《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MSP430單片機(jī)的電子汽車(chē)限速器的研究
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第7期
蔡 楊
浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校 機(jī)電工程系, 浙江 杭州310018
摘要: 根據(jù)汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展的需求,提出了以MSP430單片機(jī)作為核心的有關(guān)電子汽車(chē)限速器的硬軟件設(shè)計(jì)方案,指出了通過(guò)在踏板傳感器與電子控制單元之間插入一個(gè)限速器來(lái)達(dá)到汽車(chē)限速的目的。此電子限速器增加了“拆除”限速器功能,保證整個(gè)油門(mén)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
中圖分類(lèi)號(hào): TP273
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)07-0147-04
Research on electronic vehicle speed limiter based on MSP430
CAI Yang
Department of Mechanical Engineering, Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College,Hangzhou 310018, China
Abstract: According to demand of automobile marketplace developing, this paper brings forwards a comparatively perfect scheme about hardware and software of electronic vehicle speed limiter based on MSP430 single chip. Principle model and realizing principle of the electronic vehicle speed limiter have been acquired by inserting a speed-limiting controller between pedal sensor and electronic control unit. The electronic vehicle speed limiter is provided with the dismountable function in order that the system works stably.
Key words : vehicle speed limiter; electronic control unit(ECU); magnetoresistive angle sensor; MSP430

    我國(guó)每年有數(shù)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(cái)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(guī)避事故的優(yōu)勢(shì),電子狗只是在接近超速測(cè)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(bào),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(qiáng)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,本文著重介紹了第2種限速器的實(shí)現(xiàn)原理及設(shè)計(jì)方法。
1 限速器實(shí)現(xiàn)原理
    由于早期的汽車(chē)是沒(méi)有限速功能的,所以在設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)考慮到汽車(chē)出廠前安裝與售出后安裝兩個(gè)不同層面的需求,限速器應(yīng)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(shè)計(jì)出這樣的限速器,首先需要了解汽車(chē)油門(mén)系統(tǒng)的工作原理。
    一般的電子汽車(chē)油門(mén)系統(tǒng)包括:油門(mén)踏板、踏板傳感器、電子控制單元(ECU)、電機(jī)、節(jié)氣門(mén)機(jī)構(gòu),如圖1所示。駕駛員根據(jù)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),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(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)氣門(mén)的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門(mén)的完全電子控制。

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

 限速器可通過(guò)鍵盤(pán)和顯示等人機(jī)界面預(yù)置速度上限值Vm。當(dāng)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(cè)踏板傳感器傳遞給它的電信號(hào)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(jié)構(gòu),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(xí)算法,通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間段監(jiān)測(cè)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(wěn)定狀態(tài)(如勻速或停止),判斷駕駛者的操作意圖,得出相應(yīng)的行駛速度值Vx。將Vx與預(yù)置的速度上限值Vm比較,如果計(jì)算所得的速度值Vx<Vm,則沒(méi)有在超速狀態(tài),此時(shí)踏板傳感器電信號(hào)Ux直接提供給ECU,即限速器輸出信號(hào)Uy=Ux。如果計(jì)算所得的速度值Vx&ge;Vm,處于超速狀態(tài),則限速器恒定輸出預(yù)置的速度上限值Vm所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)Um,即Uy=Um,并傳遞給ECU,實(shí)現(xiàn)限速功能。
 圖3所示為速度控制狀態(tài)曲線圖。假設(shè)Vx由0開(kāi)始逐漸增大,在未達(dá)到Vm時(shí),Vy曲線和Vx曲線完全重合。當(dāng)Vx >Vm時(shí),Vy的值不隨著Vx的增大而增大,保持等于Vm不變。當(dāng)Vx下降,Vx<Vm時(shí),并在Vm附近振蕩,但未降至Vm-&Delta;,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(wěn)定因素的影響。當(dāng)Vx下降到Vx<Vm-&Delta;時(shí),Vy曲線和Vx曲線完全重合。

