一種汽車ABS控制器開發(fā)裝置的研究與設(shè)計(jì)

1 引言

汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)(Anti-lock Braking System，ABS)可以有效防止車輛在制動(dòng)過程中出現(xiàn)車輪抱死的狀況，從而避免因車輪抱死而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向失靈和甩尾等危險(xiǎn)，保證車輛的安全制動(dòng)。其中，控制器(即電控單元，ECU)是整個(gè)ABS的控制核心，也是ABS開發(fā)過程中的主要關(guān)鍵。傳統(tǒng)的ABS開發(fā)過程需要大量的整車道路試驗(yàn)來驗(yàn)證ABS的控制軟件功能，受人力和物理的限制，使得ABS的開發(fā)周期相當(dāng)長。

本文基于英飛凌公司的XC164CS和ADI公司的AD5336芯片設(shè)計(jì)出了一種簡便的ABS控制器開發(fā)裝置，不需整車甚至不需制動(dòng)器的參與就能夠測試ABS控制軟件的大部分功能，對ABS的開發(fā)提供了極大的便利。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，所設(shè)計(jì)的ABS控制器開發(fā)裝置主要包括三部分：一是驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器，主要用于模擬車輪的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)，二是硬件設(shè)備部分，包括四個(gè)代表車輪的齒圈和分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)齒圈的四個(gè)電機(jī)，四個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，用于進(jìn)行各種控制的控制面板，以及用于表示各個(gè)電磁閥、ABS電機(jī)和警告燈的狀態(tài)的LED指示燈;三是運(yùn)行于上位機(jī)PC上的GUI界面軟件，主要用于各種參數(shù)設(shè)定，以及采集和監(jiān)控ABS控制器實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)，包括原始輪速、參考車速、各個(gè)電磁閥狀態(tài)等。

3 驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的ABS控制器開發(fā)裝置的主要核心是驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器的設(shè)計(jì)，必須要實(shí)現(xiàn)的功能包括：

(1)能夠按照設(shè)定令齒圈穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)于某一轉(zhuǎn)速下;

(2)能夠以不同的加速度和減速度對齒圈實(shí)施快速調(diào)速，以模擬車輛在不同路面和不同工況下制動(dòng)時(shí)的輪速變化，調(diào)速的精度要求較高;

(3)能與目標(biāo)開發(fā)的ABS控制器以及上位機(jī)的GUI軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

根據(jù)功能要求，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器的電路框圖如圖2所示。

其中的主控芯片選用的是英飛凌公司的16位單片機(jī)XC164CS，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)運(yùn)算速度快，單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行速度，其允許的最大時(shí)鐘頻率為40M赫茲;

(2)存儲器容量大，片內(nèi)有用于存放代碼的128KB可擦寫Flash和用于存放數(shù)據(jù)變量的2KB雙口RAM+2KB數(shù)據(jù)的SRAM;

(3)內(nèi)部資源豐富。具有16×8種優(yōu)先級、高達(dá)80個(gè)中斷源的中斷系統(tǒng)，2組共5個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器單元，14個(gè)10位精度的A/D轉(zhuǎn)換通道，2組共32個(gè)捕捉/比較通道，2個(gè)異步/同步串行接口(ASC)，2個(gè)高速同步串行接口(SSC)，2個(gè)CAN接口以及高達(dá)79個(gè)普通I/O口線;

(4)程序下載和調(diào)試方便，具有片內(nèi)自舉引導(dǎo)程序，可通過串口下載程序，帶有片上調(diào)試接口(OCDS)，可通過Keil-C166等編譯器對程序進(jìn)行單步和斷點(diǎn)調(diào)試。

XC164CS的這些優(yōu)點(diǎn)完全能滿足本設(shè)計(jì)高速實(shí)時(shí)控制的要求。

由于XC164CS需要兩種內(nèi)核電壓5V和2.5V才能正常工作，因此采用了能夠產(chǎn)生這兩種電壓的TLE7469GV52作為電源管理芯片可簡化電路的設(shè)計(jì)，TLE7469GV52是英飛凌公司的LDO電源芯片，它具有低電壓報(bào)警、過熱和過載保護(hù)以及看門狗等功能，為本設(shè)計(jì)提供了非常優(yōu)秀的電源管理方案。

對于電機(jī)控制，本設(shè)計(jì)使用了電壓調(diào)速的直流電機(jī)，采用了ADI公司的AD5336作為D/A輸出芯片，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，圖3是AD5336的功能框圖，該芯片的特點(diǎn)是片內(nèi)具有四個(gè)單獨(dú)控制的10位精度D/A輸出通道，低功耗，采用并行接口，D/A轉(zhuǎn)換更新時(shí)間僅需6μs，完全可以滿足本設(shè)計(jì)中對電機(jī)進(jìn)行高精度和快速調(diào)速的要求，另外片內(nèi)每個(gè)D/A通道帶有軌-軌輸出緩沖型放大器，帶負(fù)載能力強(qiáng)，因此不需任何外圍電路即可直接驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)速的直流電機(jī)，采用這種方式可大大簡化電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，也簡化了電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)。

