基于ARM處理器的汽車電子控制系統(tǒng)單元ECU設(shè)計

　　隨著電子控制系統(tǒng)單元（ECU）在汽車上廣泛應(yīng)用,汽車電子化程度越來越高。電控系統(tǒng)的增加雖然提高了汽車的動力性、經(jīng)濟性和舒適性,但隨之增加的復(fù)雜電路,必然導致車身布線龐大而且復(fù)雜,安裝空間短缺。同時,為了提高電控單元信息利用率,要求大批的數(shù)據(jù)信息能在不同的電子單元間共享,汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號也需要實時交換,不同功能電子控制系統(tǒng)單元間的數(shù)據(jù)通信變得越來越重要。因此對電子控制系統(tǒng)單元的設(shè)計提出了越來越高的要求,不僅要求通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有通信速率高、準確、可靠性高的特點,同時要求控制模塊上應(yīng)具有控制實效性高、空間小等優(yōu)點。

　　本文采用了基于CAN總線技術(shù),設(shè)計開發(fā)了應(yīng)用于汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的電子控制系統(tǒng)單元。

　　1 電子控制系統(tǒng)單元can通信模塊的設(shè)計

　　根據(jù)can通信原理,電子控制系統(tǒng)單元can通信模塊硬件主要由can控制器、can驅(qū)動器及中心微處理器構(gòu)成。傳統(tǒng)的can通信模塊采用51系列的單片機作為中心處理器,sja1000作為can控制器,pca82c250作為can驅(qū)動器。這種方案所占空間大,外圍接口擴展局限,同時功耗高。本設(shè)計中,我們采用內(nèi)嵌有can控制器的lpc2119和tja1050總線驅(qū)動器構(gòu)成電子控制系統(tǒng)單元的can通信模塊。can通信模塊硬件圖如圖1所示。

　　LPC2119內(nèi)帶有ARM7內(nèi)核,具有封裝小、功耗低、多個32位定時器、4路10位adc、2路can以及多達9個外部中斷等優(yōu)點。tja1050是philips公司生產(chǎn)的,用以替代pca82c250的高速can總線驅(qū)動器。該器件提供了can控制器與物理總線之間的接口以及對can總線的差動發(fā)送和接收功能。對于由"弱"終端構(gòu)成的端節(jié)點,tja1050外圍的電阻和電容能改善系統(tǒng)的emc性能。實踐證明,采用lpc2119和tja1050構(gòu)造can通信模塊,外圍擴展能力強,空間小,同時改進電磁輻射（eme）性能和抗電磁干擾（emi）性能。

　　2 電子控制系統(tǒng)單元控制模塊的設(shè)計

　　傳統(tǒng)的"蜘蛛網(wǎng)式"控制模塊,電路復(fù)雜,維修難度高。本設(shè)計中,我們采用功率模塊、人機通信模塊、狀態(tài)量輸入模塊的結(jié)合,構(gòu)造出電子控制系統(tǒng)單元控制模塊,提高了整個系統(tǒng)的可觀性和實效性?？刂颇K硬件圖如圖2所示。

　　2.1 功率模塊

　　考慮到汽車功率負載大及l(fā)pc2119的i/o口驅(qū)動的局限,系統(tǒng)中采用功率模塊作為中心微處理器與功率負載之間的橋梁。

　　設(shè)計中,我們采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的mc33888功率器件控制遠光燈、近光燈、倒車燈、剎車燈。mc33888內(nèi)部集成有四路高端燈驅(qū)動器和8路繼電器或發(fā)光二極管驅(qū)動器,是一個可控制網(wǎng)絡(luò),具有在板診斷、與微控制器通信報錯能力及故障軟化等優(yōu)點?？紤]到車內(nèi)燈和示廊燈的功率相對比較大,我們采用mc33487功率器件進行控制。mc33487內(nèi)部集成兩路帶有電流感應(yīng)的20毫歐姆高端驅(qū)動器,電流輸出4.5a.感性負載以及大電流的短路保護是整個設(shè)計的難點。mc33887具有功耗低、等待模式下電流25微安、輸出電流超過8安的短路關(guān)斷等優(yōu)點,所以系統(tǒng)采用mc33887功率器件對電機、鎖、天線、洗滌泵進行控制。

　　2.2 人機通信模塊

　　為了提高駕駛員和乘客的舒適性、安全性,整個系統(tǒng)必須在人和機器之間建立良好的人機通信模塊。bc7281、鍵盤模塊及外圍的led之間的結(jié)合,構(gòu)造出人機通信模塊。bc7281是比高公司推出的16位數(shù)碼管顯示及鍵盤接口專用芯片。該芯片通過外接移位寄存器（74hc164、74ls595等）可控制16位數(shù)碼管或者128只獨立的led。bc7281的驅(qū)動輸出極性及輸出時序均可通過軟件進行控制,從而和各種驅(qū)動電路配合,適合任何尺寸的數(shù)碼管。

