基于MSP430單片機的電子汽車(chē)限速器的研究

我國每年有數十萬(wàn)起交通事故發(fā)生，如果汽車(chē)限速器能夠普及，將會(huì )降低交通事故發(fā)生率，從而挽回不必要的財產(chǎn)和生命損失。

　與近期在市場(chǎng)上熱銷(xiāo)的電子狗產(chǎn)品相比，汽車(chē)限速器更具有主動(dòng)規避事故的優(yōu)勢，電子狗只是在接近超速測試探頭時(shí)才提醒駕駛者控制車(chē)速。汽車(chē)限速器通常分為兩大類(lèi)：一種是在車(chē)輛超速時(shí)發(fā)出語(yǔ)音警報，提醒駕駛者減速；另一種是在車(chē)輛超過(guò)限定速度后，通過(guò)車(chē)載電腦發(fā)出指令，強制控制車(chē)輛行駛速度。第1種限速器只起到警示作用，而第2種汽車(chē)限速器將更為有效地降低交通事故。因此，本文著(zhù)重介紹了第2種限速器的實(shí)現原理及設計方法。

1 限速器實(shí)現原理

由于早期的汽車(chē)是沒(méi)有限速功能的，所以在設計時(shí)要同時(shí)考慮到汽車(chē)出廠(chǎng)前安裝與售出后安裝兩個(gè)不同層面的需求，限速器應具備靈活的安裝方式，不破壞汽車(chē)的完整性和可靠性。為了設計出這樣的限速器，首先需要了解汽車(chē)油門(mén)系統的工作原理。

一般的電子汽車(chē)油門(mén)系統包括：油門(mén)踏板、踏板傳感器、電子控制單元（ECU）、電機、節氣門(mén)機構，如圖1所示。駕駛員根據駕駛所需的功率踩踏油門(mén)踏板，油門(mén)踏板位置傳感器將采集到的油門(mén)踏板位置信號轉化為電信號，并將其傳給電子控制單元，由電子控制單元通過(guò)電動(dòng)機實(shí)現對節氣門(mén)的調節，實(shí)現節氣門(mén)的完全電子控制。

分析組成汽車(chē)電子油門(mén)系統的幾個(gè)環(huán)節后，在踏板傳感器與ECU這兩個(gè)環(huán)節之間插入限速控制是最易實(shí)現的，同時(shí)也具備了出廠(chǎng)前安裝與售出后安裝的條件，因此本文的限速控制設計方案就在踏板傳感器和ECU這兩個(gè)環(huán)節之間實(shí)現。插入限速器的電子油門(mén)系統模型如圖2所示，圖中虛線(xiàn)框所示的部分即是所設計的限速器。

　限速器可通過(guò)鍵盤(pán)和顯示等人機界面預置速度上限值Vm。當啟動(dòng)限速器工作后，圖2中的1和3通路連通。限速器檢測踏板傳感器傳遞給它的電信號經(jīng)IIR濾波后得Ux。由于本限速器盡可能地不破壞汽車(chē)原有的結構，因此采用油門(mén)的開(kāi)度來(lái)判斷汽車(chē)行駛速度，但是速度的變化滯后于油門(mén)的變化，即油門(mén)的變化量并不能直接地表征行駛速度變化量。所以本限速器采用自學(xué)習算法，通過(guò)較長(cháng)時(shí)間段監測油門(mén)的前后變化情況以及前一時(shí)間段油門(mén)所處的穩定狀態(tài)（如勻速或停止），判斷駕駛者的操作意圖，得出相應的行駛速度值Vx。將Vx與預置的速度上限值Vm比較，如果計算所得的速度值VxVm，則沒(méi)有在超速狀態(tài)，此時(shí)踏板傳感器電信號Ux直接提供給ECU，即限速器輸出信號Uy=Ux。如果計算所得的速度值Vx≥Vm，處于超速狀態(tài)，則限速器恒定輸出預置的速度上限值Vm所對應的電信號Um，即Uy=Um,并傳遞給ECU，實(shí)現限速功能。

　圖3所示為速度控制狀態(tài)曲線(xiàn)圖。假設Vx由0開(kāi)始逐漸增大，在未達到Vm時(shí)，Vy曲線(xiàn)和Vx曲線(xiàn)完全重合。當Vx >Vm時(shí)，Vy的值不隨著(zhù)Vx的增大而增大，保持等于Vm不變。當Vx下降，VxVm時(shí)，并在Vm附近振蕩，但未降至Vm-Δ，此種情況下，Vy仍保持等于Vm不變，起到了優(yōu)化油門(mén)控制的作用，以避免人為操作不穩定因素的影響。當Vx下降到VxVm-Δ時(shí)，Vy曲線(xiàn)和Vx曲線(xiàn)完全重合。

