《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MC9S12DP256的轎車ABS/ASR集成控制系統(tǒng)

2008-07-24
作者:崔海峰,, 齊志權(quán),, 王仁廣,, 石

  摘 要: 介紹了基于Motorola公司新一代HSC12系列16位MCU——MC9S12DP256微處理器開發(fā)的轎車ABS/ASR" title="ABS/ASR">ABS/ASR集成控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng),,詳細(xì)描述了該集成控制系統(tǒng)硬件電路和軟件邏輯的構(gòu)成,。通過實車試驗,,證明控制效果良好,,為轎車的主動安全控制裝置集成化打下了基礎(chǔ),。
  關(guān)鍵詞: MC9S12DP256 ABS ASR 集成控制


  汽車驅(qū)動防滑系統(tǒng)(Anti-slip Regulation System,,簡稱ASR)是在汽車制動防抱死系統(tǒng)(Antilock Braking System,簡稱ABS)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,。在裝備了ABS的汽車上添加發(fā)動機輸出力矩的調(diào)節(jié)功能和驅(qū)動輪制動壓力的調(diào)節(jié)功能后,,ABS所用的車輪轉(zhuǎn)速傳感器和壓力調(diào)節(jié)器可全部為ASR所利用[1]。ASR和ABS在算法上很相似,,許多程序模塊可以通用,,因而在實際應(yīng)用中可以把兩者集成在一個控制器中,組成ABS/ASR集成系統(tǒng),。
1 轎車ABS/ASR集成控制系統(tǒng)簡介
  通過對捷達(dá)GTX試驗樣車的液壓制動系統(tǒng)進(jìn)行改造,,實現(xiàn)了可以獨立調(diào)節(jié)四個輪缸壓力的ABS/ASR集成系統(tǒng)液壓執(zhí)行機構(gòu)" title="執(zhí)行機構(gòu)">執(zhí)行機構(gòu)[2]。在此基礎(chǔ)上,,開發(fā)了一種轎車ABS/ASR集成控制系統(tǒng),,主要包括控制系統(tǒng)ECU、傳感器,、執(zhí)行機構(gòu)三個部分,。圖1為轎車ABS/ASR集成控制系統(tǒng)示意圖。


  當(dāng)汽車正常行駛時,,ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的ECU實時采集和處理傳感器信號,,并根據(jù)其所提供的信息,選用不同的控制方式對汽車進(jìn)行控制,??刂频姆绞桨ㄕ{(diào)節(jié)車輪輪缸壓力的制動力矩控制模式和調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出力矩的節(jié)氣門開度控制模式。ABS和ASR子系統(tǒng)功能的實現(xiàn)就是對以上兩種控制方式適當(dāng)組合和合理控制的結(jié)果,。
2 ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的ECU
2.1 MCU的選取

