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                        基于CAN總線通信的車輛電子機械制動系統模塊化設計

                        添加時間:2018/07/11
                        近年來, 社會日漸發展, 科技不斷進步, 人們物質生活得到極大提升, 汽車已成為公認的最常用的交通工具。隨著汽車的普及, 人們對汽車安全性能提出了更高的要求。汽車的安全性重要依據是汽車現代化制動性能。
                          以下為本篇論文正文:

                          摘要:為滿足現代車輛對電子機械制動系統的制動要求, 通過分析汽車電子機械制動系統制動效果和CAN總線優點, 提出了一種基于CAN總線的汽車電子機械制動系統的模塊化設計方案;贑AN總線的汽車電子機械制動系統采用ARM芯片S3C2410為主控制處理器, 基于CAN總線完成主從節點數據通信, 從處理器AT89C51接收總線控制信號, 完成電子機械制動控制。該系統實現了對左右后輪智能化、一體化控制, 降低了操作難度, 提高了駕駛的安全性、舒適性。

                          關鍵詞:電子機械制動系統; 汽車; CAN總線; 通信;

                          Abstract:In order to meet the braking requirements of modern electronic vehicle brake system, it analyzes the braking effect of automotive electronic mechanical brake system and the advantages of CAN bus, proposes a kind of modularization of automobile electronic mechanical brake system based on CAN bus. Taking the ARM processor S3 C2410 as the main control processor, it realizes data communication between the master and slave node, uses the processor AT89 C51 to receive bus control signal and completes the electronic mechanical brake control.The system can achieve the left and right rear wheel integrated control, reduce the difficulty of operation, improve the driving safety and comfort.

                          Keyword:electronic mechanical brake system; automobile; CAN bus; communication;

                          近年來, 社會日漸發展, 科技不斷進步, 人們物質生活得到極大提升, 汽車已成為公認的最常用的交通工具。隨著汽車的普及, 人們對汽車安全性能提出了更高的要求。汽車的安全性重要依據是汽車現代化制動性能[1]。傳統的液壓制動系統由于制動響應速度慢、管路多、制動液泄漏易造成環境污染, 已無法滿足現代汽車制動發展的需求[2-3]。電子機械制動 (electro-mechanical brake, EMB) 系統以線控技術為基礎, 利用中心控制模塊進行電子制動踏板及傳感器信號采集, 并基于控制算法獲得目標制動力, 然后利用總線進行信號傳輸, 使得制動執行機構運動。電子機械制動系統能夠實現高穩定、高可靠、高響應的制動性能, 操作方便, 系統體積小, 成本低廉, 且能有效避免制動液泄漏, 安全環保, 現已成為汽車制動行業發展方向[4-6]。

                          對于線控制動, 由于制動中需要采集和處理大量信息, 因此需要解決控制信號通信問題[7]。以線纜為基礎的傳統串行通信方式占用空間大, 且其數據交換可靠性與工作環境相關, 若工作環境惡劣, 則數據交換可靠性較低。CAN總線由于具有較強的實時性和糾錯能力、較高的通信效率和容錯性、較遠的傳輸距離, 且滿足差分收發和高干擾環境傳輸需求, 已成為線控制動的重要通信方式[8-9]。本文主要基于CAN總線通信, 進行汽車電子機械制動系統的模塊化設計。

                          1、系統總體設計方案

                          1.1、汽車電子機械制動系統組成

                          汽車電子機械制動系統包括ECU (中央電子控制模塊) 、電源與能源管理模塊、車輪制動模塊以及電子制動踏板模塊, 具體組成結構如圖1所示。其中電子制動踏板模塊包括3個部分, 即感覺模擬器、位移傳感器以及制動踏板。電子制動踏板模塊的位移傳感器接收駕駛員位移信號, 并將其傳輸給ECU, ECU進行數據分析處理, 實現電動機力矩控制。車輪制動模塊進行制動操作。

