ARM嵌入式汽車(chē)節能控制系統

引言

　　由于各種原因，公交車(chē)總是不斷重復加速―減速或停車(chē)―再加速的過(guò)程。通過(guò)加裝本節能裝置，當汽車(chē)需要制動(dòng)時(shí)，在主控單元的控制下，可將汽車(chē)行駛時(shí)具有的巨大動(dòng)能通過(guò)空氣壓縮機轉化成高壓氣體的勢能并儲存起來(lái)，從而實(shí)現汽車(chē)減速或停車(chē)。當汽車(chē)需要啟動(dòng)或加速時(shí)，用儲存起來(lái)的高壓氣體勢能代替燃油來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)，從而實(shí)現汽車(chē)能量的回收再利用，達到節能的效果。同時(shí)由于汽車(chē)在起動(dòng)或加速時(shí)能耗最大，如果汽車(chē)是用燃油驅動(dòng)，則此時(shí)油料燃燒不充分，燃燒效果最差，而且產(chǎn)生的噪音最大。

系統工作原理

　　本系統主要由三部分組成，即檢測部分，控制部分和執行機構。檢測部分包括踏板位置傳感器、曲軸位置傳感器、壓縮機活塞位置傳感器、汽車(chē)運行速度傳感器、儲氣罐壓力傳感器等信號的檢測。執行機構主要包括雙向可控電磁閥和電磁離合器?？刂撇糠种饕?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/ARM">ARM微處理器組成的控制系統及一些外圍電路構成。本文主要介紹該系統的控制部分。該裝置的作用就是將剎車(chē)時(shí)本應由摩擦來(lái)消耗掉的汽車(chē)動(dòng)能，改為由氣體的勢能來(lái)消耗，在啟動(dòng)時(shí)，利用剎車(chē)時(shí)儲氣罐內儲存的高壓氣體勢能來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)行走，當車(chē)速到達一定值如20km/h 時(shí)，再切換到由汽車(chē)發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的模式。

系統硬件設計

　　由于該節能裝置需檢測的模擬量較多，如儲氣罐內的壓力、制動(dòng)踏板的位置、車(chē)速、活塞運行位置和油門(mén)踏板位置等數據，而且有些是需實(shí)時(shí)監控的，如儲氣罐內的壓力等，需要使用多任務(wù)執行方可實(shí)現，而普通單片機無(wú)法滿(mǎn)足這一要求。因此需根據實(shí)際情況，選用合適的處理器芯片，加上各種數據和程序存儲芯片構成最小系統。同時(shí)，增加數據采集、顯示、通信接口、控制執行單元和電源管理模塊等，來(lái)組成一個(gè)完整的控制系統。由于目前汽車(chē)應用CAN現場(chǎng)總線(xiàn)比較廣泛，因此，為了與汽車(chē)的控制系統連接的方便，還增加了CAN總線(xiàn)接口，由此構成了整個(gè)硬件系統。系統的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

S3C44BOX

　　由于設計要求系統能隨車(chē)采集信號，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，對主控模塊的要求較高，因此主控制模塊應當是以高性能的微處理器為核心而組成的一個(gè)最小系統。根據具體應用的要求，實(shí)際應用的反映情況，選用了Samsung公司的ARM芯片S3C44BOX，其主要性能如下：

　　Samsung公司推出的16/32位RISC處理器S3C44BOX為一般類(lèi)型的應用提供了高性?xún)r(jià)比和高性能的微控制器解決方案。為了降低成本， S3C44BOX提供了豐富的內置部件，包括:8KB的Cache，內部SRAM, LCD控制器，帶自動(dòng)握手的2通道DART, 4通道DMA，系統管理器(片選邏輯，FP/EDO/SDRAM控制器)，帶有PWM功能的5通道定時(shí)器，I/O端口，RTC, 8通道10位ADC，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，同步SIO接口和PLL倍頻器。

　　S3C44BOX的突出特性是它的CPU核，是由ARM公司設計的16/32位ARM7TDMI RISC處理器(66MHz)。ARM7TDMI體系結構的特點(diǎn)是它集成了Thumb代碼壓縮器，ICE (In Circuit Emulator)斷點(diǎn)調試支持，和一個(gè)32位的硬件乘法器。