  MCU是ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的核心,,它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理、所有的邏輯運算以及最終控制的實現(xiàn),??紤]到集成控制系統(tǒng)對其運算能力,、存儲空間,、I/O" title="I/O">I/O接口的要求以及后續(xù)集成其它系統(tǒng)的目的,選擇了功能強大的Motorola新一代HSC12系列16位MCU——MC9S12DP256。
  它具有很強的運算能力,、豐富的I/O接口和充裕的存儲空間,。采用STAR12 CPU,核心運算能力可以達(dá)到50MHz,,總線速度可以達(dá)到25MHz,,采用優(yōu)化的指令集,指令的運算速度得到了很大的提高,。通過片內(nèi)的PLL功能可以方便地選擇MCU的核心頻率而不管外部晶振頻率為多少,。片內(nèi)集成了256K FLASH、12K RAM和4K EEPROM,,完全可以滿足程序?qū)Υ鎯臻g的要求,。它有豐富的I/O接口,包括兩個異步串行通訊接口(SCI),,三個同步串行通訊接口(SPI),,八通道輸入捕捉/輸出比較(IC/OC),十六個10位A/D接口,,八路8位PWM,,二十九路獨立的數(shù)字I/O接口,二十路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O接口,,五路CAN總線接口,,一個IIC總線接口,一個BDLC(J1850)接口[3],。
  該MCU有四路輸入捕捉(帶有保持緩沖器),,利用獨立的ECT捕捉時鐘可以自行完成兩個脈沖間的周期計算,非常適合進(jìn)行四個車輪的輪速采集,,大大提高了MCU的工作效率,。
2.2 ECU硬件電路設(shè)計
  MCU的外圍電路采用模塊化設(shè)計思想,即把電控單元劃分成不同的模塊,,將比較成熟固定的模塊組成一塊單獨的電路板,,研究過程中變化較大的模塊組成另一塊單獨的電路板,板與板之間通過I/O擴(kuò)展插槽進(jìn)行通信,。這種設(shè)計方法有利于試驗過程中對系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展,,例如需要更改電路或者對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展時,無需重新設(shè)計整塊電路,,只需在相應(yīng)模塊上改變或添加即可,;模塊化設(shè)計也具有更好的電氣特性,例如,,驅(qū)動模塊是比較大的干擾源,,對A/D轉(zhuǎn)換和MCU的工作影響很大,,可放在不同的電路板上,對信號線采取隔離措施即可,。
  根據(jù)ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的特點,,將整個電控單元分為了A板和B板,兩塊電路板之間通過I/O總線擴(kuò)展插槽連接,。
  A板主要包括主控芯片MC9S12DP256及其最小系統(tǒng)外圍電路,、通訊接口電路和數(shù)據(jù)采集電路,如圖2所示,。


  MC9S12DP256最小系統(tǒng)外圍電路包括電源模塊,、外圍復(fù)位電路、時鐘晶振電路,、工作模式選擇等,。
  通訊接口電路包括BDM接口。兩路SCI串口通訊接口電路,,其中一路通過硬件跳線選擇連接故障診斷驅(qū)動芯片MC33199,,利用PCA82C250驅(qū)動芯片引出兩路CAN通訊節(jié)點,預(yù)留給集成控制系統(tǒng)擴(kuò)展使用,。
  A板還包括ECU中的數(shù)字量,、模擬量和開關(guān)量采集處理電路,主要包括四個輪速信號,、節(jié)氣門開度信號,、加速踏板開度信號、高壓蓄能器壓力傳感器信號,、制動踏板" title="制動踏板">制動踏板開關(guān)信號等,。
  B板主要包括執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路和開關(guān)量信號處理電路,如圖3所示,。


  系統(tǒng)驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)主要包括ABS壓力調(diào)節(jié)器的四個常開進(jìn)油閥,、四個常閉出油電磁閥、四個ASR電磁閥和一個ABS電機,。
  ABS和ASR子系統(tǒng)的使能信號及工作指示燈部分的相關(guān)電路也放在該電路板上,。
2.3 ECU控制軟件設(shè)計
  ABS/ASR集成控制系統(tǒng)中ABS和ASR子系統(tǒng)本身都是復(fù)雜的控制系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)的集成并不是把ABS和ASR控制系統(tǒng)簡單地疊加,,而是要把它們有機地融合,,同時還要考慮到軟件運行的實時性、可靠性等問題,。
  集成控制系統(tǒng)的控制軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊,、啟動自檢模塊、主控制模塊,、制動踏板中斷服務(wù)程序模塊等幾大部分組成,,總體框圖如圖4所示,。


  系統(tǒng)初始化模塊在系統(tǒng)上電復(fù)位時對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括MCU內(nèi)部的時鐘,、各端口設(shè)置,、串行通訊接口,、模擬和數(shù)字通道,、看門狗定時器、系統(tǒng)變量等,,以保證MCU正常運行,。另外還包括對集成系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行復(fù)位,確保車輛的安全行駛,。
  啟動自檢模塊是在系統(tǒng)初始化后對關(guān)鍵軟,、硬件部分進(jìn)行靜態(tài)檢測,以判斷系統(tǒng)的軟,、硬件工作是否正常,。如果發(fā)現(xiàn)集成控制系統(tǒng)中存在故障,故障警示燈會持續(xù)點亮,。
  主控制模塊為ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的控制主程序,,見圖4中陰影虛線框。主控制模塊通過實時中斷RTI做固定周期20ms的循環(huán),,連續(xù)調(diào)用故障診斷模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊、參考車速計算模塊,、路面識別模塊和車輛運動狀態(tài)識別模塊,,實時進(jìn)行車輛運動狀態(tài)和外界環(huán)境的判斷。然后依據(jù)車輛當(dāng)前的運行狀態(tài),,由控制執(zhí)行模塊分別進(jìn)行ABS或ASR的邏輯門限值控制,。
  考慮到駕駛員制動動作與ASR制動干預(yù)控制的緊急切換需要,設(shè)計了制動踏板中斷服務(wù)程序,。當(dāng)采集到制動踏板觸發(fā)的中斷時,,進(jìn)入制動踏板中斷服務(wù)程序,如果集成控制系統(tǒng)處于ASR工作方式,,立即退出當(dāng)前控制,,對執(zhí)行機構(gòu)模塊進(jìn)行復(fù)位,恢復(fù)常規(guī)制動方式,,不干預(yù)駕駛員的制動動作,,保證了車輛行駛的安全性。
3 試驗結(jié)果與分析
  利用所開發(fā)的采集系統(tǒng)[4]和本文所設(shè)計的ABS/ASR集成控制系統(tǒng),,在捷達(dá)GTX試驗車上進(jìn)行了典型工況ABS和ASR試驗,,驗證其控制效果,。

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  ABS試驗選擇在干柏油路面、制動初速度為50km/h的條件下進(jìn)行,,圖5為帶有ABS控制的直線制動過程,。圖中顯示了車輛左前輪速度變化的過程,在整個制動過程中與車速都能夠比較好地逼近,,車輪的滑移率也被控制在比較理想的區(qū)域內(nèi),,保證了車輛制動過程中方向的穩(wěn)定性。
  ASR試驗選擇一擋對開路面起步過程,,右側(cè)車輪位于低附著系數(shù)路面上,。圖6為起步過程中左右兩側(cè)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速對比,其中曲線1為右側(cè)驅(qū)動輪車速,,曲線3為左側(cè)驅(qū)動輪車速,,曲線2為非驅(qū)動輪車速,可近似認(rèn)為是車身速度,??梢钥吹狡鸩匠跗冢覀?cè)驅(qū)動輪發(fā)生明顯的滑轉(zhuǎn),,在33.5秒附近ASR開始調(diào)節(jié),,車輪的滑轉(zhuǎn)明顯改善。圖7為起步過程中左右兩側(cè)驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率的變化曲線,,更明顯地反映出進(jìn)行ASR控制后,,右側(cè)滑轉(zhuǎn)驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)率被控制在較為理想的范圍內(nèi)。同時,,由于制動干預(yù)的影響,,左側(cè)驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)率略有上升。
  通過實車試驗,,說明ABS/ASR集成控制系統(tǒng)中的ABS和ASR功能都取得了比較理想的控制效果,,為其它底盤主動安全控制系統(tǒng)的集成創(chuàng)造了條件。

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參考文獻(xiàn)
1 Akihiko Sekiguchi,, Toshifumi Maechara. ASR Built in an Add-On ABS[J]. SAE Technical Paper Series 930506,,1993
2 崔海峰. 可主動調(diào)節(jié)四個輪缸壓力的ABSASR集成液壓系統(tǒng)[J]. 液壓與氣動,2005(4)
3 MC9S12DP256B Device User’s Guide V02.11.Motorola Inc. USA,,2002
4 時開斌.汽車ABS/ASR/ACC集成化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)與ABS控制邏輯研究: [碩士學(xué)位論文].北京:北京理工大學(xué),,2003

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