ARM嵌入式汽車節(jié)能控制系統(tǒng)*

　　摘要： 本文以節(jié)約能源為切入點，針對城市公交車頻繁剎車的特點，設計了一種節(jié)能控制裝置，通過該裝置把汽車剎車時由原來通過摩擦片產(chǎn)生阻力停車，改為帶動空氣壓縮機工作，把汽車行駛時的動能轉(zhuǎn)化為高壓氣能，利用能量的轉(zhuǎn)換使汽車停下來。在汽車啟動時，利用儲存起來的高壓氣能帶動汽車行走，從而達到節(jié)約能源的目的。

　　關(guān)鍵詞： 汽車節(jié)能;嵌入式系統(tǒng);ARM

　　引言

　　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。控制部分主要由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

　　S3C44BOX

　　由于設計要求系統(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)具體應用的要求，實際應用的反映情況，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

　　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)(640