車輛防抱死系統(tǒng)的改進設計與實現(xiàn)

王士剛　張躍進

摘 要： 以往設計出的車輛防抱死系統(tǒng)由于控制手段選擇不佳，導致系統(tǒng)制動距離和制動時間均不佳。該文設計并實現(xiàn)了一種車輛防抱死改進系統(tǒng)。所設計的系統(tǒng)主要由控制模塊、傳感器和電磁閥組成，對其中的單片機、電源電路和修正電路進行重點改進。MSP430F149單片機利用其最小系統(tǒng)對傳感器感應數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)運算和分析，再調用電磁閥實現(xiàn)對車輪制動輪缸的直接控制。電源電路根據(jù)特定需求為傳感器和MSP430F149單片機供應能量。改進后的修正電路，可實現(xiàn)對傳感器硬件故障和電磁閥通信故障的檢測和維修。系統(tǒng)利用現(xiàn)場可編程門陣列對其功能進行改進設計，并給出功能改進流程圖。實驗結果表明，所設計的系統(tǒng)具有較好的制動距離和制動時間，能夠較為成功地實現(xiàn)改進目標。

關鍵詞： 車輛防抱死系統(tǒng)； MSP430F149； 制動距離； 電磁閥通信故障

中圖分類號： TN702?34； TM92 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0093?03

Abstract： The vehicle anti?lock braking systems designed in the past have poor system braking distance and braking time because they had chosen an unsuitable control means. An improved vehicle anti?lock braking system is designed and implemented in this paper. The system is mainly composed of control module， sensor and solenoid valve. MCU， power supply circuit and correction circuit in the system were improved emphatically. MSP430F149 MCU data computation is used to operate and analyze the sensor sensing data， and then call the solenoid valve to realize the direct control of the wheel brake cylinders. The power supply circuit provides power for the sensors and MSP430F149 MCU according to the specific requirements. The improved correction circuit can realize detection and maintenance of the sensor hardware failure and solenoid valve communication failure. The field programmable gate array （FPGA） is employed to improve the system function. The function improvement flow chart is given in this paper. The experimental results show that the designed system has suitable braking distance and braking time， can successfully achieve the improvement purpose.

Keywords： vehicle anti?lock braking system； MSP430F149； braking length； solenoid valve communication failure

0 引 言

近年來，汽車已成為人們生活中必不可少的交通工具。隨著車速和車流密度的逐漸增長，人們開始關注駕駛安全。車輛生產商開始在車輛設計中加入車輛防抱死系統(tǒng)。車輛防抱死系統(tǒng)是一項以保障駕駛人員安全性為出發(fā)點設計的主動設備，其利用特定控制手段對車輛制動過程進行調節(jié)，達到避免車輪進入抱死狀態(tài)的目標[1?3]，是人們關注的重點[4?6]。傳統(tǒng)的車輛防抱死系統(tǒng)往往存在一定的缺陷，如文獻[7]設計基于機械動力的車輛防抱死系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制效果并不理想，導致系統(tǒng)制動時間較長。本文設計一種具有較好的制動距離和制動時間的車輛防抱死改進系統(tǒng)，有效保障駕駛人員的行車安全。

1 車輛防抱死系統(tǒng)的改進設計

1.1 系統(tǒng)整體改進設計

所設計的車輛防抱死改進系統(tǒng)主要由控制模塊、傳感器和電磁閥組成，其整體結構原理圖如圖1所示。

由圖1可知，所設計的系統(tǒng)在車輛的四個車輪上分別安裝了傳感器，令傳感器對車輛運行情況和行駛路面情況進行感應，再利用控制模塊根據(jù)感應數(shù)據(jù)調用電磁閥，對車輪的制動輪缸進行直接控制，實現(xiàn)對以往設計系統(tǒng)制動距離和制動時間的有效改進。對單片機、電源電路和修正電路的設計是對車輛防抱死系統(tǒng)的改進重點。

1.2 單片機設計

在所設計的車輛防抱死改進系統(tǒng)中，控制模塊負責對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運算和流程調整，這些工作主要由單片機實現(xiàn)。本文選擇了MSP430F149單片機。它是由美國TI公司生產的一款低耗、指令精簡的混合信號高速處理器，具有強大運算能力和控制效果，其內部配置了高效運算器，這使得系統(tǒng)的能耗和運算效率得到了一定的改進。MSP430F149單片機資源豐富，其將各種處理電路融合在一塊芯片上，無需外接功能電路便能實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的準確、高效控制。因此，只需對MSP430F149單片機的最小系統(tǒng)加以設計，便能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的改進目標，圖2是MSP430F149單片機最小系統(tǒng)設計電路。