                        圖1 汽車電子機械制動系統控制組成框架圖
                        圖1 汽車電子機械制動系統控制組成框架圖

                          1.2、汽車電子機械制動系統設計方案

                          汽車在進行制動時經常面臨制動滯后問題, 因此在具體制動過程中, 駕駛員踩下踏板, 踏板位移傳感器迅速識別車輪制動狀態, 提升響應速率。汽車4個車輪的制動器必須保持獨立, 利用具有高速數據傳輸的車載網絡進行集中控制, 滿足穩定可靠性能;诖, 本文利用CAN總線通信方式進行EMB控制系統設計, 具體示意圖如圖2所示。

                        圖2 基于CAN的EMB控制系統設計
                        圖2 基于CAN的EMB控制系統設計

                          2、硬件電路設計

                          2.1、硬件電路設計方案

                          汽車電子機械制動系統的具體工作為:汽車駕駛員踩下制動踏板, 踏板位移傳感器依據位移信號識別駕駛員制動意圖, 并將識別結果發送給ECU, ECU進行信號處理分析, 處理信號一方面控制電動機進行力矩輸出, 另一方面使執行機構產生制動力, 并將結果作用于車輪。車輪制動力大小取決于車輪的轉向擺角以及與路面的摩擦系數, 所以對于每個車輪必須獨立安裝傳感器以及制動器, 使其形成獨立、閉環的制動回路。圖3所示為汽車電子機械制動系統的總體結構硬件組成框架圖, 其包括ECU、A/D轉換模塊、信號采集模塊、制動踏板單元以及直流電動機單元。

                          在汽車電子機械制動系統中, 其心臟為ECU, 可接收各傳感器傳入的信號, 進行信號處理和分析。傳入的信號既有脈沖信號, 也有模擬信號。電動機驅動器包括驅動芯片和外圍設備兩部分。對于電動機驅動器, 既要符合電子機械制動系統對電動機驅動性能的需求, 也要符合電動機本身運行需要的控制需求, 此外還要滿足驅動器的抗干擾性能和工作溫度需求。本文的ECU采用S3C2410處理器, 該處理器采用RSIC體系結構, 頻率高達203MHz, 是一款功耗低、性能高的處理器, 串行接口豐富, 有助于連接CAN控制器。

                        圖3 汽車電子機械制動系統硬件結構圖
                        圖3 汽車電子機械制動系統硬件結構圖

                          2.2、CAN總線通信電路

                          圖4所示為CAN總線通信電路, 由3個部分組成, 即CAN控制器、收發器、微控制器。三者的芯片分別選用SJA1000、CTM1050T以及AT89C52。其中CTM1050T芯片是目前唯一可以實現DC2 500V電器隔離的收發器芯片, 可以避免由于浪涌、干擾產生的元件故障和總線錯誤問題, 其包括CAN收發器、ESD總線和電源保護電路、隔離電路等, 通過RXD和TXD引腳便可與SJA1000相連。

                        圖4 CAN總線通信電路
                        圖4 CAN總線通信電路

                          對于微控制器及CAN控制器, 其復位電路選用MAX708芯片, 該芯片可以實現高低電平有效復位信號的同時輸出, 是一種微處理器電源監控芯片?赏ㄟ^VCC電壓、手動復位輸入的方式控制觸發復位信號。

                          3、軟件設計

                          汽車電子機械制動系統的軟件主要基于模塊化進行設計, 各子系統首先完成內部編程, 在總程序中調用, 利用C語言進行編程。制動系統通電后, 主從節點處理器和CAN控制器復位, 然后由S3C2410芯片進行控制器初始化。程序依照功能主次順序排列, 如圖5所示。其中系統主程序在第一級, 主要負責協調各子程序;CAN通信程序、執行器驅動程序、信號采集程序等在第二級。

                        圖5 軟件部分總體結構
                        圖5 軟件部分總體結構

                          CAN通信協議只在數據鏈路層和物理層完成, 因此在進行軟件設計時, 用戶需要依據實際需求完成CAN應用層協議制定。CAN需要依據標識符分配、標識符ID大小定義其優先級。CAN總線是系統設計的載體, CAN通信程序是完成其他功能的保障。CAN通信是建立在控制器初始化基礎上, 然后進行信息收發。