在本設(shè)計(jì)中采用了無源磁電式的輪速傳感器，其輸出為正弦信號，在輪速處理模塊中采用了LM139作為電壓比較芯片，實(shí)現(xiàn)正弦信號向方波信號的轉(zhuǎn)換，利用 XC164CS的CC2模塊對輪速脈沖的捕捉，實(shí)時(shí)監(jiān)測四個(gè)齒圈的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對齒圈電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋控制，從而保證對齒圈轉(zhuǎn)速控制的準(zhǔn)確度。CAN接口的設(shè)計(jì)是為了滿足本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器、目標(biāo)開發(fā)的ABS控制器和上位機(jī)GUI軟件三方的相互通訊。OCDS接口和ASC接口則是為了程序下載和調(diào)試方便而設(shè)計(jì)的。

4 軟件設(shè)計(jì)

本開發(fā)裝置的核心原理是用驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器來模擬制動(dòng)器，將目標(biāo)開發(fā)的ABS控制器對制動(dòng)器的干預(yù)，即通過控制各個(gè)電磁閥實(shí)現(xiàn)加壓、減壓、保壓等動(dòng)作，轉(zhuǎn)化為對驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器發(fā)送相應(yīng)的控制信息。驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器根據(jù)ABS控制器發(fā)來的控制信息，模擬制動(dòng)器的加壓、減壓、保壓等動(dòng)作來對齒圈電機(jī)進(jìn)行調(diào)速、ABS控制器通過齒圈的轉(zhuǎn)速傳感器來獲得輪速信號，進(jìn)而繼續(xù)ABS制動(dòng)控制，從而達(dá)到檢測ABS制動(dòng)器控制軟件的目的。

另外，在軟件設(shè)計(jì)中還考慮到了不同路面的影響，即在不同附著系數(shù)的路面上制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器通過模擬制動(dòng)器的動(dòng)作而反映到齒圈電機(jī)轉(zhuǎn)速上的變化也不同，在本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器能夠模擬出高附著路面、低附著路面、附著系數(shù)突變路面(即對開路面)和附著系數(shù)分離路面(即對接路面)四種路面上的制動(dòng)情況。

根據(jù)上述的軟件設(shè)計(jì)，下面簡單說明本開發(fā)裝置的工作過程和對ABS控制器的驗(yàn)證。

(1)將目標(biāo)開發(fā)的ABS控制器接入系統(tǒng)并上電，驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器便實(shí)時(shí)對CAN總線上的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析處理，當(dāng)接收到GUI軟件的速度設(shè)定和調(diào)整命令，驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器則根據(jù)相應(yīng)設(shè)定令齒圈電機(jī)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，ABS控制器此時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)計(jì)算出輪速、輪加減速度等多種參量，并發(fā)送到CAN總線上。GUI界面將這些信息以作圖等方式打印到屏幕上，從而可以實(shí)時(shí)觀測到ABS控制器的各種計(jì)算是否準(zhǔn)確。

(2)通過GUI界面選擇一種路面并發(fā)出制動(dòng)命令，驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器首先是模擬常規(guī)制動(dòng)，以某一固定減速度對齒圈電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，此時(shí)，ABS控制器應(yīng)通過檢測齒圈轉(zhuǎn)速傳感器信號而判斷需要進(jìn)入ABS制動(dòng)干預(yù)，從而向CAN總線上發(fā)送相應(yīng)的控制信息，驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)電機(jī)根據(jù)這些控制信息模擬制動(dòng)器的動(dòng)作而對齒圈電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，通過對齒圈的轉(zhuǎn)速變化和LED指示燈的觀察，以及觀測GUI界面上獲取得到的ABS控制器的各種計(jì)算結(jié)果，包括輪速曲線、電磁閥狀態(tài)等，可以驗(yàn)證ABS控制器的控制流程是否正確。

5 結(jié)語

本文基于高性能的16位單片機(jī)XC164CS和高精度的D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5336，成功設(shè)計(jì)并開發(fā)出了能夠模擬車輛制動(dòng)時(shí)的輪速變化的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模擬控制器，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒圈的方式模擬車輪運(yùn)轉(zhuǎn)，利用簡單的LED指示燈表示各種電磁閥狀態(tài)和ABS電機(jī)狀態(tài)，能夠驗(yàn)證目標(biāo)開發(fā)的ABS控制器的大部分控制功能，對于新開發(fā)的ABS控制器，只需對其控制軟件進(jìn)行適應(yīng)于本開發(fā)裝置操作的適量修改，而無需整車或制動(dòng)器的參與，也無需進(jìn)行大量的道路實(shí)驗(yàn)，從而大大降低了ABS開發(fā)成本，也極大的縮短了ABS開發(fā)周期。