)字計(jì)算機(jī)的車輛防抱死系統(tǒng)和基于電子控制的車輛防抱死系統(tǒng)，本次實(shí)驗(yàn)中將二者稱為“系統(tǒng)1”和“系統(tǒng)2”）的某品牌最新型號(hào)車輛，在30 m/s的勻速行駛狀態(tài)下該車輛在3個(gè)不同路面上的制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間，如表1、表2所示。

現(xiàn)利用本文系統(tǒng)在上述條件下進(jìn)行制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，圖7分別是本文系統(tǒng)在路面1、路面2和路面3上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果曲線圖。

分析圖7可知，本文系統(tǒng)在路面1上以30 m/s的勻速行駛的情況下，其制動(dòng)距離為51.8 m，此時(shí)的制動(dòng)時(shí)間為3.8 s，這兩個(gè)數(shù)值均低于系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的調(diào)研值，且曲線較為穩(wěn)定，無異常情況出現(xiàn)；本文系統(tǒng)在路面2上的制動(dòng)距離為51.8 m，此時(shí)的制動(dòng)時(shí)間為5.7 s，這兩個(gè)數(shù)值均低于系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的調(diào)研值，且曲線較為光滑，無異常情況出現(xiàn)；本文系統(tǒng)在路面3上的制動(dòng)距離為65.0 m，此時(shí)的制動(dòng)時(shí)間為6.5 s，這兩個(gè)數(shù)值均低于系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的調(diào)研值，且曲線波動(dòng)處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)駕駛員的行駛安全產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 論

本文對(duì)傳統(tǒng)的車輛防抱死系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)的制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)，均由優(yōu)于基于數(shù)字計(jì)算機(jī)的車輛防抱死系統(tǒng)和基于電子控制的車輛防抱死系統(tǒng)，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)具有較好的制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間，能夠較為成功地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)改進(jìn)。

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