基于單片機(jī)和組態(tài)軟件的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)

曾曲洋（三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北宜昌，443000）

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基于單片機(jī)和組態(tài)軟件的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)

曾曲洋
（三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北宜昌，443000）

［摘要］針對電子節(jié)氣門的控制，以ATMEG16L單片機(jī)為核心，設(shè)計了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，并通過MCGS組態(tài)軟件與單片機(jī)之間的通信，顯示控制結(jié)果。實驗表明利用單片機(jī)完成的控制系統(tǒng)可以滿足控制要求。

［關(guān)鍵詞］電子節(jié)氣門；單片機(jī)；MCGS組態(tài)

1　前言

傳統(tǒng)汽車的機(jī)械式節(jié)氣門，采用鋼絲繩和杠桿與駕駛室內(nèi)的油門踏板相連，駕駛員通過踩油門踏板的行程來控制節(jié)氣門的開度，亦即改變節(jié)氣門進(jìn)氣通道的截面積，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，達(dá)到改變發(fā)動機(jī)輸出功率的目的。

由于傳統(tǒng)節(jié)氣門只是單一的反映駕駛員的操縱意圖，當(dāng)駕駛員加速或者減速的時候，節(jié)氣門開度隨之變大或者減小，因此節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)非常簡單，并能夠迅速準(zhǔn)確反映駕駛員的意圖，所以可靠性也很高。但這同時也造成了傳統(tǒng)節(jié)氣門的一些缺陷，因為汽車在道路上行駛時，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不能僅僅根據(jù)駕駛員的意圖來判斷，它還要考慮道路狀況，汽車工況，環(huán)境等，所以直接根據(jù)駕駛員的意圖來控制節(jié)氣門的開度會導(dǎo)致節(jié)氣門的開度不能達(dá)到最佳，這樣就影響了燃油的經(jīng)濟(jì)性和汽車的動力性，同時使汽車有害排放物質(zhì)增加。

2　電子節(jié)氣門的工作原理

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

它的工作原理是：駕駛員操縱油門踏板，油門踏板位置傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，即節(jié)氣門開度的參考信號，控制單元對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣處理，然后經(jīng)過CAN總線和整車控制單元進(jìn)行通訊，獲取其它工況信息以及各種傳感器信號如車速、車距、節(jié)氣門位置、路面附著系數(shù)等等，綜合分析計算得出一個期望的節(jié)氣門開度值，并輸出對應(yīng)的控制信號給驅(qū)動電機(jī)，在驅(qū)動電機(jī)作用下，節(jié)氣門閥片達(dá)到期望位置。在整個控制過程中，節(jié)氣門位置傳感器將節(jié)氣門開度信號不停的反饋給控制單元，控制單元將得到的開度信號與目標(biāo)值不停比較并修正，直到實際的節(jié)氣門開度值達(dá)到與期望的節(jié)氣門開度值相對應(yīng)的位置。

控制系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2所示：

圖2　控制系統(tǒng)硬件電路框圖

3　單片機(jī)與組態(tài)軟件通信

為了更好的觀察實驗結(jié)論，本次實驗建立了上位機(jī)界面來顯示結(jié)果，上位機(jī)采用的是MCGS組態(tài)軟件，選用莫迪康- RTU為設(shè)備構(gòu)件，它是遵從Modbus協(xié)議的，所以單片機(jī)的通信程序必須也符合Modbus協(xié)議才能和上位機(jī)通信。

在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，上位機(jī)按照Modbus協(xié)議規(guī)則給下位機(jī)發(fā)送命令，下位機(jī)接收到上位機(jī)的命令以后產(chǎn)生相應(yīng)的動作，如果上位機(jī)需要下位機(jī)將結(jié)果返回那么下位機(jī)就要按Modbus協(xié)議規(guī)則進(jìn)行應(yīng)答。當(dāng)上位機(jī)與多個下位機(jī)通信時，每個下位機(jī)都有其固定的地址，這個地址信息是包含在Modbus協(xié)議中的。

本次實驗設(shè)計中使用的是Modbus的RTU協(xié)議，它有固定的協(xié)議格式，在數(shù)據(jù)通訊時，主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，從機(jī)在收到正確消息后發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)響應(yīng)請求，下面對該協(xié)議做簡單介紹。

上位機(jī)發(fā)送的命令格式依次是設(shè)備地址(一個上位機(jī)可以與多個下位機(jī)通信，設(shè)備地址決定和哪個下位機(jī)通信)、命令號(當(dāng)上位機(jī)要讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)時命令號為01)、起始寄存器地址高8位、起始寄存器地址低8位(上位機(jī)打算讀取的數(shù)字量的起始地址)、讀取寄存器數(shù)高8位、讀取寄存器數(shù)的低8位(從起始地址開始要讀的數(shù)據(jù)的個數(shù))、CRC校驗碼的低8位、CRC校驗碼的高8位(為了保證數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性對傳遞數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗)。

