田曉鴻

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710089）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車保有量在較短時間內(nèi)急劇增加，由此而產(chǎn)生的道路安全問題成為當(dāng)前十分突出的問題。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[1]，車輛超速、違章超車、酒駕以及疲勞駕駛等是我國各類交通事故的主要誘發(fā)原因，尤其以車輛超速行駛最為常見。對此，廣大汽車生產(chǎn)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)紛紛展開相關(guān)研究。目前，研究熱點著重于汽車總線技術(shù)以及智能技術(shù)的應(yīng)用[2]。在此背景下，本文設(shè)計了一種基于CAN總線的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)，以期通過智能化的汽車安全系統(tǒng)對車輛行駛速度進(jìn)行有效控制，解決車輛超速行駛等道路安全問題。

1 CAN總線概述

目前，車載電子控制系統(tǒng)已在汽車行業(yè)中逐步普及，通過CAN、LIN等為主的汽車總線，可以將各個車載電控系統(tǒng)整合為統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，還可實現(xiàn)對各車載電控系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)及升級。在汽車總線中，CAN（controller area network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線比其他通信總線成本更低，在利用率以及傳輸速率方面具有明顯的優(yōu)勢[3]。由于采用報文傳送機(jī)制，CAN總線的可靠性更高、靈活性更好。圖1為CAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 基于CAN總線的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文基于CAN總線而設(shè)計的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)的主要工作原理如下：采用相關(guān)傳感器實時采集油門踏板、車輛行駛速度以及擋位等信號，并將信號傳輸至控制芯片；控制芯片基于當(dāng)前車速與油門比例系數(shù)之間的曲線關(guān)系，計算出油門比例系數(shù)；控制芯片根據(jù)油門比例系數(shù)對油門踏板信號進(jìn)行修正，并將其傳輸至發(fā)動機(jī)ECU；發(fā)動機(jī)ECU對車輛行駛速度進(jìn)行控制，避免車速超過預(yù)設(shè)值。

圖1 CAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的基于CAN總線的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2可以看出，本文所設(shè)計的基于CAN總線的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)的主要模塊包括：傳感器、車輛強(qiáng)制限速器以及發(fā)動機(jī)ECU等。其中，傳感器負(fù)責(zé)實時采集車輛相關(guān)信號，并通過CAN總線實現(xiàn)信息共享。車輛強(qiáng)制限速器是該車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)將當(dāng)前車輛行駛速度、擋位等信號傳輸至發(fā)動機(jī)ECU，發(fā)動機(jī)ECU根據(jù)這些信號控制節(jié)氣門開度。

圖2 基于CAN總線的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 車輛強(qiáng)制限速器設(shè)計

車輛強(qiáng)制限速器是基于CAN總線的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)的核心硬件，因此，本文重點針對車輛強(qiáng)制限速器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

3.1 車輛強(qiáng)制限速器的硬件設(shè)計

車輛強(qiáng)制限速器是油門踏板與發(fā)動機(jī)ECU之間的聯(lián)系紐帶，本文所設(shè)計的車輛強(qiáng)制限速器主要是由主控芯片、CAN收發(fā)器、輸出轉(zhuǎn)換電路以及電源等模塊構(gòu)成，通過調(diào)整PWM波形占空比，調(diào)節(jié)油門踏板信號，從而間接利用發(fā)動機(jī)控制節(jié)氣門開度，限制車輛的行駛速度。車輛強(qiáng)制限速器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 車輛強(qiáng)制限速器的硬件結(jié)構(gòu)

在圖3所示的車輛強(qiáng)制限速器硬件結(jié)構(gòu)中，電源負(fù)責(zé)為其他各模塊提供工作電壓；CAN收發(fā)器負(fù)責(zé)采集油門踏板、車速等信息，并傳輸至主控芯片；主控芯片通過對信息進(jìn)行分析，判斷車輛當(dāng)前是否超速，根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)節(jié)油門踏板電壓，并輸出計算結(jié)果；輸出轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將主控芯片所輸出的信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，然后將其傳輸至發(fā)動機(jī)ECU。

3.2 主控芯片的選擇

本文所設(shè)計的車輛強(qiáng)制限速器的主控芯片采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S08DZ系列的8位DZ60芯片，該芯片在基于CAN的電控系統(tǒng)中已得到較為廣泛的應(yīng)用。MC9S08DZ60芯片的管腳圖如圖4所示。

圖4 MC9S08DZ60芯片的管腳圖

3.3 CAN收發(fā)器選型及其電路設(shè)計

本文所設(shè)計的車輛強(qiáng)制限速器中，CAN通信模塊主要包括CAN控制器與CAN收發(fā)器。由于MC9S08DZ60主控芯片集成了CAN控制器，因此，需對CAN收發(fā)器進(jìn)行選型。

通過比較發(fā)現(xiàn)，飛利浦公司生產(chǎn)的PCA82C250芯片能完美兼容ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，具有1Mb/s的通信傳輸速率，并且工作溫度上限高達(dá)125℃。此外，該芯片還具有防短路、低電流待機(jī)等優(yōu)點?；赑CA82C250芯片的上述特性，本文采用該芯片作為CAN收發(fā)器，并設(shè)計了相應(yīng)的硬件電路，如圖5所示。