　插入限速器后的電子油門(mén)系統，駕駛員可以根據需要選擇是否需要限速功能。當駕駛員選擇了限速功能后，在不超速情況下，與原有的電子油門(mén)系統工作方式是相同的,最大程度地保證了原有系統的完整性。在設計中，限速器中的觸點(diǎn)1和觸點(diǎn)2為常閉開(kāi)關(guān),使限速器在不能正常工作的情況下，能保證電子油門(mén)系統仍能正常工作，保證系統工作的可靠性。

2 限速器的硬件設計

　從限速器的實(shí)現原理分析，限速器必須具備以下功能：

　(1)模擬信號采集、信號處理和信號輸出

　限速器需要采集油門(mén)踏板傳感器的電信號，故需具備模擬信號采集功能，并對采集的信號進(jìn)行濾波、計算等處理；同時(shí)，限速器根據采集信號處理后的結果，輸出相應的電信號提供給ECU，故需具備模擬信號輸出功能。

　(2)控制電路

　限速器根據用戶(hù)的指令或在某些不正常的狀態(tài)下，需要實(shí)現限速器工作模式、報警器工作模式和關(guān)閉模式的功能。限速器在工作模式時(shí)，不但需要監測油門(mén)踏板傳感器信號，同時(shí)要根據踏板傳感器信號和預置的速度上限值Vm，實(shí)現限速控制；處于報警工作模式時(shí)，只需監測油門(mén)踏板傳感器信號，結合預置的速度上限值Vm，實(shí)現超速時(shí)報警。

　(3)人機交互功能

　限速器需具備顯示、鍵盤(pán)、語(yǔ)音報警輸出等人機交互方式功能。

　根據上述功能需求，限速器的功能框圖如圖4所示。

　為了滿(mǎn)足上述功能需求，限速器的核心本設計選用具有強大功能的MSP430F169單片機，其內置有高速的12位ADC和DAC，能單片實(shí)現限速器的功能，無(wú)須再擴展外部模塊，即可提高系統運行的可靠性，降低系統成本，非常符合限速器的功能需求。

　實(shí)現限速器功能的主要模塊分析如下：

　(1)信號處理單元

油門(mén)踏板傳感器實(shí)際上是一個(gè)角度傳感器，可提取瞬間油門(mén)踏板的位置信號，并將其轉化為電壓信號傳遞給發(fā)動(dòng)機控制器。以磁阻式油門(mén)踏板傳感器為例，為了將角度變化轉化為電壓信號，磁阻元件往往做在同一塊基片上接成三端式結構，且在片上一定高度處放一半圓形的磁鋼，其結構如圖5所示。當主軸帶動(dòng)磁鋼旋轉時(shí)，磁阻元件MR1、MR2的電阻值隨通過(guò)它們的磁通量Φ的變化而變化,從而有電壓信號從兩個(gè)磁阻元件中點(diǎn)輸出,經(jīng)過(guò)后面信號處理電路對此輸出的電壓信號進(jìn)行放大。通過(guò)調節后級放大電路的放大倍數，可以得到所需要的、大小合適的電壓信號，其等效電路如圖6所示[1]。

　根據油門(mén)踏板傳感器的工作原理，限速器信號處理原理圖如圖7所示[2]。踏板傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過(guò)運算放大器降低輸出阻抗,然后輸入到MSP430F169的ADC輸入腳A3,利用MSP430F169內部的12位ADC完成模數轉換，實(shí)現模擬信號的采集。限速器將踏板傳感器的電信號采集后，用IIR濾波算法對其進(jìn)行濾波，進(jìn)行自學(xué)習算法計算、處理后，得到汽車(chē)行駛速度Vx，并與設定的限速值Vm比較,以比較的結果決定輸出模擬信號輸出的大小。輸出信號通過(guò)MSP430F169的D/A輸出引腳DAC0輸出,利用MSP430F169內部的12位DAC實(shí)現數模轉換，并通過(guò)運算放大器提升輸出模擬信號的驅動(dòng)能力。

(2)語(yǔ)音報警單元

　語(yǔ)音報警原理圖如圖8所示。為了保證行駛的安全性和平穩性，必須在汽車(chē)停止狀態(tài)下才能啟動(dòng)限速器或關(guān)閉限速器，因此配有語(yǔ)音報警器，以起到有效的提醒作用。該限速器使用帶功放的ML22865語(yǔ)音芯片，其芯片的SCL、SDA、(CBUSYB)腳分別接至MSP430F169的I/O口P5.2~P5.4,報警器的SPM、SPP腳接揚聲器。

　(3)數據存儲單元

　限速器的數據存儲原理圖如圖9所示。限速器要能設定速度上限值，以及提供給自學(xué)習算法所需的大量的存儲空間,因此必須具備數據存儲功能,本設計使用24LC512存儲器。

