ARM嵌入式開(kāi)發(fā)板汽車(chē)節能控制系統

　　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(640×480，320×240，160×160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