由圖2可知， MSP430F149單片機中包括時鐘電路和振蕩電路。時鐘電路的計時晶振為32.8 kHz，振蕩電路的震蕩晶振為3.7 MHz。這些設計為所設計的車輛防抱死改進系統(tǒng)提供了超強的控制能力，使較好的制動距離和制動時間系統(tǒng)的改進目標成為可能。當車輛駕駛人員開啟剎車指令，傳感器便會感應到車輛運行數(shù)據(jù)和行駛路面數(shù)據(jù)，MSP430F149單片機對這些數(shù)據(jù)進行模/數(shù)轉換和分析。分析結束后，感應數(shù)據(jù)將自動進行數(shù)/模轉換。電磁閥對MSP430F149單片機數(shù)/模轉換產生的電壓波動異常敏感，MSP430F149單片機根據(jù)該特性對電磁閥進行調用。

1.3 電源電路設計

電源電路為傳感器和MSP430F149單片機供應能量。MSP430F149單片機對電源電路的需求較多，其所需電壓范圍為[1.6 V，3.8 V]，穩(wěn)壓系數(shù)需求在[0.045%，0.01%]之間，紋波抑制比需求在[53 dB，70 dB]之間。符合MSP430F149單片機需求的電源電路可同時對傳感器進行供電，電源電路設計圖如圖3所示。

由圖3可知，電容C1的作用是將蓄電池的24 V電壓轉換成12 V電壓，電容C2則可將12 V電壓轉換成接近MSP430F149單片機所需的5 V電壓。再經由電阻R1和可滑動電阻R2，將輸出電壓控制在[1.6 V，3.8 V]之間。電容C3具有排除電路干擾波形的作用。由于所設計的車輛防抱死改進系統(tǒng)的線路布置長且復雜，故電源電路利用電容C4避免系統(tǒng)線路自激。MSP430F149單片機對穩(wěn)壓系數(shù)和紋波抑制比的需求便是經由電容C3，C4實現(xiàn)的。

1.4 修正電路設計

傳統(tǒng)的車輛防抱死系統(tǒng)中修正電路只能進行系統(tǒng)的簡單維護，無法有效保障系統(tǒng)正常運行。改進后的修正電路分為傳感器修正電路和電磁閥修正電路，其主要作用是對傳感器硬件和電磁閥通信的故障進行檢測和維護，如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，所設計的車輛防抱死改進系統(tǒng)為修正電路提供車輛制動故障辨認標準。對于傳感器修正電路來說，故障辨認標準可幫助檢測4個傳感器中感應信號的脈沖數(shù)目，分析出傳感器齒圈是否存在故障。對于電磁閥修正電路來說，其檢測位置是在電磁閥與MSP430F149單片機的傳輸連接處。該電路能夠在第一時間檢測出電磁閥傳輸?shù)亩搪饭收匣驍嗦饭收?。修正電路一旦檢測出故障存在，便將故障信息傳輸至控制模塊，通過MSP430F149單片機對傳感器或電磁閥的故障進行暫時控制，最后由系統(tǒng)維護人員介入處理。

