我國(guó)每年有數(shù)十萬(wàn)起交通事故發(fā)生,如果汽車限速器" title="汽車限速器">汽車限速器能夠普及,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)上熱銷的電子狗產(chǎn)品相比,汽車限速器更具有主動(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速。汽車限速器通常分為兩大類:一種是在車輛超速時(shí)發(fā)出語(yǔ)音警報(bào),提醒駕駛者減速;另一種是在車輛超過(guò)限定速度后,通過(guò)車載電腦發(fā)出指令,強(qiáng)制控制車輛行駛速度。第1種限速器只起到警示作用,而第2種汽車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
由于早期的汽車是沒有限速功能的,所以在設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)考慮到汽車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,首先需要了解汽車油門系統(tǒng)的工作原理。
一般的電子汽車油門系統(tǒng)包括:油門踏板、踏板傳感器、電子控制單元(ECU)、電機(jī)、節(jié)氣門機(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踏板,油門踏板位置傳感器將采集到的油門踏板位置信號(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)氣門的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門的完全電子控制。
分析組成汽車電子油門系統(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原有的結(jié)構(gòu),因此采用油門的開度來(lái)判斷汽車行駛速度,但是速度的變化滯后于油門的變化,即油門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)油門的前后變化情況以及前一時(shí)間段油門所處的穩(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
插入限速器后的電子油門系統(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為常閉開關(guān),使限速器在不能正常工作的情況下,能保證電子油門系統(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、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Φ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時(shí)才點(diǎn)亮,當(dāng)30 s內(nèi)不再操作鍵盤時(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),判斷是否有油門踏板動(dòng)作,如果有踩下油門踏板,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,則開啟限速器工作,并設(shè)置開機(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
4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)
(1)限速器開啟瞬間信號(hào)振蕩測(cè)試實(shí)驗(yàn)
為了檢測(cè)限速器開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“1”點(diǎn)處信號(hào))。主要測(cè)試項(xiàng)目為:限速器開啟到穩(wěn)定所需時(shí)間(如圖11中的t2-t1)、開啟瞬間信號(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,開關(guān)切換時(shí)間在1 ms以內(nèi),根據(jù)ECU電氣特性,信號(hào)的干擾在5 ms以內(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ΔU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)間人的操作是感覺不到的;電壓的誤差ΔU在3 mV以內(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。
本文所介紹的汽車限速器安裝靈活,不破壞汽車的完整性和可靠性,可以從根本上解決汽車超速問(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),汽車限速器在未來(lái)必將會(huì)有廣闊的市場(chǎng)。
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