                          3.1、控制器初始化

                          CAN控制器通電復位后模式是Configuration, 在運行前需要進行初始化。對于MCP2510, 其初始化設置為:S3C2410芯片通過SPI串口設置向MCP2510的片選CS輸出一個低電平進行初始化, MCP2510初始化設置內容包括使能中斷、波特率及過濾器設置、收發緩沖區情況。為避免MCP2510“忙”, 進而影響數據傳輸的完整性, 完成任意操作后需要添加一段延時程序。下面是實現數據讀寫功能的部分函數:

                          s3c2410_mcp2510_write (data) ;//控制器寫數據

                          s3c2410_mcp2510_read (data) ;//控制器讀數據

                          s3c2410_mcp2510_ioctl (data) ;//完成總線波特率等初始化

                          3.2、報文收發流程

                          圖6所示為CAN報文收發程序流程圖。發送程序如圖6 (a) 所示, 首先判斷緩沖區是否空閑, 如不空閑, 需要釋放緩沖區, 然后寫入數據;報文發送之前要檢測待發送數據的報文格式是否滿足要求, 滿足要求, 置位, 啟動發送程序。

                        圖6 CAN報文發送與接收程序流程
                        圖6 CAN報文發送與接收程序流程

                          圖6 (b) 為接收程序流程圖。相對于發送程序, 接收程序更復雜, 既要實現接收功能, 還要接收溢出及錯誤報警等信息。制動系統設計需要較高的通信實時性, 因此需要選擇中斷接收方式?刂破鹘邮諗祿敝辆彌_區滿, 中斷觸發, 向處理器發送接收報文中斷請求, 完成報文接收。

                          4、基于CAN總線的汽車電子機械制動系統性能模擬實驗

                          汽車電子機械制動系統包括:1) 電動機驅動器, 型號為AQMD2410NS;2) 位移傳感器, 型號為KTR-A, 位移為0~100mm;3) 電壓傳感器JYVS-DC0075D, 電壓為0~30V;4) 力矩傳感器, 型號為AKC-11, 力矩為0~50N·m。圖7所示為踏板位移與電動機電樞電壓關系。由圖可知, 整體而言, 踏板位移與電動機電樞電壓存在線性關系, 表明踏板位移傳感器采集的踏板位移信號通過ECU處理, 處理結果由電動機驅動, 產生的電樞電壓在正常范圍內。

                        圖7 踏板位移與電樞電壓關系
                        圖7 踏板位移與電樞電壓關系

                          圖8為踏板位移與電動機輸出力矩關系。由圖可知, 踏板位移與電動機輸出力矩存在線性關系, 表明該系統克服了電動機本身存在的磁滯缺陷。

                        圖8 踏板位移與電動機輸出力矩關系
                        圖8 踏板位移與電動機輸出力矩關系

                          圖9為執行機構負載特性曲線。執行機構負載特性是指系統正常運行條件下作用在制動盤壓力與絲杠位移的關系。由圖可知:隨絲杠位移增加, 制動盤壓力增大;負載特性曲線十分光滑, 制動盤壓力與絲杠位移存在函數關系。擬合曲線與實測曲線重合良好, 這表明執行機構負載良好。

                        圖9 執行機構負載特性曲線
                        圖9 執行機構負載特性曲線

                          5、結束語

                          本文主要研究了CAN總線通信在汽車電子機械制動系統中的應用。汽車電子機械制動系統是線控技術在制動領域的應用, 具有較快的響應速度、較高的控制精度和可擴展性。CAN總線由于具有較強的實時性和糾錯能力、較高的通信效率和容錯性、較遠的傳輸距離, 且滿足差分收發和高干擾環境需求, 可有效解決制動中需要采集和處理大量信息的問題;贑AN總線的汽車電子機械制動系統的模塊化設計方案, 可實現對左右后輪智能化、一體化控制, 降低了操作難度, 提高了駕駛的安全性、舒適性。

                          參考文獻
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