單片機(jī)響應(yīng)的命令格式依次是設(shè)備地址(設(shè)備地址應(yīng)與上位機(jī)發(fā)送設(shè)備地址一致)、命令號(命令號與上位機(jī)發(fā)送命令號一致)、返回的字節(jié)個數(shù)(返回了N個字節(jié))、數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2…..數(shù)據(jù)N、CRC校驗碼的低8位、CRC校驗碼的高8位。

協(xié)議中提到了CRC校驗，在這里具體介紹一下CRC校驗過程，CRC校驗是一種使用較多的校驗方法，RTU模式采用的就是這樣的一種校驗方法，CRC校驗碼有兩個字節(jié)，在通信的過程中，把它加到傳輸?shù)南⒑?，?dāng)接受消息的設(shè)備收到消息后也進(jìn)行CRC校驗，比較兩個CRC的校驗值看是否一致，如果一致表示接受消息正確，如果不一致表示接受消息錯誤[35]。

CRC的校驗碼的產(chǎn)生過程具體如下：首先給定一16位寄存器，寄存器的值為0XFF，將第一個8位的字符與給定的16位寄存器值異或，然后將得到結(jié)果向右移動一位，左邊用0補(bǔ)充，如果異或結(jié)果最低位為1，那么將異或結(jié)果在與預(yù)置的值（這里取的是0XA001）或一下，如果最低位為0，只向右移動一位，循環(huán)8次，然后取第二個8位字符和16位寄存器當(dāng)前值異或，重復(fù)前面過程，最后當(dāng)消息中的所有8位字符執(zhí)行以后，得到的16位寄存器的值就是最終的CRC的值。當(dāng)把CRC校驗碼加到消息中的時候，低8位放在前面，高8位放在后面。下面是它的C代碼：

Unsigned int GetCheckCode (char * pSendBuf, int nEnd)//獲得校驗碼

{

Unsigned int wCrc=0xFFFF;

for(int i=0;i

{

wCrc^=WORD(BYTE(pSendBuf[i]));

for(int j=0;j<8;j++)

{

if(wCrc&1)

{

wCrc>>=1;

wCrc^=0xA001;

}

else wCrc >>=1;

}

}

return wCrc;

}

4　控制系統(tǒng)實驗結(jié)果

本試驗采用的電子節(jié)氣門體型號是BOSH- DVE5 圖3為節(jié)氣門由平衡位置到最大開度的響應(yīng)曲線，由于節(jié)氣門全開時電壓信號約為4.44V，因此給定參考電壓信號為4.35V，可以看出節(jié)氣門響應(yīng)時間約為250ms，穩(wěn)態(tài)誤差為2%，滿足前面給定的性能指標(biāo)。

圖3　節(jié)氣門最大開度響應(yīng)曲線

圖4為節(jié)氣門半開度響應(yīng)曲線，參考電壓信號約為2.67V，節(jié)氣門穩(wěn)定時電壓約為2.64V，在上升時間有少量超調(diào)現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)誤差為1.12%。

圖4　節(jié)氣門半開度響應(yīng)

圖5為1s方波快速跟隨實驗，通過曲線可以看出在跟隨的過程中會有滯后的現(xiàn)象產(chǎn)生，無超調(diào)現(xiàn)象，在電子節(jié)氣門的實際應(yīng)用中基本能夠滿足控制要求。

圖5　 0.8s方波跟隨曲線圖

圖6為方波慢速跟隨曲線，可以看出當(dāng)給定信號變化越慢，跟隨性能就越好，跟隨過程中無超調(diào)，無滯后現(xiàn)象。

圖6　 5s方波跟隨曲線圖

5　結(jié)語

本章通過試驗臺驗證了系統(tǒng)響應(yīng)的時間能夠達(dá)到性能指標(biāo)，當(dāng)給定信號頻率過快的時候會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，但在對節(jié)氣門控制要求不太高的情況下可以滿足基本的控制要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]杜開明，秦大同，劉振軍.電子節(jié)氣門仿真控制[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2005,28(4):14- 18.

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[3]于洪洋.基于位置反饋控制的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究[J].汽車技術(shù)，2007,(8).

[4]于寧,李文江.應(yīng)用組態(tài)軟件實現(xiàn)計算機(jī)與單片機(jī)的通串行通信[J].儀器儀表用戶,2005,12(3):90- 91.

Electronic Throttle Control Systems Based on Microcontroller and Configuration Software

ZENGQuyang
（Sanxia Power Vocational College, Yichang443000, Hubei）

［Abstract］In view of the electronic throttle controller, the design of the electronic throttle control system is based on the ATMEGA16L microcontroller core, and display control results through the communication of MCGS and the microcontroller. Experiments showthat the control systemperformed bymicrocontraller can meet the control requirements.

［Key words］electronic throttle, microcontroller, configuration software MCGS

［作者簡介］曾曲洋（1983-），女，湖北宜昌人，湖北三峽電力職業(yè)學(xué)院講師、碩士，研究方向：非線性系統(tǒng)控制、信號處理。

［收稿日期］2015- 4- 9

［中圖分類號］U464

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

［文章編號］1671- 5004（2015）03-0020-03