ARM嵌入式汽車節(jié)能控制系統(tǒng)
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由于各種原因，公交車總是不斷重復加速―減速或停車―再加速的過程。通過加裝本節(jié)能裝置，當汽車需要制動時，在主控單元的控制下，可將汽車行駛時具有的巨大動能通過空氣壓縮機轉(zhuǎn)化成高壓氣體的勢能并儲存起來，從而實現(xiàn)汽車減速或停車。當汽車需要啟動或加速時，用儲存起來的高壓氣體勢能代替燃油來驅(qū)動汽車，從而實現(xiàn)汽車能量的回收再利用，達到節(jié)能的效果。同時由于汽車在起動或加速時能耗最大，如果汽車是用燃油驅(qū)動，則此時油料燃燒不充分，燃燒效果最差，而且產(chǎn)生的噪音最大。
系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)主要由三部分組成，即檢測部分，控制部分和執(zhí)行機構(gòu)。檢測部分包括踏板位置傳感器、曲軸位置傳感器、壓縮機活塞位置傳感器、汽車運行速度傳感器、儲氣罐壓力傳感器等信號的檢測。執(zhí)行機構(gòu)主要包括雙向可控電磁閥和電磁離合器?？刂撇糠种饕?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/ARM">ARM微處理器組成的控制系統(tǒng)及一些外圍電路構(gòu)成。本文主要介紹該系統(tǒng)的控制部分。該裝置的作用就是將剎車時本應(yīng)由摩擦來消耗掉的汽車動能，改為由氣體的勢能來消耗，在啟動時，利用剎車時儲氣罐內(nèi)儲存的高壓氣體勢能來驅(qū)動汽車行走，當車速到達一定值如20km/h 時，再切換到由汽車發(fā)動機驅(qū)動的模式。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
由于該節(jié)能裝置需檢測的模擬量較多，如儲氣罐內(nèi)的壓力、制動踏板的位置、車速、活塞運行位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù)，而且有些是需實時監(jiān)控的，如儲氣罐內(nèi)的壓力等，需要使用多任務(wù)執(zhí)行方可實現(xiàn)，而普通單片機無法滿足這一要求。因此需根據(jù)實際情況，選用合適的處理器芯片，加上各種數(shù)據(jù)和程序存儲芯片構(gòu)成最小系統(tǒng)。同時，增加數(shù)據(jù)采集、顯示、通信接口、控制執(zhí)行單元和電源管理模塊等，來組成一個完整的控制系統(tǒng)。由于目前汽車應(yīng)用CAN現(xiàn)場總線比較廣泛，因此，為了與汽車的控制系統(tǒng)連接的方便，還增加了CAN總線接口，由此構(gòu)成了整個硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
由于設(shè)計要求系統(tǒng)能隨車采集信號，并進行實時監(jiān)控，對主控模塊的要求較高，因此主控制模塊應(yīng)當是以高性能的微處理器為核心而組成的一個最小系統(tǒng)。根據(jù)具體應(yīng)用的要求，實際應(yīng)用的反映情況，選用了Samsung公司的ARM芯片S3C44BOX，其主要性能如下：
Samsung公司推出的16/32位RISC處理器S3C44BOX為一般類型的應(yīng)用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。為了降低成本， S3C44BOX提供了豐富的內(nèi)置部件，包括:8KB的Cache，內(nèi)部SRAM, LCD控制器，帶自動握手的2通道DART, 4通道DMA，系統(tǒng)管理器(片選邏輯，F(xiàn)P/EDO/SDRAM控制器)，帶有PWM功能的5通道定時器，I/O端口，RTC, 8通道10位ADC，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，同步SIO接口和PLL倍頻器。
S3C44BOX的突出特性是它的CPU核，是由ARM公司設(shè)計的16/32位ARM7TDMI RISC處理器(66MHz)。ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)的特點是它集成了Thumb代碼壓縮器，ICE (In Circuit Emulator)斷點調(diào)試支持，和一個32位的硬件乘法器。
數(shù)據(jù)采集單元