數據采集單元

　　數據采集單元的作用就是對需要的模擬信號進(jìn)行采集、處理后送到處理器進(jìn)行處理。在該單元中，核心是對模擬信號的調理。由于系統要采集到汽車(chē)的儲氣罐內的壓力數據、制動(dòng)踏板的位置數據、車(chē)速、離合器切合位置和油門(mén)踏板位置等數據，因此需要多路數據采集通道。各通道的數據必須完成信號的調理后，才能送到處理器進(jìn)行處理。該采集單元的信號采集通道框圖如圖2所示。

圖2 信號采集通道

控制執行單元

　　控制執行單元的功能主要是接收處理器發(fā)出的數字量，經(jīng)過(guò)隔離及驅動(dòng)后，送到執行機構如電磁閥、繼電器、離合器等來(lái)使行相應的動(dòng)作。功能框圖如圖3所示。

圖3 控制執行單元

　　這一級相對來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，但為了防止外界對系統的干擾，須采用隔離。隔離器件采用普通的光電禍器即可，系統中采用TLP521-1。

數據顯示模塊

　　在系統的設計中，為了對采集的數據進(jìn)行監控，使得調試更為方便、直觀(guān)，因此增加了數據顯示模塊。S3C44BOX集成了LCD (Liquid Cristal Display)控制器，該控制器支持在LCD上的單色、4級、16級灰度、256色的顯示，具有很強的通用性，S3C44BOX的LCD控制器的作用是將緩存中的數據傳送到外部的LCD驅動(dòng)器，并產(chǎn)生必須的LCD控制信號。LCD控制器可以編程支持不同水平和垂直點(diǎn)數(640480，320240， 160160等)、不同數據線(xiàn)寬度、不同接口時(shí)序和刷新速率的LCD，支持4位雙掃描、4位單掃描、8位單掃描模式，并支持水平/垂直滾動(dòng)，以用來(lái)支持更大的屏幕顯示(如1280 1280)。

　　由于不同尺寸的LCD具有不同數量的垂直和水平象素、數據接口、數據寬度、接口時(shí)間和刷新率，S3C44BOX中的LCD控制器可以對相應的寄存器值進(jìn)行編程，以適應不同的LCD顯示板。LCD控制器邏輯框圖如下圖4所示。

圖4 LCD控制器邏輯框圖

電源模塊

　　在本系統設計中，由外部供給系統單一的9V電源，通過(guò)三端穩壓AS1117-5.0, AS1117-3.3和AS1117-2.5，分別得到5.0V, 3.3V以及2.5V。AS1117系列穩壓器最大能提供800mA電流，由于本系統功耗較低，最大需求電流不超過(guò)300mA，因此用AS1117足以滿(mǎn)足系統的供電需求。另外的兩套15V電源由DC/DC變換器供給?？紤]到系統中有數字電路和模擬電路，由于數字電路的電流變化較快，容易產(chǎn)生脈沖干擾，從而影響模擬信號的采樣精度，因此應把數字地和模擬地分開(kāi)。

調試接口

　　S3C44BOX內嵌JTAG測試電路，使得調試起來(lái)非常方便。JTAG是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內部測試及對系統進(jìn)行仿真、調試，JTAG技術(shù)是一種嵌入式調試技術(shù)，它在芯片內部封裝了專(zhuān)門(mén)的測試電路TAP (Test Access Port，測試訪(fǎng)問(wèn)口)，通過(guò)專(zhuān)用的JTAG測試工具對內部節點(diǎn)進(jìn)行測試。JTAG測試允許多個(gè)器件通過(guò)JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現對各個(gè)器件分別測試。JTAG接口還常用于實(shí)現ISP(In System Programmable)功能，如對Flash器件進(jìn)行編程等。

　　目前JTAG接口的連接有兩種標準，即14針接口和20針接口，在本設計中，采用的是14針的接口。該接口主要通過(guò)下載電路與計算機的并行口相連，在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境之下，使用相應的JTAG下載代理軟件就可以用來(lái)進(jìn)行系統調試，而不需專(zhuān)門(mén)的仿真器，這樣可以降低開(kāi)發(fā)的成本。

