基于嵌入式的汽車輔助制動系統(tǒng)研究

曹景升

摘 要： 針對傳統(tǒng)汽車電子輔助制動系統(tǒng)主要由駕駛員主觀意識對制動進行控制，車輛并不能根據(jù)車輛的實時狀態(tài)進行輔助制動控制，存在極大安全隱患的問題，研究一種基于嵌入式的汽車輔助制動系統(tǒng)。其主要由車輪速度檢測、車身加速度檢測、方向盤轉(zhuǎn)角檢測、制動踏板壓力檢測、車身姿態(tài)檢測等信號檢測模塊、車輛制動執(zhí)行模塊以及中央處理器和輔助接口模塊等組成。針對基于嵌入式的汽車輔助制動系統(tǒng)的硬件組成、嵌入式系統(tǒng)通信方案和主要功能模塊等設(shè)計進行了詳細敘述。實驗結(jié)果表明該設(shè)計達到了預期目標。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 汽車輔助制動； 車輛狀態(tài)監(jiān)測； CAN總線

中圖分類號： TN876?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0064?0

汽車制動系統(tǒng)對于汽車的安全性至關(guān)重要，目前，車輛制動系統(tǒng)的機械裝置的發(fā)展已經(jīng)達到了技術(shù)的瓶頸，幾乎做到了近乎完美，無可挑剔，因此需要通過電子輔助控制、液壓氣壓輔助制動控制等方面進行技術(shù)升級和提高。電子輔助控制具有靈活性高、響應(yīng)速度快、精度高、系統(tǒng)體積小巧等優(yōu)勢而得到廣泛關(guān)注和研究。目前廣泛使用的汽車輔助制動系統(tǒng)同時采集制動踏板狀態(tài)信號和4個車輪轉(zhuǎn)速信號，在中央處理器中按照預先設(shè)定的程序?qū)囕v執(zhí)行相應(yīng)的制動控制[1?5]。傳統(tǒng)方法主要由駕駛員主觀意識對制動進行控制，車輛并不能根據(jù)車輛的實時狀態(tài)進行輔助制動控制，如果駕駛員沒有預先意識到車輛可能存在的危險則錯過了及時制動的時機，存在極大安全隱患，因此必須對電子輔助制動進行更深一步的研究，本文即研究一種基于嵌入式的汽車輔助制動系統(tǒng)[6?8]。

1 汽車輔助制動系統(tǒng)組成

針對傳統(tǒng)汽車輔助系統(tǒng)存在的不足之處，本文研究的基于嵌入式的汽車輔助制動系統(tǒng)加入了車身姿態(tài)檢測、汽車加速度檢測以及方向盤轉(zhuǎn)動角度檢測功能模塊，使用4個獨立制動控制模塊對4個車輛進行分別制動控制。汽車輔助制動系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 嵌入式輔助制動系統(tǒng)組成

本文研究的基于嵌入式的汽車輔助制動系統(tǒng)主要由車輪速度檢測、車身加速度檢測、方向盤轉(zhuǎn)角檢測、制動踏板壓力檢測、車身姿態(tài)檢測等信號檢測模塊、車輛制動執(zhí)行模塊以及中央處理器和輔助接口模塊等組成。

通過ARM觸發(fā)4個獨立的單片機產(chǎn)生驅(qū)動控制車輪模塊的信號，同時使用額外的8個獨立的單片機將該信號進行轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號傳輸?shù)紻SP上來進行數(shù)字信號處理。DSP數(shù)字信號處理器可以通過其內(nèi)置的驅(qū)動算法對來自單片機的數(shù)字信號進行特定的算法處理，然后將處理的結(jié)果返回給ARM。ARM將得到的處理結(jié)果再通過構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)輸送到控制車輪模塊的單片機上，這種基于ARM的Linux系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)并行處理多DSP處理的結(jié)果，進而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)進行實時控制的目的。如果給整個系統(tǒng)加上網(wǎng)絡(luò)接口和UART通信接口，那將很方便地對整個系統(tǒng)進行定期的系統(tǒng)和其基于DSP的算法的更新升級。

通過嵌入式系統(tǒng)可以實現(xiàn)單片機方便地以DMA方式進行數(shù)據(jù)交換的功能，還能簡便地搭建30～50 Hz的可調(diào)方波信號發(fā)生器，以及完成A/D轉(zhuǎn)換的功能，這不僅能快速地實現(xiàn)對采集的數(shù)據(jù)和進行處理，還能通過處理的結(jié)果來對所需要驅(qū)動的車輪控制模塊進行一個實時的控制。此外，由于嵌入式系統(tǒng)模塊是應(yīng)用在汽車電子車輪制動系統(tǒng)中的，所以對該模塊有特殊的性能要求，如運行功耗低、控制處理穩(wěn)定、抗干擾能力強等要求，還有就是系統(tǒng)的單片機處理數(shù)據(jù)的速度必須要求足夠快，這關(guān)系車輪的制動反應(yīng)的速度。考慮到上述要求，本研究決定采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F169單片機來實現(xiàn)模塊的控制，該單片機在該制動系統(tǒng)中要實現(xiàn)實時地進行外部信號的采集處理以及隨之的驅(qū)動車輪控制模塊完成對應(yīng)的控制任務(wù)。為了使得整個系統(tǒng)的信息處理效率更高，滿足實時無延誤的要求，一般整個系統(tǒng)設(shè)計時采用的是循環(huán)和中斷的方式來提高其實時性[9?10]。

