基于PIC16F877A的CAN智能傳感器設計
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隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，對車(chē)輛駕駛性能和安全舒適性的要求大為提高，使得車(chē)輛上的電子控制單元數量逐步增加，但是，車(chē)輛上的電控單元(如，各種開(kāi)關(guān)、執行器、傳感器等)的連接仍然以傳統的配線(xiàn)束來(lái)實(shí)現，使得車(chē)內線(xiàn)束過(guò)多且布線(xiàn)復雜，從而造成了嚴重的電磁干擾，導致系統的可靠性下降。在高級轎車(chē)上，電子元件及其系統占據了整車(chē)超過(guò)20％的價(jià)格，而且，有日漸增加的趨勢。在這種情況下，車(chē)內電控線(xiàn)路就會(huì )更加復雜，如何使車(chē)內的裝置網(wǎng)絡(luò )化，并降低配線(xiàn)束數量等成為改善車(chē)內系統的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。
| 隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，對車(chē)輛駕駛性能和安全舒適性的要求大為提高，使得車(chē)輛上的電子控制單元數量逐步增加，但是，車(chē)輛上的電控單元(如，各種開(kāi)關(guān)、執行器、傳感器等)的連接仍然以傳統的配線(xiàn)束來(lái)實(shí)現，使得車(chē)內線(xiàn)束過(guò)多且布線(xiàn)復雜，從而造成了嚴重的電磁干擾，導致系統的可靠性下降。在高級轎車(chē)上，電子元件及其系統占據了整車(chē)超過(guò)20％的價(jià)格，而且，有日漸增加的趨勢。在這種情況下，車(chē)內電控線(xiàn)路就會(huì )更加復雜，如何使車(chē)內的裝置網(wǎng)絡(luò )化，并降低配線(xiàn)束數量等成為改善車(chē)內系統的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。 在車(chē)輛的網(wǎng)絡(luò )化與通信系統中，局部網(wǎng)絡(luò )的方法越來(lái)越豐富，其中，CAN，Profibus，LON，ASI，EIB與eBus等網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當成熟，各種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的標準化也相繼出臺，而且，這些成熟的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已經(jīng)完成集成化工作。CAN總線(xiàn)在穩定性、即時(shí)性及其性?xún)r(jià)比等方面在汽車(chē)應用中都顯示出較強的優(yōu)勢，作為分布式控制中的局域網(wǎng)技術(shù)具有較強的競爭力。目前，很多汽車(chē)采用CAN總線(xiàn)將整個(gè)汽車(chē)控制系統聯(lián)系起來(lái)統一管理，實(shí)現數據共享和相互之間協(xié)同工作，使車(chē)內線(xiàn)束布線(xiàn)方便可靠，提高了汽車(chē)整體的安全性和性?xún)r(jià)比，增強了自身的競爭力。 實(shí)現車(chē)輛系統的網(wǎng)絡(luò )化控制的前提是網(wǎng)絡(luò )接點(diǎn)的智能化設計，包括傳感器、控制器和執行器的智能化。本文以線(xiàn)控電子節氣門(mén)為研究對象，設計了腳踏板位置傳感器、節氣門(mén)位置傳感器和節氣門(mén)位置控制執行器的CAN總線(xiàn)智能化接點(diǎn)，以此為基礎組成CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )，完成對節氣門(mén)位置的精確控制。 1 車(chē)輛CAN總線(xiàn)與分布式控制系統結構 控制局域網(wǎng)(controller area network，CAN)屬于工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)，是德國B(niǎo)osch公司20世紀80年代初作為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種通信協(xié)議。1993年11月，ISO正式頒布了高速通信CAN的國際標準(ISO 11898)。CAN總線(xiàn)系統中現場(chǎng)數據的采集由傳感器完成，目前，帶有CAN總線(xiàn)接口的傳感器種類(lèi)還不多，價(jià)格也較貴。 車(chē)輛控制系統中存在大量傳感器、電子控制單元、執行機構等，通常，多控制器共享同樣的傳感器信息，而且，實(shí)時(shí)性、快速性的要求較高，如何將它們連接起來(lái)組成分布式控制網(wǎng)絡(luò )系統是現代控制系統的一個(gè)重要發(fā)展方向?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(field control system，FCS)就是其中的一種典型的控制網(wǎng)絡(luò )結構的實(shí)現。CAN屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的多主串行總線(xiàn)，以其短報文幀和優(yōu)異的CSMA／BA逐位仲裁協(xié)議而被受現場(chǎng)設備互連的青睞。 基于CAN總線(xiàn)的車(chē)輛分布式控制網(wǎng)絡(luò )系統如圖1所示，采用現場(chǎng)總線(xiàn)式集散系統(field distributed control system，FDCS)結構，由傳感器、執行器、控制器智能節點(diǎn)以及CAN現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )組成。多個(gè)智能節點(diǎn)各自獨立完成數據采集、系統設定、運行控制等，通過(guò)CAN現場(chǎng)總線(xiàn)，各智能節點(diǎn)之間交換各種數據和管理控制信息。 |
2 線(xiàn)控電子節氣門(mén)系統原理與結構
電子節氣門(mén)控制技術(shù)最早出現于20世紀80年代初期，起初僅應用于高檔轎車(chē)上。隨著(zhù)電子技術(shù)的日益發(fā)展，能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的日益突出以及對汽車(chē)性能要求的提高，電子節氣門(mén)成為全電控發(fā)動(dòng)機上最重要的控制裝置，并已開(kāi)始廣泛應用到各種車(chē)輛上，其優(yōu)點(diǎn)在于可根據駕駛員愿望、排放、油耗和安全需求，使節氣門(mén)快速精確地控制在最佳開(kāi)度，并可設置多種控制功能來(lái)改善駕駛安全性和舒適性。目前，對這一技術(shù)進(jìn)行研究的有BMW，BOSCH，豐田等公司，而且，BMW，通用，豐田，AUDI等廠(chǎng)商在其部分車(chē)型上已經(jīng)成功應用。
如圖2所示，系統由加速踏板位置傳感器和電子節氣門(mén)體組成，節氣門(mén)體包括執行器、節氣門(mén)閥和節氣門(mén)位置傳感器3部分，它們被封裝為一體。執行器由一個(gè)直流電機和相關(guān)的傳動(dòng)部件組成。加速踏板是一個(gè)高精度線(xiàn)性電位器，作為駕駛員期望的節氣門(mén)開(kāi)度的傳感器裝置，其輸出是一個(gè)與腳踏板行程成正比的模擬電壓信號；節氣門(mén)體由正向和反向2只位置傳感器作為控制中節氣門(mén)開(kāi)度反饋信號，它通過(guò)節氣門(mén)體內部的一對高精度電位器獲取當前開(kāi)度下相應的電壓反饋值，該反饋值與節氣門(mén)打開(kāi)角度成線(xiàn)性變化。
3 智能化傳感器CAN總線(xiàn)接口設計
智能傳感器接點(diǎn)的設計是基于Microchip公司的PIC16F877A單片機和獨立CAN總線(xiàn)控制器MCP2510和CAN收發(fā)器PCA82C250來(lái)完成的。
PIC16F877A采用RISC指令系統的高性能8為微處理器，哈佛總線(xiàn)結構、低功耗、高速度。內部集成了ADC、串行外圍接口(SPI)和Flash程序存儲器，具有PWM輸出等多種功能。PIC16F877A通過(guò)SPI接口可以實(shí)現與CAN控制器MCP2510的無(wú)縫連接。
基于PIC16F877A的CAN智能傳感器節點(diǎn)的硬件原理圖如圖3所示。
智能傳感器CAN節點(diǎn)的通信模塊由獨立CAN控制器MCP2510和CAN收發(fā)器PCA82C250組成。MCP2510可以完成CAN總線(xiàn)的物理層和數據鏈路層的所有功能，支持高速SPI接口(最高數據傳輸速率可以達到5MB／s)，支持CAN2.0A／CAN2.0B協(xié)議。CAN收發(fā)器PCA82C250是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口，對物理總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，同時(shí)，它可增大通信距離，提高嵌入式CAN智能節點(diǎn)的抗干擾能力。
PIC16F877A通過(guò)SPI與CAN控制器MCP2510連接，其串行數據輸入(SDI)腳與MCP2510的SO腳相連，其串行數據輸出(SDO)腳與MCP2510的SI腳相連，其串行時(shí)鐘(SCK)腳與MCP2510的SCK腳相連。MCP2510的復位信號、片選信號由單片機提供。
通過(guò)設置PIC16F877A的SPI接口狀態(tài)寄存器和控制寄存器使SPI接口工作于主動(dòng)方式。PIC16F877A與MCP2510進(jìn)行通信時(shí)的時(shí)序是非常重要的。發(fā)送數據時(shí)，先發(fā)送寫(xiě)指令，再發(fā)送寄存器地址，最后發(fā)送數據。當MCP2510接收到由總線(xiàn)傳來(lái)的數據時(shí)會(huì )產(chǎn)生中斷，單片機響應中斷，讀取數據時(shí)先發(fā)送讀指令，再發(fā)送寄存器地址，數據會(huì )自動(dòng)寫(xiě)入單片機SPI接口的緩沖器中。
由于單片機本身帶有10位A／D轉換器，因此，腳踏板位置傳感器和節氣門(mén)位置傳感器輸出的模擬信號直接接入單片機進(jìn)行數模轉換，不需要增加新的A／D轉換裝置，在圖3中，傳感器經(jīng)由RA0／AN0輸入，為了濾掉高頻噪聲，在模數輸入口接了一個(gè)RC濾波電路。同時(shí)，電子節氣門(mén)裝置執行器直流電機的控制中，PIC16F877A有PWM口，通過(guò)連接驅動(dòng)電路可以對直流電機進(jìn)行驅動(dòng)，本裝置驅動(dòng)器采用L298。
整套CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )由腳踏板智能位置傳感器節點(diǎn)、節氣門(mén)體位置傳感器和執行器節點(diǎn)以及控制器節點(diǎn)組成，其中，腳踏板智能位置傳感器節點(diǎn)、節氣門(mén)體位置傳感器和執行器節點(diǎn)由單片機CAN總線(xiàn)機構完成，其主要功能是向控制器傳遞腳踏板位置和反饋信號節氣門(mén)位置信號，同時(shí)，接收控制器向執行器發(fā)出的驅動(dòng)指令信號?？刂破鞑捎梦C通過(guò)研華公司PCL-841卡實(shí)現CAN總線(xiàn)通信和相應的控制算法完成對線(xiàn)控電子節氣門(mén)的控制。
4 系統控制原理與實(shí)驗結果
系統控制流程如圖4所示。
控制系統是一個(gè)閉環(huán)控制的過(guò)程，腳踏板位置傳感器作為系統的輸入，A／D轉換后通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送到控制器。同樣，節氣門(mén)位置傳感器作為反饋信號，A／D轉換后通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送到控制器，兩信號在控制器中進(jìn)行比較，并由控制器采用相應的控制算法(如PID等)進(jìn)行決策，決策結果由CAN總線(xiàn)發(fā)送到節氣門(mén)體位置傳感器和執行器節點(diǎn)，該節點(diǎn)微處理器產(chǎn)生相應的PWM信號經(jīng)由驅動(dòng)裝置驅動(dòng)執行機構的運行。
為了驗證控制系統的性能，采用自適應PID控制算法進(jìn)行了實(shí)驗平臺和實(shí)車(chē)實(shí)驗，實(shí)驗結果如圖5。其中，PPS表示腳踏板位置，TPS1表示實(shí)驗平臺下節氣門(mén)位置實(shí)驗結果，TPS2表示實(shí)車(chē)情況下節氣門(mén)位置實(shí)驗結果。從控制結果來(lái)看，能夠滿(mǎn)足電子節氣門(mén)控制的實(shí)時(shí)性和精度要求，同時(shí)，經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)環(huán)境的測試，系統具有一定的抗噪能力。
5 結論
CAN總線(xiàn)作為一種可靠的汽車(chē)計算機網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)已在許多先進(jìn)汽車(chē)上得到應用，將CAN總線(xiàn)應用于智能傳感器中，使傳感器獲得的信號能通過(guò)總線(xiàn)實(shí)時(shí)地、可靠地、高速而準確地進(jìn)行傳輸，使得各汽車(chē)計算機控制單元能夠通過(guò)CAN總線(xiàn)共享所有信息和資源，達到簡(jiǎn)化布線(xiàn)、減少傳感器數量、避免控制功能重復、提高系統可靠性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調各個(gè)控制系統的目的。同時(shí)，由于整個(gè)智能傳感器網(wǎng)絡(luò )采用全數字化的通信，因此，總線(xiàn)也具有很好的抗干擾能力，是未來(lái)智能化傳感器和智能化控制網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢。
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