 插入限速器后的電子油門(mén)系統(tǒng),駕駛員可以根據(jù)需要選擇是否需要限速功能。當(dāng)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(tǒng)工作方式是相同的,最大程度地保證了原有系統(tǒng)的完整性。在設(shè)計(jì)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(tǒng)仍能正常工作,保證系統(tǒng)工作的可靠性。
2 限速器的硬件設(shè)計(jì)
 從限速器的實(shí)現(xiàn)原理分析,限速器必須具備以下功能:
 (1)模擬信號(hào)采集、信號(hào)處理和信號(hào)輸出
 限速器需要采集油門(mén)踏板傳感器的電信號(hào),故需具備模擬信號(hào)采集功能,并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、計(jì)算等處理;同時(shí),限速器根據(jù)采集信號(hào)處理后的結(jié)果,輸出相應(yīng)的電信號(hào)提供給ECU,故需具備模擬信號(hào)輸出功能。
 (2)控制電路
 限速器根據(jù)用戶(hù)的指令或在某些不正常的狀態(tài)下,需要實(shí)現(xiàn)限速器工作模式、報(bào)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(jiān)測(cè)油門(mén)踏板傳感器信號(hào),同時(shí)要根據(jù)踏板傳感器信號(hào)和預(yù)置的速度上限值Vm,實(shí)現(xiàn)限速控制;處于報(bào)警工作模式時(shí),只需監(jiān)測(cè)油門(mén)踏板傳感器信號(hào),結(jié)合預(yù)置的速度上限值Vm,實(shí)現(xiàn)超速時(shí)報(bào)警。
 (3)人機(jī)交互功能
 限速器需具備顯示、鍵盤(pán)、語(yǔ)音報(bào)警輸出等人機(jī)交互方式功能。
 根據(jù)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(shè)計(jì)選用具有強(qiáng)大功能的MSP430F169單片機(jī),其內(nèi)置有高速的12位ADC和DAC,能單片實(shí)現(xiàn)限速器的功能,無(wú)須再擴(kuò)展外部模塊,即可提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,降低系統(tǒng)成本,非常符合限速器的功能需求。
 實(shí)現(xiàn)限速器功能的主要模塊分析如下:
 (1)信號(hào)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(hào),并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)化為電壓信號(hào),磁阻元件往往做在同一塊基片上接成三端式結(jié)構(gòu),且在片上一定高度處放一半圓形的磁鋼,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)主軸帶動(dòng)磁鋼旋轉(zhuǎn)時(shí),磁阻元件MR1、MR2的電阻值隨通過(guò)它們的磁通量&Phi;的變化而變化,從而有電壓信號(hào)從兩個(gè)磁阻元件中點(diǎn)輸出,經(jīng)過(guò)后面信號(hào)處理電路對(duì)此輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。通過(guò)調(diào)節(jié)后級(jí)放大電路的放大倍數(shù),可以得到所需要的、大小合適的電壓信號(hào),其等效電路如圖6所示[1]。

 根據(jù)油門(mén)踏板傳感器的工作原理,限速器信號(hào)處理原理圖如圖7所示[2]。踏板傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)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(nèi)部的12位ADC完成模數(shù)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的采集。限速器將踏板傳感器的電信號(hào)采集后,用IIR濾波算法對(duì)其進(jìn)行濾波,進(jìn)行自學(xué)習(xí)算法計(jì)算、處理后,得到汽車(chē)行駛速度Vx,并與設(shè)定的限速值Vm比較,以比較的結(jié)果決定輸出模擬信號(hào)輸出的大小。輸出信號(hào)通過(guò)MSP430F169的D/A輸出引腳DAC0輸出,利用MSP430F169內(nèi)部的12位DAC實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換,并通過(guò)運(yùn)算放大器提升輸出模擬信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

   (2)語(yǔ)音報(bào)警單元
 語(yǔ)音報(bào)警原理圖如圖8所示。為了保證行駛的安全性和平穩(wěn)性,必須在汽車(chē)停止?fàn)顟B(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(bào)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(bào)警器的SPM、SPP腳接揚(yáng)聲器。

 (3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元
 限速器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理圖如圖9所示。限速器要能設(shè)定速度上限值,以及提供給自學(xué)習(xí)算法所需的大量的存儲(chǔ)空間,因此必須具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,本設(shè)計(jì)使用24LC512存儲(chǔ)器。

   (4)鍵盤(pán)和顯示單元
 利用MSP430F169的P3.4~P3.7實(shí)現(xiàn)4個(gè)獨(dú)立按鍵,功能分別為限速器開(kāi)關(guān)鍵、數(shù)值增加鍵、數(shù)值減少鍵以及確認(rèn)鍵。顯示單元使用4個(gè)8段數(shù)碼管顯示,顯示4位的限速值。顯示數(shù)據(jù)通過(guò)MSP430F169的P1口提供。MSP430F169的P2.0~P2.3口作為數(shù)碼管的控制口,為了節(jié)省能耗,數(shù)碼管只有在按下鍵盤(pán)時(shí)才點(diǎn)亮,當(dāng)30 s內(nèi)不再操作鍵盤(pán)時(shí)數(shù)碼管熄滅。
3  限速器的軟件設(shè)計(jì)
 限速器的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖10所示。為了保證行駛的安全性和平穩(wěn)性,必須在汽車(chē)停止?fàn)顟B(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(hào),限速器根據(jù)主程序采集的踏板傳感器電信號(hào),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(bào)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(shè)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(shè)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(shè)置開(kāi)機(jī)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(hào)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(shè)置速度上限值按鍵。如果有,則設(shè)置相應(yīng)的速度值Vm,并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中;如果沒(méi)有,則讀入踏板傳感器的電信號(hào)A/D值Ux,Ux通過(guò)自學(xué)習(xí)算法得出行駛速度值Vx。Vx與Vm比較,如果Vx<Vm,則Vy=Vx,通過(guò)D/A輸出Ux作為ECU的輸入信號(hào);如果Vx&ge;Vm,則Vy=Vm,將設(shè)定的限速值Vm換算成對(duì)應(yīng)的傳感器電信號(hào)Um,通過(guò)D/A輸出Um作為ECU的輸入信號(hào)。


4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)
   (1)限速器開(kāi)啟瞬間信號(hào)振蕩測(cè)試實(shí)驗(yàn)
 為了檢測(cè)限速器開(kāi)啟瞬間工作的可靠性,抽樣5臺(tái)限速器做實(shí)驗(yàn),觀察ECU輸入信號(hào)(圖2中&ldquo;1&rdquo;點(diǎn)處信號(hào))。主要測(cè)試項(xiàng)目為:限速器開(kāi)啟到穩(wěn)定所需時(shí)間(如圖11中的t2-t1)、開(kāi)啟瞬間信號(hào)的最大振幅(如圖11中的Umax~Umin)、測(cè)試所得到數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,開(kāi)關(guān)切換時(shí)間在1 ms以?xún)?nèi),根據(jù)ECU電氣特性,信號(hào)的干擾在5 ms以?xún)?nèi),能夠被平滑處理。而電壓振幅也在ECU允許的范圍內(nèi),因此開(kāi)關(guān)的過(guò)程是可靠的。

 (2)限速器輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)變化滯后測(cè)試實(shí)驗(yàn)
 IIR濾波算法及自學(xué)習(xí)算法會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)滯后與輸入信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)中MSP430F169的運(yùn)行速度為8 MIPS。為了測(cè)試滯后影響,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)檢測(cè)限速器輸出信號(hào)跟隨踏板傳感器信號(hào)變化的情況來(lái)測(cè)試其影響性。主要測(cè)試項(xiàng)目為:當(dāng)踏板傳感器的信號(hào)從U1值變到U2值時(shí),踏板傳感器信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間t1,限速器輸出信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間t2, t2-t1的差值以及穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)兩電路值&Delta;U如圖12所示,通過(guò)測(cè)試得到數(shù)據(jù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)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&Delta;U在3 mV以?xún)?nèi),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(yīng)用,隨著汽車(chē)消費(fèi)品不斷普及以及消費(fèi)者安全意識(shí)的不斷增強(qiáng),汽車(chē)限速器在未來(lái)必將會(huì)有廣闊的市場(chǎng)。
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