數(shù)據(jù)采集單元的作用就是對需要的模擬信號進行采集、處理后送到處理器進行處理。在該單元中，核心是對模擬信號的調(diào)理。由于系統(tǒng)要采集到汽車的儲氣罐內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)、制動踏板的位置數(shù)據(jù)、車速、離合器切合位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù)，因此需要多路數(shù)據(jù)采集通道。各通道的數(shù)據(jù)必須完成信號的調(diào)理后，才能送到處理器進行處理。該采集單元的信號采集通道框圖如圖2所示。
圖2 信號采集通道
控制執(zhí)行單元的功能主要是接收處理器發(fā)出的數(shù)字量，經(jīng)過隔離及驅(qū)動后，送到執(zhí)行機構(gòu)如電磁閥、繼電器、離合器等來使行相應(yīng)的動作。功能框圖如圖3所示。
圖3 控制執(zhí)行單元
這一級相對來說較為簡單，但為了防止外界對系統(tǒng)的干擾，須采用隔離。隔離器件采用普通的光電禍器即可，系統(tǒng)中采用TLP521-1。
數(shù)據(jù)顯示模塊
在系統(tǒng)的設(shè)計中，為了對采集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，使得調(diào)試更為方便、直觀，因此增加了數(shù)據(jù)顯示模塊。S3C44BOX集成了LCD (Liquid Cristal Display)控制器，該控制器支持在LCD上的單色、4級、16級灰度、256色的顯示，具有很強的通用性，S3C44BOX的LCD控制器的作用是將緩存中的數(shù)據(jù)傳送到外部的LCD驅(qū)動器，并產(chǎn)生必須的LCD控制信號。LCD控制器可以編程支持不同水平和垂直點數(shù)(640480，320240， 160160等)、不同數(shù)據(jù)線寬度、不同接口時序和刷新速率的LCD，支持4位雙掃描、4位單掃描、8位單掃描模式，并支持水平/垂直滾動，以用來支持更大的屏幕顯示(如1280 1280)。
由于不同尺寸的LCD具有不同數(shù)量的垂直和水平象素、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)寬度、接口時間和刷新率，S3C44BOX中的LCD控制器可以對相應(yīng)的寄存器值進行編程，以適應(yīng)不同的LCD顯示板。LCD控制器邏輯框圖如下圖4所示。
圖4 LCD控制器邏輯框圖
在本系統(tǒng)設(shè)計中，由外部供給系統(tǒng)單一的9V電源，通過三端穩(wěn)壓AS1117-5.0, AS1117-3.3和AS1117-2.5，分別得到5.0V, 3.3V以及2.5V。AS1117系列穩(wěn)壓器最大能提供800mA電流，由于本系統(tǒng)功耗較低，最大需求電流不超過300mA，因此用AS1117足以滿足系統(tǒng)的供電需求。另外的兩套15V電源由DC/DC變換器供給。考慮到系統(tǒng)中有數(shù)字電路和模擬電路，由于數(shù)字電路的電流變化較快，容易產(chǎn)生脈沖干擾，從而影響模擬信號的采樣精度，因此應(yīng)把數(shù)字地和模擬地分開。
調(diào)試接口
S3C44BOX內(nèi)嵌JTAG測試電路，使得調(diào)試起來非常方便。JTAG是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調(diào)試，JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路TAP (Test Access Port，測試訪問口)，通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進行測試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，能實現(xiàn)對各個器件分別測試。JTAG接口還常用于實現(xiàn)ISP(In System Programmable)功能，如對Flash器件進行編程等。
目前JTAG接口的連接有兩種標準，即14針接口和20針接口，在本設(shè)計中，采用的是14針的接口。該接口主要通過下載電路與計算機的并行口相連，在集成開發(fā)環(huán)境之下，使用相應(yīng)的JTAG下載代理軟件就可以用來進行系統(tǒng)調(diào)試，而不需專門的仿真器，這樣可以降低開發(fā)的成本。
通信單元
在系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到數(shù)據(jù)傳送、下載以及調(diào)試的方便，增加了串行通信RS-232C接口。另外，考慮到系統(tǒng)升級的方便，以及為了與現(xiàn)在流行的汽車總線接口的方便，增加了CAN現(xiàn)場總線的接口。