3 嵌入式系統(tǒng)通信方案設(shè)計

用1個OMAP?L137和12個MSP430F169搭建成一個信息處理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)內(nèi)部各模塊間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理，將外部輸入信號經(jīng)系統(tǒng)處理模塊處理以后再驅(qū)動控制模塊實現(xiàn)實時控制。這樣整個系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交流的效率和數(shù)據(jù)處理的能力就決定了整個系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

CAN總線方式具有接口設(shè)計簡便、通信穩(wěn)定、抗各種電磁干擾的能力很強、信息傳輸?shù)木嚯x也較遠等優(yōu)良性能，完全可以滿足本研究所需的通信要求。雖然在嚴格的環(huán)境下CAN總線有可能在系統(tǒng)的反應(yīng)速度上不能達到最佳效果，但是對車輪制動控制模塊的控制頻率是有限的，完全可以在滿足其控制頻率的條件下進行實時處理的。而且每個CAN總線接口都對應(yīng)著一個信號處理器，在數(shù)據(jù)傳輸中完全能夠通過構(gòu)建差分連接的方式提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[11?12]。

對OMAP?L137而言，因為其處于中央控制器的范圍，所以只能控制承擔即時信息查詢和制動驅(qū)動信號部分任務(wù)的MSP430F169單片機。由于總線的數(shù)據(jù)流量受總線的數(shù)據(jù)傳輸能力限制，所以在多個模塊的汽車工作狀態(tài)檢測到信號傳回處理系統(tǒng)時需要進行分時發(fā)送數(shù)據(jù)到各個處理單元進行處理。對于半雙工工作模式的總線接口，系統(tǒng)中央控制處理器的控制信號是無法及時將信號傳送給汽車制動控制模塊的控制器進行制動的，并且對于系統(tǒng)內(nèi)部各模塊間的實時數(shù)據(jù)交換也是非常不利的，這就有必要使用雙總線的辦法來構(gòu)成全雙工的工作模式進行通信，以解決單CAN總線無法及時處理數(shù)據(jù)量大且時間上密集的窘?jīng)r。其實現(xiàn)構(gòu)架如圖2所示。

4 主要功能模塊設(shè)計

4.1 實時處理接口電路

本研究采用了MSP430F169單片機的模擬SPI接口方式和MCP2515協(xié)議控制器進行通信，并以此結(jié)構(gòu)來進行系統(tǒng)內(nèi)部從信號輸入到信號調(diào)理以及最后輸出到制動模塊的控制信號。因為汽車電子系統(tǒng)處于一個相對不是穩(wěn)定的環(huán)境中，伴有很強的背景噪聲，所以為了避免過長信號傳輸過程引入不必要的干擾，通常將MSP430F169處理器與MCP2515協(xié)議控制器集成在一起；另外，電源和時鐘信號電路等的設(shè)計也都要考慮到噪聲干擾屏蔽設(shè)計。

此外，為了獲得MSP430F169和MCP2515以及TJA1050之間的最好的通信傳輸效果，在MSP430F169和MCP2515間采用了一一對接的SPI接口的連接，這有利于不同數(shù)據(jù)交換互不干擾，其電路連接設(shè)計見圖3。

系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理的硬件電路設(shè)計中，考慮到各模塊之間的數(shù)據(jù)交換效率，通常使用一個MCP2515 和一個TJA1050控制器組成一個總線控制器，然后使得每個這樣的控制器由其相應(yīng)的MCU來構(gòu)建，從而實現(xiàn)一個OMAP?L137 與多個MSP430F169 之間的實時通信。

4.2 傳感檢測電路

車輛車輪轉(zhuǎn)速傳感器采用差分信號的磁電式傳感器。為了消除干擾信號，提高傳感器精度，需要將磁電式傳感器信號經(jīng)過濾波、整形電路處理，整形電路[13]見圖4。

車身加速度檢測試驗采用Analog Device公司的ADXL202AE型低功耗、雙軸加速度傳感器。傳感器使用5 V電壓供電時的工作電流僅為5 mA左右，測量動靜態(tài)加速度頻率高，可達5 kHz。ADXL202AE加速度傳感器電路如圖5所示[14]。

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)方法主要由駕駛員主觀意識對制動進行控制，車輛并不能根據(jù)車輛的實時狀態(tài)進行輔助制動控制，如果駕駛員沒有預先意識到車輛可能存在的危險則錯過了及時制動的時機，存在極大安全隱患。因此本文研究一種基于嵌入式的汽車輔助制動系統(tǒng)，對電子輔助制動進行更深一步的研究，并對基于嵌入式的汽車輔助制動系統(tǒng)的硬件組成、嵌入式系統(tǒng)通信方案進行設(shè)計。選用兩個獨立的CAN總線進行通信方案設(shè)計，以提高嵌入式系統(tǒng)處理信息的實時性。對MSP430F169和MCP2515以及TJA1050的接口電路以及車輛車輪速度檢測和加速度檢測電路進行設(shè)計。

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