基于MC9S12DP256的轎車ABS/ASR集成控制系統(tǒng)

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集成控制系統(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(shí)車試驗(yàn),證明控制效果良好,為轎車的主動(dòng)安全控制裝置集成化打下了基礎(chǔ)。

汽車驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)(Anti-slip Regulation System,簡(jiǎn)稱ASR)是在汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(Antilock Braking System,簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)輸出力矩的調(diào)節(jié)功能和驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中可以把兩者集成在一個(gè)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(jiǎn)介
　　通過對(duì)捷達(dá)GTX試驗(yàn)樣車的液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)了可以獨(dú)立調(diào)節(jié)四個(gè)輪缸壓力的ABS/ASR集成系統(tǒng)液壓執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)三個(gè)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(shí),ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的ECU實(shí)時(shí)采集和處理傳感器信號(hào),并根據(jù)其所提供的信息,選用不同的控制方式對(duì)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(dòng)力矩控制模式和調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)就是對(duì)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(yùn)算以及最終控制的實(shí)現(xiàn)。考慮到集成控制系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)算能力、存儲(chǔ)空間、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(qiáng)大的Motorola新一代HSC12系列16位MCU——MC9S12DP256。
　　它具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力、豐富的I/O接口和充裕的存儲(chǔ)空間。采用STAR12 CPU,核心運(yùn)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(yùn)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?chǔ)空間的要求。它有豐富的I/O接口,包括兩個(gè)異步串行通訊接口(SCI),三個(gè)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(gè)10位A/D接口,八路8位PWM,二十九路獨(dú)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(gè)IIC總線接口,一個(gè)BDLC(J1850)接口^[3]。
　　該MCU有四路輸入捕捉(帶有保持緩沖器),利用獨(dú)立的ECT捕捉時(shí)鐘可以自行完成兩個(gè)脈沖間的周期計(jì)算,非常適合進(jìn)行四個(gè)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(jì)
　　MCU的外圍電路采用模塊化設(shè)計(jì)思想,即把電控單元?jiǎng)澐殖刹煌哪K,將比較成熟固定的模塊組成一塊單獨(dú)的電路板,研究過程中變化較大的模塊組成另一塊單獨(dú)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(jì)方法有利于試驗(yàn)過程中對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展,例如需要更改電路或者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí),無需重新設(shè)計(jì)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(jì)也具有更好的電氣特性,例如,驅(qū)動(dòng)模塊是比較大的干擾源,對(duì)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(duì)信號(hào)線采取隔離措施即可。
　　根據(jù)ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的特點(diǎn),將整個(gè)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(shí)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(dòng)芯片MC33199,利用PCA82C250驅(qū)動(dòng)芯片引出兩路CAN通訊節(jié)點(diǎn),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(gè)輪速信號(hào)、節(jié)氣門開度信號(hào)、加速踏板開度信號(hào)、高壓蓄能器壓力傳感器信號(hào)、制動(dòng)踏板開關(guān)信號(hào)等。
　　B板主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)量信號(hào)處理電路,如圖3所示。

　　系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括ABS壓力調(diào)節(jié)器的四個(gè)常開進(jìn)油閥、四個(gè)常閉出油電磁閥、四個(gè)ASR電磁閥和一個(gè)ABS電機(jī)。
　　ABS和ASR子系統(tǒng)的使能信號(hào)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(jì)
　　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(jiǎn)單地疊加,而是要把它們有機(jī)地融合,同時(shí)還要考慮到軟件運(yùn)行的實(shí)時(shí)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(dòng)自檢模塊、主控制模塊、制動(dòng)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(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括MCU內(nèi)部的時(shí)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(shí)器、系統(tǒng)變量等,以保證MCU正常運(yùn)行。另外還包括對(duì)集成系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位,確保車輛的安全行駛。
　　啟動(dòng)自檢模塊是在系統(tǒng)初始化后對(duì)關(guān)鍵軟、硬件部分進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè),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(huì)持續(xù)點(diǎn)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(shí)時(shí)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(jì)算模塊、路面識(shí)別模塊和車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別模塊,實(shí)時(shí)進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和外界環(huán)境的判斷。然后依據(jù)車輛當(dāng)前的運(yùn)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(dòng)動(dòng)作與ASR制動(dòng)干預(yù)控制的緊急切換需要,設(shè)計(jì)了制動(dòng)踏板中斷服務(wù)程序。當(dāng)采集到制動(dòng)踏板觸發(fā)的中斷時(shí),進(jìn)入制動(dòng)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(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行復(fù)位,恢復(fù)常規(guī)制動(dòng)方式,不干預(yù)駕駛員的制動(dòng)動(dòng)作,保證了車輛行駛的安全性。
3 試驗(yàn)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(jì)的ABS/ASR集成控制系統(tǒng),在捷達(dá)GTX試驗(yàn)車上進(jìn)行了典型工況ABS和ASR試驗(yàn),驗(yàn)證其控制效果。
　　ABS試驗(yàn)選擇在干柏油路面、制動(dòng)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(dòng)過程。圖中顯示了車輛左前輪速度變化的過程,在整個(gè)制動(dòng)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(dòng)過程中方向的穩(wěn)定性。

　　ASR試驗(yàn)選擇一擋對(duì)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(dòng)輪轉(zhuǎn)速對(duì)比,其中曲線1為右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪車速,曲線3為左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪車速,曲線2為非驅(qū)動(dòng)輪車速,可近似認(rèn)為是車身速度。可以看到起步初期,右側(cè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率被控制在較為理想的范圍內(nèi)。同時(shí),由于制動(dòng)干預(yù)的影響,左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率略有上升。
　　通過實(shí)車試驗(yàn),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(dòng)安全控制系統(tǒng)的集成創(chuàng)造了條件。