　　通過人機通信模塊,人的意識能夠為機器所識別,同時機器也可以將一些相應(yīng)的狀態(tài)信息反饋到led或者lcd上,達到人機通信的可視化效果。

　　2 3 狀態(tài)量輸入模塊

　　狀態(tài)量輸入模塊主要是將一些人為操作的效果（如大燈開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)）、車身狀態(tài)（如車門、窗的開關(guān)）及內(nèi)部狀態(tài)信息（如油量、水溫）反饋給中心處理器。中心處理器對反饋信息進行分析處理,就可以準確判斷本車所處的狀況,并做出相應(yīng)的操作。

　　外部狀態(tài)信息可以分為開關(guān)量和模擬量。通過一系列外圍電路（如整形防顫電路）,我們將開關(guān)量轉(zhuǎn)換成cpu可識別的0v和+5v高低電平。在模擬量處理上,先經(jīng)過歸一化處理電路,將水溫、油量、氣壓、室溫的變化轉(zhuǎn)化為0v到5v之間電信號,然后通過lpc2119內(nèi)嵌的4路10位ad轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。利用現(xiàn)有的can通信模塊將這些數(shù)字量傳輸?shù)今{駛員附近的電子控制系統(tǒng)單元,再經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換器,反應(yīng)在儀器儀表上。

　　3 電子控制系統(tǒng)單元軟件設(shè)計

　　對于lpc2119微處理器來說,can控制器完全是基于事件觸發(fā)的,即在本身狀態(tài)發(fā)生改變時,can控制器會將狀態(tài)變化的結(jié)果告訴微處理器。因此中心微處理器可以采用中斷的方式或者輪詢的方式對can控制器作出相應(yīng)的處理。完整的can固件編程層次結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　各電子控制系統(tǒng)單元按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上,同時根據(jù)需要各取所需的報文。對于接收數(shù)據(jù),本系統(tǒng)采用中斷的方式實現(xiàn),一旦中斷發(fā)生,即將接收的數(shù)據(jù)自動裝載到相應(yīng)的報文寄存器中。此時利用屏蔽濾波寄存器對接收報文的標識符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時設(shè)定的標識符進行有選擇地逐位比較,只有標識符匹配的報文才能進入接收緩沖器,那些不符合要求的報文將被屏蔽于接收緩沖器外,從而減輕cpu處理報文的負擔。

　　各電子控制系統(tǒng)單元的應(yīng)用層程序都不一樣,但是通信模塊的應(yīng)用程序基本上一致,可分為can初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)。

　　3.1 can初始化程序

　　can初始化程序主要用來實現(xiàn)can工作時的參數(shù)設(shè)置,其初始化主要內(nèi)容包括：硬件使能can、設(shè)置can報警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置can驗收濾波器的工作方式、設(shè)置can控制器的工作模式等。初始化流程圖如圖4所示。

　　3. 2 發(fā)送數(shù)據(jù)程序

　　對can模塊初始化成功后,就可以用它來傳送報文。節(jié)點向總線上發(fā)送報文的過程是：lpc2119將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按can格式組成一幀報文,寫入can模塊發(fā)送緩沖區(qū),然后啟動發(fā)送命令,將報文發(fā)送到總線上。發(fā)送流程圖如圖5所示。

　　在使用發(fā)送函數(shù)時有一點必須注意,因為在啟動發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后,can控制器要將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,才會將該幀數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功的狀態(tài)返回。這樣如果在函數(shù)里一直等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,會使整個微處理器的性能下降。為了避免這種情況,該函數(shù)在啟動發(fā)送后便立即返回,通過發(fā)送中斷或者利用查詢tcs狀態(tài)位判斷是否發(fā)送成功。

　　3.3 接收數(shù)據(jù)程序

　　本設(shè)計中,我們采用中斷的方式進行can總線上的數(shù)據(jù)接收。當lpc2119的can控制器出現(xiàn)內(nèi)部中斷時,我們先識別中斷寄存器的ri位,判斷是否為接收中斷,然后讀取接收緩沖區(qū)的內(nèi)容。其接收流程圖如圖6所示。

　　4 結(jié)論

　　實踐證明,基于can總線技術(shù),帶arm7內(nèi)核的汽車電子控制系統(tǒng)單元空間小,實效性高。特別是它的數(shù)據(jù)通信具有很強的

實時性、更高的可靠性和更好的抗干擾能力,即使在重負荷下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況,但投入實用化仍需要進一步的研究和改進,且程序的通信處理能力、糾錯和容錯能力有待進一步的提高。

　　參考文獻

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