2 車輛防抱死系統(tǒng)的改進軟件設計

所設計的車輛防抱死改進系統(tǒng)利用現(xiàn)場可編程門陣列對系統(tǒng)功能進行改進設計，功能改進流程圖見圖6。

根據(jù)圖6對所設計的車輛防抱死改進系統(tǒng)軟件功能改進進行解析。設計定義功能可以對車輛防抱死改進系統(tǒng)中所需改進的內置電路進行設計指導，縮短系統(tǒng)的制動距離和制動時間；設計輸入功能將系統(tǒng)各模塊和電路中的預設參數(shù)和控制流程，并將設計結果輸入到系統(tǒng)相應位置；功能模型構建分析設計定義和設計輸入的成果是否能夠對車輛防抱死系統(tǒng)進行正確改進進行驗證；邏輯定義的功能是將簡化后的代碼能夠直接作為驗證系統(tǒng)制動距離和制動時間好壞的依據(jù)；初仿真是對功能模型構建的二次檢驗，監(jiān)督功能模型構建工作；線路布置功能是對設計輸入和邏輯定義進行實現(xiàn)，將軟件設計出的代碼變換為硬件的實際線路布置方案，對系統(tǒng)功能進行改進和實現(xiàn)；末仿真全面監(jiān)管著系統(tǒng)硬件和軟件工作流程和參數(shù)，并對初仿真進行二次檢驗，是對系統(tǒng)進行的最后檢驗工作；時序分析功能是對線路布置功能的補充，對系統(tǒng)中線路時延的分析工作便是利用該功能實現(xiàn)的，時序分析順序必須嚴格按照設計定義功能的功能實現(xiàn)規(guī)范執(zhí)行，稍有偏差便會產生錯誤信息；下載驗證功能是系統(tǒng)軟件功能設計的最后一步，該功能將軟件最終信號輸入到系統(tǒng)單片機中，單片機將對輸入信號進行下載和驗證，驗證成功后的信號將會對防抱死系統(tǒng)運行進行指導。

3 實驗驗證

由于路面限制會對車輛防抱死系統(tǒng)產生影響，故實驗在3種光滑度不同路面上對本文系統(tǒng)的制動距離、制動時間好壞程度進行了驗證。實驗前對市面上車輛防抱死系統(tǒng)進行了調研，得出在安裝有兩個改進前車輛防抱死系統(tǒng)（分別為基于數(shù)字計算機的車輛防抱死系統(tǒng)和基于電子控制的車輛防抱死系統(tǒng)，本次實驗中將二者稱為“系統(tǒng)1”和“系統(tǒng)2”）的某品牌最新型號車輛，在30 m/s的勻速行駛狀態(tài)下該車輛在3個不同路面上的制動距離和制動時間，如表1、表2所示。

現(xiàn)利用本文系統(tǒng)在上述條件下進行制動距離和制動時間實驗，圖7分別是本文系統(tǒng)在路面1、路面2和路面3上進行實驗的驗證結果曲線圖。

分析圖7可知，本文系統(tǒng)在路面1上以30 m/s的勻速行駛的情況下，其制動距離為51.8 m，此時的制動時間為3.8 s，這兩個數(shù)值均低于系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的調研值，且曲線較為穩(wěn)定，無異常情況出現(xiàn)；本文系統(tǒng)在路面2上的制動距離為51.8 m，此時的制動時間為5.7 s，這兩個數(shù)值均低于系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的調研值，且曲線較為光滑，無異常情況出現(xiàn)；本文系統(tǒng)在路面3上的制動距離為65.0 m，此時的制動時間為6.5 s，這兩個數(shù)值均低于系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的調研值，且曲線波動處于標準范圍內，不會對駕駛員的行駛安全產生影響。

4 結 論

本文對傳統(tǒng)的車輛防抱死系統(tǒng)進行改進設計。實驗結果表明，本文系統(tǒng)的制動距離和制動時間數(shù)據(jù)，均由優(yōu)于基于數(shù)字計算機的車輛防抱死系統(tǒng)和基于電子控制的車輛防抱死系統(tǒng)，驗證了本文系統(tǒng)具有較好的制動距離和制動時間，能夠較為成功地實現(xiàn)系統(tǒng)改進。

參考文獻

[1] 李振興，周晶晶.基于Simulink的車輛防抱死制動系統(tǒng)控制研究[J].價值工程，2016，35（7）：102?104.

[2] 郭忠慶，史本偉，喬睿.PID在汽車防抱死系統(tǒng)中的仿真應用[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2016，12（1）：37?43.

[3] 初亮，祁富偉，王彥波，等.汽車防抱死系統(tǒng)電磁閥的階梯控制[J].吉林大學學報（工學版），2014，44（4）：907?911.

[4] 路林，王青，郎世隆，等.關于摩托車防抱死制動系統(tǒng)性能測試方法的介紹[J].小型內燃機與車輛技術，2015，44（3）：91?93.

[5] 林歡，張渝，王偉，等.針對防抱死系統(tǒng)的主動安全仿真策略[J].農業(yè)裝備與車輛工程，2014，52（3）：14?18.

[6] 趙樹恩，李玉玲，余強.基于底盤多子系統(tǒng)協(xié)調控制的車輛穩(wěn)定性控制[J].交通運輸工程學報，2015，15（4）：77?85.

[7] 劉學軍，何仁.電磁?液壓復合防抱死制動系統(tǒng)滑模控制[J].農業(yè)機械學報，2014，45（5）：1?7.