尋跡小車(chē)中分布式控制系統的設計

本文將介紹一種應用于尋跡小車(chē)的分布式控制系統的設計方法，該系統可對電機模塊、傳感器模塊和燈控模塊進(jìn)行分布式控制。這樣設計是為該系統將來(lái)從尋跡小車(chē)到真車(chē)進(jìn)行移植提供方便。

此尋跡小車(chē)模型采用7.5V電池驅動(dòng)，通過(guò)改變PWM占空比調速。小車(chē)可以在不完全確定的道路環(huán)境下，通過(guò)自我判斷，對周?chē)h(huán)境進(jìn)行探測，并做出相應的反應（如左拐彎、右拐彎和改變速度等）。目前用在機器人上的多為價(jià)格較貴的超聲波傳感器和紅外傳感器等，本設計采用價(jià)格便宜的反射式光耦傳感器來(lái)完成對周?chē)h(huán)境的感知。此外，小車(chē)還具有良好的導航系統。

系統結構

本系統采用分布式結構，如圖1所示。因為在車(chē)身控制系統中控制對象多而且分散，若采用點(diǎn)對點(diǎn)的集中控制方式，控制模塊與被控對象之間就需要大量連接電纜，會(huì )導致車(chē)內布線(xiàn)復雜且制造和安裝困難，并存在故障隱患。分布式系統結構可以根據控制對象的位置來(lái)設計控制模塊，從而縮短了控制對象與控制模塊之間的距離。各模塊間通過(guò)LIN總線(xiàn)來(lái)通信，該方式僅需要一根線(xiàn)作為通信線(xiàn)。此外，分布式系統結構還可降低單板的靜態(tài)電流，增加單板的穩定性。

圖1 分布式車(chē)身控制系統結構圖

圖2 主控制器模塊硬件原理圖

1 主控制模塊的設計

根據系統功能要求和結構特點(diǎn)，本控制系統被分成主控模塊和三個(gè)子模塊（傳感器模塊、電機控制模塊和燈控模塊）。其中主控模塊主要檢測車(chē)身主體部分控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并根據這些控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)實(shí)現相應的控制策略，然后將控制命令通過(guò)CAN總線(xiàn)和LIN總線(xiàn)發(fā)送給相應的子模塊，之后根據各子模塊反饋的負載狀態(tài)判斷是否存在故障，若有故障則報警顯示。同時(shí)，CAN總線(xiàn)接收上層CAN網(wǎng)絡(luò )的某些信息。主控制模塊的微控制器采用了可靠性高、抗干擾能力強的汽車(chē)專(zhuān)用芯片XC164CS，其內部集成了CAN的控制器。圖2是主控制模塊的硬件原理圖。

2 直流電機驅動(dòng)與控制模塊的設計

電機控制模塊中的微控制器采用的也是XC164CS，這是由于該系列微控制器中都有相應的單元可以實(shí)現對電機的控制，相當方便。本設計使用了兩路電機控制小車(chē)的后輪驅動(dòng)和前輪轉向。對直流電機的驅動(dòng)和控制采用了電機控制接口芯片TLE6209，它的內部集成了一個(gè)H型橋式電路，用來(lái)驅動(dòng)電機，實(shí)現電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動(dòng)、反轉和反轉制動(dòng)。16位微控制器XC164CS通過(guò)內部的CAPCOM模塊產(chǎn)生一個(gè)10kHz的PWM信號給TLE6209，觸發(fā)H橋電路。

3 傳感器模塊的設計

傳感器模塊中采用了微控制器XC866，主要用來(lái)采集8個(gè)傳感器的值，傳送給主控制板的XC164CS進(jìn)行處理，然后產(chǎn)生相應的策略改變PWM占空比對驅動(dòng)和轉向電機做出相應的控制。同時(shí)，還要完成對通信模塊數據的發(fā)送和接收，其硬件框圖如圖3所示。

圖3 傳感器模塊硬件框圖

當反光板反射式光電開(kāi)關(guān)CNY70檢測到給定的白色（或黑色）路線(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生相應的電平信號，經(jīng)XC866采集再通過(guò)LIN總線(xiàn)傳送給主控制器。

系統通信

小車(chē)的各個(gè)電子控制單元之間通過(guò)LIN總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)連接。

本系統中CAN收發(fā)器采用了TLE6250G，電機信息的傳輸需要高速的數據傳輸率（200Kb/s）以達到實(shí)時(shí)控制電機的要求。CAN的數據發(fā)送速率高達1Mb/s，可工作于只接收模式和空閑模式，具有優(yōu)良的EMC特性和各種保護功能；而LIN總線(xiàn)因為數據傳輸率較低以及從確保高安全性能的角度來(lái)考慮并不合適。

圖4 串行通信/LIN總線(xiàn)硬件電路

使用CAN、LIN結合的網(wǎng)絡(luò )結構可以兼顧CAN總線(xiàn)實(shí)時(shí)性強、可靠性高、通信速率快、互操作性好、靈活性高和LIN網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，更好地搭建汽車(chē)的網(wǎng)絡(luò )系統。

本系統采用了TLE6258系列LIN總線(xiàn)收發(fā)器，它作為介于協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，特別適合在汽車(chē)和工業(yè)應用的LIN系統中用來(lái)驅動(dòng)總線(xiàn)，且可用于標準的ISO9141系統。TLE6258提供空閑模式以減少電流損耗，通過(guò)在總線(xiàn)上發(fā)送喚醒幀，可把主機或從機從空閑模式喚醒，返回到正常的操作模式。圖4是本系統的LIN總線(xiàn)硬件電路圖。

如圖4所示，系統通過(guò)接插件K1在串行通信和LIN總線(xiàn)通信之間進(jìn)行選擇，TXD0（串行發(fā)送）和RXD0（串行接收）信號來(lái)自微控制器。當TXD0和RXD0同TLE6258接通時(shí)，系統與LIN總線(xiàn)連接，而與MAX232連接時(shí)，系統執行串行通信功能。圖4中INH是禁止輸入引腳，高電平有效，收發(fā)器引腳TxD接收來(lái)自微控制器引腳TXD0的數據，同時(shí)將數據發(fā)送至總線(xiàn)，在發(fā)送數據的同時(shí)進(jìn)行自接收，并通過(guò)引腳RxD將自接收的數據反饋給微控制器。微控制器接收到反饋回來(lái)的數據后調用接收中斷，接收中斷不斷發(fā)送和自接收數據，從而實(shí)現LIN總線(xiàn)的通信。本系統中數據通信主要是主模塊向三個(gè)模塊發(fā)送控制命令和三個(gè)子模塊向主模塊反饋狀態(tài)數據。

軟件設計

系統中各個(gè)ECU通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送接收命令，實(shí)現相互通信，從而實(shí)現數據的共享等。軟件設計基于DAVE和KEIL軟件編寫(xiě)，程序主要由CAN初始化、發(fā)送數據和接收數據三部分組成，如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

結論

本設計方案可實(shí)現分布式車(chē)身控制系統的基本功能，且結構簡(jiǎn)單、成本低。此外，這一設計思想同樣也適用于真車(chē)的控制。汽車(chē)電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，將促使CAN、LIN和正在發(fā)展的更高速、具有容錯性的總線(xiàn)技術(shù)有機組合，構成安全、舒適，更滿(mǎn)足人們需求的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )。