基于飛思卡爾HCS08的汽車(chē)ECAS設計

摘要：設計了一種以飛思卡爾MC9S08GB60 單片機為控制核心的汽車(chē)電控空氣懸架系
統。著(zhù)重闡述了其硬件電路系統和具體電路設計，并對軟件設計要點(diǎn)進(jìn)行了介紹。通過(guò)在實(shí)
驗室進(jìn)行臺架測試，驗證了本系統相對于被動(dòng)懸架系統有效的改善了懸架動(dòng)行程，車(chē)輪動(dòng)載
荷及車(chē)身垂直加速度三項重要指標，在實(shí)現車(chē)身高度調節控制的同時(shí)改善了車(chē)輛乘坐的舒適
型。且電路結構簡(jiǎn)單，穩定性好，有實(shí)用應用的價(jià)值。
關(guān)鍵詞：MC9S08GB60 電子控制單元空氣懸架

Design of the Vehicle’s Electronically controlled air suspension system Based on Freescale HCS08 QuanLi 1 XiePing1 BaiLu2 (1.Jiang Su University, Institute of Electric Engineering, JIANG SU ZHEN JIANG 212013
2. HEBI technical school HENAN HEBI 458000)
Abstract：The Vehicle’s electronically controlled air suspension system were designed, which
use a microcontroller Freescale MC9S08GB60.Emphasizes the circuit of the hardware system,meanwhile, introduces the key point on the software design. The bench test in laboratory certified that the ECAS relative passivity-suspension , it improved three impotent index arm effectively,which are suspension’s moving distance, acceleration in vertical and the cartwheel moving loading.it improve the vehicle’s ride comfortable when controlling the ride height. The system is simple structure , stability and practical.
Keywords：MC9S08GB60 ECU Air Suspension
0 引言
空氣懸架主要有被動(dòng)懸架和可控電子懸架。被動(dòng)懸架一定程度上抑制和降低了車(chē)體和車(chē)
輪的動(dòng)載和振動(dòng)，保證了車(chē)輛行駛安全性和乘坐舒適型。但由于被動(dòng)懸架的剛度和阻尼系數
一般按經(jīng)驗選取，只在特定環(huán)境下是最優(yōu)，而一旦載荷，路況，速度等因素發(fā)生變化，被動(dòng)
懸架不能隨之而自動(dòng)調節，更不能手動(dòng)調節。為了克服這一缺陷，電子空氣懸架系統(ECAS)
由此產(chǎn)生。ECAS 是目前最先進(jìn)的汽車(chē)懸架系統，它可以隨著(zhù)路況，載荷，速度等變化因子
自動(dòng)調節懸架剛度，車(chē)身高度，減少了空氣消耗，且具有反應迅速，安裝容易，操作簡(jiǎn)單等
優(yōu)點(diǎn)，因此可控電子懸架已經(jīng)成為汽車(chē)電子領(lǐng)域研究的一個(gè)熱門(mén)課題，其有著(zhù)廣闊的發(fā)展前
景。
1 ECAS 的組成及原理
電控空氣懸架系統由電子控制單元(ECU)，高度傳感器、空氣彈簧、速度傳感器、減震
器，車(chē)高升降控制鍵盤(pán)等組成。ECU 通過(guò)高度傳感器實(shí)時(shí)檢測車(chē)身高度，間接獲得車(chē)身垂直
加速度，同時(shí)通過(guò)速度傳感器檢測車(chē)輛行駛速度。ECU 內保存若干指標高度和三級可調阻尼
值，指標高度與彈簧的舒適性、駕駛安全性和與應用規范保持一致。車(chē)速在不同的行駛條件
下由ECU 自動(dòng)執行相應的指標高度，也可由駕駛員手動(dòng)控制高度和阻尼值。通過(guò)比較高度傳
感器檢測結果和指標高度，若高度差超過(guò)了一定的公差范圍，電磁閥就會(huì )被激發(fā)，通過(guò)充放氣將實(shí)際高度調整到指標高度。減震器阻尼力共三檔，根據車(chē)身上升速度、加速度控制減震
器，執行相應的阻尼力，從而滿(mǎn)足汽車(chē)行駛平順性和乘坐舒適型的要求。電控空氣懸架組成
結構如圖一。