通信單元

　　在系統設計中，考慮到數據傳送、下載以及調試的方便，增加了串行通信RS-232C接口。另外，考慮到系統升級的方便，以及為了與現在流行的汽車(chē)總線(xiàn)接口的方便，增加了CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的接口。

　　本系統中選用MAX232。MAX232可以實(shí)現TTL電平和RS-232電平之間的轉換。由于在實(shí)際應用中，器件對電源噪聲很敏感，因此MAX232 的VCC引腳必須要對地加0.lmF去耦電容，另外，為提高抗干擾能力，添加了四個(gè)l0mF電容，在連接在內部電源引腳輸出端。MAX232芯片第7, 8引腳接入分別到串行口的第3, 2引腳;9, 10引腳接處理器的RXD, TXD引腳，實(shí)現與處理器的連接。

　　需要注意的是， MAX232是5V器件，而處理器芯片是用的是3V供電，因此需要考慮電平轉換，否則將無(wú)法正常收發(fā)數據。由于Maxim公司已經(jīng)注意到這點(diǎn)并推出了專(zhuān)用 3V供電的器件MAX3232C，利用它就可以無(wú)需考率3V到5V的電平轉換問(wèn)題。MAX3232C與處理器的接口電路如圖5所示。

圖5 RS-232C與處理器的通信接口電路

系統軟件設計

　　在本系統中，主程序是整個(gè)程序的核心，擔負著(zhù)系統的運行、控制的主要任務(wù)，需要對其控制流程進(jìn)行仔細考慮，以完成所需的控制要求。

　　在程序開(kāi)始時(shí)，首先對系統進(jìn)行初步的初始化。之后，采集各種數據并判斷數據是否正常，如果正常，則顯示數據并等待中斷，根據中斷轉向相應的中斷服務(wù)子程序。如果數據不正常，則通過(guò)報警來(lái)提示用戶(hù)檢查數據，直到數據正常才執行其他程序。如果一切正常，且沒(méi)有剎車(chē)和啟動(dòng)等控制，則可以與其他設備進(jìn)行通信等操作。具體的流程見(jiàn)圖6所示。

圖6 系統主程序流程圖

系統的抗干擾設計

　　要達到良好的系統控制效果需要在系統設計中非常注意它的抗干擾性和可靠性。本系統由于采用高速ARM作為核心處理器，它的高頻信號不僅容易受到干擾，而且也會(huì )成為系統的干擾源，因此有必要對整個(gè)系統，特別是ARM部分的抗干擾及保護做更多的處理。

　　硬件部分，控制系統的電源及功率驅動(dòng)部分抗干擾措施主要就是從防和抗兩方面入手。其總原則是：抑制或消除干擾源;切斷干擾對系統的耦合通道;降低系統對干擾信號的敏感性?？垢蓴_設計的具體措施包括：隔離、接地、屏蔽、濾波等常用方法。

　　軟件部分，本系統的軟件主要采用了以下幾種軟件抗干擾設計：

軟件陷阱法

　　測試系統在遇到外界干擾時(shí)，往往會(huì )導致運行程序進(jìn)入程序存儲器的空白區(即無(wú)指令區)，這種現象叫做程序“跑飛”。于是在各子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處，都寫(xiě)上連續3個(gè)空操作指令(nop)，后接一無(wú)條件轉移指令，一旦程序跑飛到這些區域，就會(huì )自動(dòng)返回執行正常程序。

程序的冗余設計

　　在程序存儲器的空白區域，寫(xiě)入一些重要的數據表和程序作為備份，以便系統程序被破壞時(shí)仍有備份參數和程序維持系統正常工作。由于 TMS320LF2407A的數據存儲以數據頁(yè)為基準，如果對不同數據頁(yè)的數據進(jìn)行操作而不指定相應的數據頁(yè)，會(huì )導致程序跑飛。因此需要對程序未使用滿(mǎn)的數據頁(yè)進(jìn)行填充，防止數據頁(yè)混亂導致的系統誤操作。

結語(yǔ)

　　加裝了能量回收再利用裝置后，當汽車(chē)在加速或重新起動(dòng)初期，可以利用存儲的高壓氣體驅動(dòng)汽車(chē)，不需要燃料，可以較少汽車(chē)尾氣對環(huán)境的污染。因此，該裝置不僅可以節約能源，而且有利于環(huán)保。

參考文獻：

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