圖5中，PCA82C250芯片接收CAN總線上傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)2N137光耦合器連接MC9S08DZ60芯片的14號引腳，并將數(shù)據(jù)傳輸至MC9S08DZ60芯片集成的CAN控制器，完成信息采集過程。

3.4 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

本文所設(shè)計的基于CAN總線的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)中，車輛強(qiáng)制限速器對采集到的信號進(jìn)行存儲、計算后輸出PWM波形。由于PWM波形為數(shù)字信號，而發(fā)動機(jī)ECU支持模擬信號，需將PWM波形轉(zhuǎn)換為模擬信號。對此，本文以RC電路與雙運(yùn)算放大器芯片共同構(gòu)成轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示。

圖5 CAN收發(fā)器硬件電路圖

圖6 D/A轉(zhuǎn)換電路

4 車輛強(qiáng)制限速器軟件設(shè)計與實現(xiàn)

本文所設(shè)計的車輛強(qiáng)制限速器的軟件部分由主控程序與PC軟件構(gòu)成。其中，主控程序通過模塊初始化、功能函數(shù)設(shè)置等實現(xiàn)車輛強(qiáng)制限速功能；而PC軟件僅作為輔助性工具。因此，本文對PC軟件的具體設(shè)計不再敖述。

4.1 車輛強(qiáng)制限速器軟件設(shè)計

基于上述各模塊選型及硬件設(shè)計，進(jìn)一步對軟件部分進(jìn)行設(shè)計。本文所設(shè)計的車輛強(qiáng)制限速器的工作流程如圖7所示。

圖7 車輛強(qiáng)制限速器的工作流程圖

基于上述工作流程，將油門控制情況分為以下3種類型：

1）輸出信號跟隨當(dāng)前油門踏板的位置信號；

2）按一定比例修正油門信號的輸出模擬量；

3）限速器輸出怠速電壓以限制車速。

針對上述3種情況，本文所設(shè)計的車輛強(qiáng)制限速器通過控制油門比例系數(shù)，調(diào)節(jié)對發(fā)動機(jī)ECU的輸出信號，從而間接控制節(jié)氣門開度。車輛強(qiáng)制限速器的輸出和輸入之間的比例關(guān)系如下：

式中：A為油門輸出信號值；A0為油門信號基準(zhǔn)值；kA1為油門踏板所對應(yīng)的增量值；k為對油門踏板信號進(jìn)行修正的比例系數(shù)。

當(dāng)前車速v與油門比例系數(shù)k之間的關(guān)系為：

式中：vS，vS1，vS2分別表示3種情況下的車輛限速值，km/h，三者的值由大到小。

4.2 CAN通信模塊軟件設(shè)計

CAN通信模塊的軟件設(shè)計包括初始化、CAN接收以及CAN發(fā)送的相關(guān)程序。

初始化程序的主要設(shè)計工作是配置CAN控制器的控制、計時、接收中斷使能等寄存器，具體如下：

1）進(jìn)入初始化模式；

2）設(shè)置位時間和時間段長度；

3）使能CAN控制器模塊；

4）退出初始化，進(jìn)入正常模式。

CAN接收以及CAN發(fā)送采用CAN2.0A/B版本的通信協(xié)議，通過報文的形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。具體過程如下：接收緩沖器接收到報文后，若此時接收緩沖器已滿，則接收寄存器中的RXF位置為1，MSCAN發(fā)出接收中斷，主控芯片根據(jù)CAN協(xié)議解析讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容并保存；若此時發(fā)送緩沖器空閑，主控芯片選擇發(fā)送緩沖器，然后將標(biāo)識符、控制字符以及數(shù)據(jù)等存儲于發(fā)送緩沖器中，同時刪除標(biāo)志位，最終進(jìn)行報文發(fā)送。

5 仿真實驗驗證

通過仿真實驗驗證本文所設(shè)計的基于CAN總線的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)的可行性。采用USBCAN-1以及ZLGCANTest模擬實車與車輛強(qiáng)制限速器間的CAN通信，并對車輛強(qiáng)制限速器發(fā)送數(shù)據(jù)，以此構(gòu)成一個CAN網(wǎng)絡(luò)。電源方面由微機(jī)電源提供。

仿真實驗時，設(shè)定模擬車速限值為70 km/h，利用ZLGCANTest向本文所設(shè)計的車輛強(qiáng)制限速器發(fā)送模擬車速等CAN數(shù)據(jù)。當(dāng)模擬車速為66 km/h時，控制芯片根據(jù)輸出油門比例系數(shù)與車速之間的函數(shù)關(guān)系，計算出油門輸出的大信號及小信號分別為2.5 V及1.6 V，即此時為第2種油門控制情況—輸出電壓值跟隨輸入電壓值。通過示波器測得油門輸出的實際值分別為2.53 V及1.58 V，可知，誤差在允許范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

本文基于目前應(yīng)用廣泛的汽車CAN總線技術(shù)，針對車輛超速行駛的問題，設(shè)計了一種主控芯片采用飛思卡爾MC9S08DZ60的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)。仿真實驗的測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計的基于CAN總線的車輛強(qiáng)制限速系統(tǒng)能基于CAN總線實現(xiàn)各模塊間的有效通信，并能可靠有效地控制車輛行駛速度，對解決車輛超速行駛的道路安全問題具有一定價值。