Fig 1 Electronically controlled air suspension structure
2 ECAS 系統各功能模塊的設計
ECAS 主要由6 大功能模塊組成，分別是中央處理單元，信號輸入模塊(即傳感器信號)，
信號輸出模塊(即控制量的輸出)，操作界面模塊，電源模塊，其他模塊(外接存儲器，RS485
通信，系統的升級擴展端口)。
2.1 MC9S08GB60
單片機是ECU 的核心部件, 它要經(jīng)常處理大量的輸入和輸出信號, 而且要實(shí)現高精度
和實(shí)時(shí)控制。本設計采用了美國飛思卡爾公司的加強型8 位車(chē)用微控制器——MC9S08GB60
單片機。該單片機內有64K flash 和4K 的E2PROM，高度集成了四個(gè)串行通信端口
(SCI1,SCI2,SPI,I2C) ,最多達8 個(gè)定時(shí)器(PWM),8 通道的10 位A/D 轉換模塊。
2.2 信號傳感輸入模塊
該模塊主要由3 個(gè)高度傳感器和1 個(gè)速度傳感器構成。車(chē)身高度傳感器等效電感串聯(lián)
電阻。等效電感0°轉角時(shí)對應約20mH，-45°轉角時(shí)對應約8mH，+45°轉角時(shí)對應約35mH。
等效電阻120Ω。為此設計了LC 三點(diǎn)式振蕩電路來(lái)檢測車(chē)身高度傳感器傳來(lái)的信號，即設
計一個(gè)正弦波發(fā)生器，由TL082 元件及外圍電路構成，正弦波的頻率隨高度傳感器等效電感
的變化而不斷變化，而后經(jīng)比較器出來(lái)一個(gè)頻率隨電感不斷變化的方波，經(jīng)三極管放大和光
耦隔離后輸入到MCU 的輸入捕捉端口。MCU 通過(guò)檢測這一不斷變化的頻率來(lái)實(shí)現對高度傳感
器傳來(lái)信號的檢測。電路如圖二所示，對速度傳感器信號的檢測也是通過(guò)檢測其頻率實(shí)現的，
原理同高度傳感輸入電路類(lèi)似。

圖二 車(chē)身高度檢測電路
Fig 2 detection circuit of vehicle’s height
2.3 信號控制輸出模塊
ECU 采用PWM 方式輸出控制電磁閥的開(kāi)啟，根據當前實(shí)際高度與預期調節高度的偏差
來(lái)輸出控制信號。ECU 計算電磁閥的調節脈沖長(cháng)度，如果需要調節的高度量大、由于沒(méi)有過(guò)
沖危險,ECU 將給出一個(gè)長(cháng)的脈沖，同時(shí)，快的上升速度將減小脈沖長(cháng)度，這樣就能精確控
制車(chē)輛的高度調節速度，極大的避免了高度的過(guò)沖及振蕩調節.對于電磁閥的驅動(dòng)，本設計
選用了安森美半導體公司生產(chǎn)的NUD3124 繼電器驅動(dòng)芯片。NUD3124(汽車(chē)版本)器件的高
反向雪崩能量容量(350mJ)可以控制大多數用于汽車(chē)應用的繼電器?？刂菩盘柦?jīng)過(guò)光耦隔離
后輸出給NUD3124 驅動(dòng)芯片，由NUD3124 驅動(dòng)電磁閥工作，并在NUD3124 的輸出端加了
一個(gè)二極管保護電路。
2.4 電源模塊，操作界面模塊及其他擴展功能模塊
ECAS 系統主要有兩種電壓源，一是24V 電壓源，二是3V 電壓源。其中3V 電壓源分數
字電壓源和模擬電壓源。24V 電源是由車(chē)輛自身電源引出，然后經(jīng)π 型濾波，再經(jīng)穩壓管穩
壓，在經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波電路最終得到一個(gè)穩定的24V 電壓源。3V 電壓源與此類(lèi)似，只是須要
在數字電源和模擬電源之間加上一個(gè)隔離電阻，以防串擾。
操作界面主要是鍵盤(pán)輸入和發(fā)光二極管顯示。當司機要手動(dòng)控制阻尼和車(chē)高的時(shí)候，便
可通過(guò)鍵盤(pán)輸入其操作，然后相應的發(fā)光二極管亮，顯示其輸入。鍵盤(pán)輸入經(jīng)過(guò)了濾波，光
耦隔離和IC106 濾波及保護，最終送入ECU，然后ECU 輸出控制驅動(dòng)相應發(fā)光二極管點(diǎn)亮。
其他模塊主要包括便于日后升級的接口，以及RS485 通信，大容量存儲器等。大容量存
儲器采用了ATMAL 公司的AT24C1024，其通過(guò)PTC2/SDA 和PTC3/SCL 與單片機相連；RS485
用典型接法即可，芯片采用max3485；其他未用引腳均通過(guò)插槽引出，以便于日后升級之用。
3 汽車(chē)ECAS的軟件設計方案
空氣懸架電子控制單元（ECAS）應用軟件由系統初始化模塊、判斷手動(dòng)自動(dòng)調高模塊、
信號采集模塊，鍵盤(pán)響應模塊，輸出控制模塊等構成。主程序為一循環(huán)體，它擔負調節車(chē)身
高度和阻尼的任務(wù)，車(chē)身高度信號經(jīng)傳感器轉換為具有一定占空比的方波信號，然后經(jīng)過(guò)與
微處理器中預設的標定高度進(jìn)行比較，輸出控制信號，當快達到標定高度時(shí)，減小輸出信號
的占空比，以防止過(guò)充。具體主程序框圖如圖三所示。

Fig 3 the structured flowchart of main program