本系統(tǒng)中選用MAX232。MAX232可以實現(xiàn)TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。由于在實際應(yīng)用中，器件對電源噪聲很敏感，因此MAX232 的VCC引腳必須要對地加0.lmF去耦電容，另外，為提高抗干擾能力，添加了四個l0mF電容，在連接在內(nèi)部電源引腳輸出端。MAX232芯片第7, 8引腳接入分別到串行口的第3, 2引腳;9, 10引腳接處理器的RXD, TXD引腳，實現(xiàn)與處理器的連接。
需要注意的是， MAX232是5V器件，而處理器芯片是用的是3V供電，因此需要考慮電平轉(zhuǎn)換，否則將無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)。由于Maxim公司已經(jīng)注意到這點并推出了專用 3V供電的器件MAX3232C，利用它就可以無需考率3V到5V的電平轉(zhuǎn)換問題。MAX3232C與處理器的接口電路如圖5所示。
圖5 RS-232C與處理器的通信接口電路
在本系統(tǒng)中，主程序是整個程序的核心，擔負著系統(tǒng)的運行、控制的主要任務(wù)，需要對其控制流程進行仔細考慮，以完成所需的控制要求。
在程序開始時，首先對系統(tǒng)進行初步的初始化。之后，采集各種數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否正常，如果正常，則顯示數(shù)據(jù)并等待中斷，根據(jù)中斷轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。如果數(shù)據(jù)不正常，則通過報警來提示用戶檢查數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)正常才執(zhí)行其他程序。如果一切正常，且沒有剎車和啟動等控制，則可以與其他設(shè)備進行通信等操作。具體的流程見圖6所示。
圖6 系統(tǒng)主程序流程圖
要達到良好的系統(tǒng)控制效果需要在系統(tǒng)設(shè)計中非常注意它的抗干擾性和可靠性。本系統(tǒng)由于采用高速ARM作為核心處理器，它的高頻信號不僅容易受到干擾，而且也會成為系統(tǒng)的干擾源，因此有必要對整個系統(tǒng)，特別是ARM部分的抗干擾及保護做更多的處理。
硬件部分，控制系統(tǒng)的電源及功率驅(qū)動部分抗干擾措施主要就是從防和抗兩方面入手。其總原則是：抑制或消除干擾源;切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道;降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性?？垢蓴_設(shè)計的具體措施包括：隔離、接地、屏蔽、濾波等常用方法。
軟件部分，本系統(tǒng)的軟件主要采用了以下幾種軟件抗干擾設(shè)計：
軟件陷阱法
測試系統(tǒng)在遇到外界干擾時，往往會導致運行程序進入程序存儲器的空白區(qū)(即無指令區(qū))，這種現(xiàn)象叫做程序“跑飛”。于是在各子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處，都寫上連續(xù)3個空操作指令(nop)，后接一無條件轉(zhuǎn)移指令，一旦程序跑飛到這些區(qū)域，就會自動返回執(zhí)行正常程序。
程序的冗余設(shè)計
在程序存儲器的空白區(qū)域，寫入一些重要的數(shù)據(jù)表和程序作為備份，以便系統(tǒng)程序被破壞時仍有備份參數(shù)和程序維持系統(tǒng)正常工作。由于 TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)存儲以數(shù)據(jù)頁為基準，如果對不同數(shù)據(jù)頁的數(shù)據(jù)進行操作而不指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)頁，會導致程序跑飛。因此需要對程序未使用滿的數(shù)據(jù)頁進行填充，防止數(shù)據(jù)頁混亂導致的系統(tǒng)誤操作。
結(jié)語
加裝了能量回收再利用裝置后，當汽車在加速或重新起動初期，可以利用存儲的高壓氣體驅(qū)動汽車，不需要燃料，可以較少汽車尾氣對環(huán)境的污染。因此，該裝置不僅可以節(jié)約能源，而且有利于環(huán)保。
參考文獻：
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