(4)鍵盤(pán)和顯示單元

　利用MSP430F169的P3.4~P3.7實(shí)現4個(gè)獨立按鍵，功能分別為限速器開(kāi)關(guān)鍵、數值增加鍵、數值減少鍵以及確認鍵。顯示單元使用4個(gè)8段數碼管顯示，顯示4位的限速值。顯示數據通過(guò)MSP430F169的P1口提供。MSP430F169的P2.0~P2.3口作為數碼管的控制口，為了節省能耗，數碼管只有在按下鍵盤(pán)時(shí)才點(diǎn)亮，當30 s內不再操作鍵盤(pán)時(shí)數碼管熄滅。

3 限速器的軟件設計

　限速器的軟件設計流程圖如圖10所示。為了保證行駛的安全性和平穩性，必須在汽車(chē)停止狀態(tài)下才能啟動(dòng)或關(guān)閉限速器。限速器工作過(guò)程如下：通過(guò)按鍵中斷程序判斷是否有啟動(dòng)或關(guān)閉限速器的按鍵，如果有按鍵信號，限速器根據主程序采集的踏板傳感器電信號，判斷是否有油門(mén)踏板動(dòng)作，如果有踩下油門(mén)踏板，語(yǔ)音報警，此操作無(wú)效；如果無(wú)踏板動(dòng)作，再次提醒是否處于行駛狀態(tài)，并且設置5 s延時(shí)，并再次按下該按鍵，才能將限速器開(kāi)啟或關(guān)閉。如果判斷是關(guān)閉限速器按鍵，則關(guān)閉限速器，并設置關(guān)閉狀態(tài)，且將該狀態(tài)信息傳遞給主程序；如果是啟動(dòng)限速器，則開(kāi)啟限速器工作，并設置開(kāi)機狀態(tài)，且將該狀態(tài)信息傳遞給主程序。在主程序循環(huán)中，首先采集踏板傳感器信號并通過(guò)IIR濾波判斷是否有踏板動(dòng)作并將該信息反饋給鍵盤(pán)中斷程序，然后判斷是否有設置速度上限值按鍵。如果有，則設置相應的速度值Vm，并存儲在存儲器中；如果沒(méi)有，則讀入踏板傳感器的電信號A/D值Ux，Ux通過(guò)自學(xué)習算法得出行駛速度值Vx。Vx與Vm比較，如果VxVm，則Vy=Vx，通過(guò)D/A輸出Ux作為ECU的輸入信號；如果Vx≥Vm，則Vy=Vm，將設定的限速值Vm換算成對應的傳感器電信號Um，通過(guò)D/A輸出Um作為ECU的輸入信號。

4 測試實(shí)驗

(1)限速器開(kāi)啟瞬間信號振蕩測試實(shí)驗

　為了檢測限速器開(kāi)啟瞬間工作的可靠性，抽樣5臺限速器做實(shí)驗，觀(guān)察ECU輸入信號(圖2中“1”點(diǎn)處信號)。主要測試項目為：限速器開(kāi)啟到穩定所需時(shí)間(如圖11中的t2-t1)、開(kāi)啟瞬間信號的最大振幅(如圖11中的Umax~Umin)、測試所得到數據如表1所示。實(shí)驗結果表明,開(kāi)關(guān)切換時(shí)間在1 ms以?xún)?，根據ECU電氣特性，信號的干擾在5 ms以?xún)?，能夠被平滑處理。而電壓振幅也在ECU允許的范圍內，因此開(kāi)關(guān)的過(guò)程是可靠的。

　(2)限速器輸出信號跟隨輸入信號變化滯后測試實(shí)驗

　IIR濾波算法及自學(xué)習算法會(huì )導致輸出信號滯后與輸入信號。本實(shí)驗中MSP430F169的運行速度為8 MIPS。為了測試滯后影響，本實(shí)驗通過(guò)檢測限速器輸出信號跟隨踏板傳感器信號變化的情況來(lái)測試其影響性。主要測試項目為：當踏板傳感器的信號從U1值變到U2值時(shí)，踏板傳感器信號達到穩定狀態(tài)所需的時(shí)間t1，限速器輸出信號達到穩定狀態(tài)所需的時(shí)間t2, t2-t1的差值以及穩定狀態(tài)時(shí)兩電路值ΔU如圖12所示,通過(guò)測試得到數據如表2所示。實(shí)驗結果表明時(shí)間差t2-t1為10 ms左右，這個(gè)時(shí)間人的操作是感覺(jué)不到的;電壓的誤差ΔU在3 mV以?xún)?，電壓的影響可以被忽略。因此時(shí)間的滯后及電壓誤差不會(huì )影響限速器的性能。

本文所介紹的汽車(chē)限速器安裝靈活，不破壞汽車(chē)的完整性和可靠性，可以從根本上解決汽車(chē)超速問(wèn)題，可極大地減少惡性交通事故，該裝置推廣應用，隨著(zhù)汽車(chē)消費品不斷普及以及消費者安全意識的不斷增強，汽車(chē)限速器在未來(lái)必將會(huì )有廣闊的市場(chǎng)。