湯鍇杰，栗　燦，高　遠(yuǎn)，楊健偉，邱　鑫

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院，重慶　400074)

0　引言

汽車(chē)動(dòng)力性能的提升對(duì)制動(dòng)效果提出更高要求。電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)(EBD)是在ABS的基礎(chǔ)上升級(jí)的制動(dòng)系統(tǒng)，帶有EBD功能的ABS制動(dòng)系統(tǒng)又稱(chēng)為“ABS+”系統(tǒng)[1]。

目前，對(duì)EBD系統(tǒng)的研究，主要集中于控制策略方面。陳良華等[1]通過(guò)對(duì)制動(dòng)時(shí)輪胎的動(dòng)力學(xué)分析，提出基于滑移率之差的控制策略；胡學(xué)英[2]提出了基于ABS硬件的EBD控制策略，對(duì)EBD的直線(xiàn)制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)策略進(jìn)行分析；張文利[3]提出基于滑移率和制動(dòng)減速度的邏輯門(mén)限控制策略，以前后輪滑移率之差作為PID的輸入控制變量來(lái)判斷采取減壓、增壓或是保壓，并結(jié)合控制策略進(jìn)行聯(lián)合仿真。

針對(duì)研究側(cè)重于控制策略而對(duì)控制的電子部分關(guān)注較少的情況，提出一種基于CAN總線(xiàn)的汽車(chē)EBD系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)方案確定、軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述。系統(tǒng)以ARM芯片S3C2410作為主控器，產(chǎn)生制動(dòng)力分配的控制信號(hào)，以CAN總線(xiàn)為通信載體，采用主從分布結(jié)構(gòu)。CAN總線(xiàn)作為一種能有效支持分布式控制的通信網(wǎng)絡(luò)，有良好的抗干擾能力，使得該制動(dòng)系統(tǒng)布置靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。

1　EBD功能與CAN總線(xiàn)優(yōu)勢(shì)

1．1EBD功能簡(jiǎn)述

ABS的功能是防止車(chē)輛制動(dòng)時(shí)“抱死”失控，EBD裝配于ABS的汽車(chē)上，作為ABS的輔助和升級(jí)系統(tǒng)，在控制上有較大優(yōu)化，對(duì)微處理器性能和程序設(shè)計(jì)有更高的要求。EBD在ABS前起作用，針對(duì)兩側(cè)車(chē)輪行駛于不同附著系數(shù)路面情況，合理分配制動(dòng)力，使車(chē)輪達(dá)到最大附著力的同時(shí)還能兼顧整車(chē)平衡，提高制動(dòng)效能和穩(wěn)定性，減少了ABS汽車(chē)常發(fā)生的甩尾和側(cè)滑情況，保證制動(dòng)的安全性和穩(wěn)定性。

圖1展示有無(wú)EBD功能的前后橋制動(dòng)力分配曲線(xiàn)對(duì)比效果。圖中：Fμ1為前橋驅(qū)動(dòng)力；Fμ2為后橋驅(qū)動(dòng)力；I線(xiàn)是使制動(dòng)力處于最佳分配狀態(tài)的理想曲線(xiàn)；β線(xiàn)是兩軸汽車(chē)實(shí)際呈現(xiàn)的分配曲線(xiàn)。制動(dòng)中為確保后輪不先于前輪“抱死”并保持方向穩(wěn)定性的目標(biāo)，一般要求I曲線(xiàn)位于β線(xiàn)上方，且兼顧到制動(dòng)效能線(xiàn)，β線(xiàn)又不能偏離太遠(yuǎn)[4]。圖1(a)不能滿(mǎn)足要求，而圖1(b)利用電子控制器對(duì)后輪液壓缸小幅、高頻和精確的不斷調(diào)節(jié)能夠滿(mǎn)足上述目標(biāo)，而且表現(xiàn)出良好的曲線(xiàn)效果。

(a)

(b)

1．2CAN總線(xiàn)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

在CAN總線(xiàn)出現(xiàn)前，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和儀表設(shè)備通信普遍采用RS-485總線(xiàn)，但是這種通信方式應(yīng)用在線(xiàn)控制動(dòng)上存在明顯的缺陷：實(shí)時(shí)性不佳，容易產(chǎn)生滯后；安全性不足，這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信容易因?yàn)槟硞€(gè)節(jié)點(diǎn)的故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓；抗干擾不強(qiáng)，汽車(chē)上除了制動(dòng)系統(tǒng)還有其他電器和儀表，數(shù)據(jù)通信量大，是一個(gè)強(qiáng)電磁輻射的環(huán)境，RS-485總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)容易受干擾。

自從CAN總線(xiàn)開(kāi)發(fā)出以來(lái)，這種串行數(shù)據(jù)通信總線(xiàn)就廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。CAN一般采用雙絞線(xiàn)作為介質(zhì)，其通信距離和速率能分別達(dá)到10 km和1 Mbps．CAN協(xié)議一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)在于它舍棄常用的地址編碼方式而采用數(shù)據(jù)塊編碼，這樣的方式在理論上可以使節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不受限，還可以使不同的節(jié)點(diǎn)之間能共享相同的數(shù)據(jù)，適用于分布式控制系統(tǒng)，也是該設(shè)計(jì)要求具有的通信特點(diǎn)。CAN總線(xiàn)具有錯(cuò)誤處理能力，通信錯(cuò)誤率低，具有極高的可靠性?？偩€(xiàn)通信接口能完成位填充、冗余校驗(yàn)等對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的成幀處理[5]。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于干擾環(huán)境、實(shí)時(shí)性高和分散控制的場(chǎng)合，特別適合作為EBD電子控制的通信載體。

2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)：主控制節(jié)點(diǎn)的中央處理器及外圍接口電路、從控制節(jié)點(diǎn)電路。采用ARM芯片S3C2410為處理器構(gòu)成主智能節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令；從節(jié)點(diǎn)位于4個(gè)車(chē)輪附近，從處理器選擇AT89C51，還包括信號(hào)采集電路和接口電路等部分，采集車(chē)況信息，并根據(jù)控制信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生合理制動(dòng)力；在主從節(jié)點(diǎn)間采用CAN總線(xiàn)構(gòu)建通信通道。

圖2為CAN總線(xiàn)制動(dòng)力分配系統(tǒng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

圖2　總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3　硬件設(shè)計(jì)

3．1主控電路設(shè)計(jì)

3．1．1主處理器選型

主節(jié)點(diǎn)處理器選擇S3C2410，查閱文獻(xiàn)[6]可知，該處理器基于ARM920T處理器內(nèi)核，采用RISC體系結(jié)構(gòu)，頻率可高達(dá)203 MHz，包含3個(gè)異步串行端口、56個(gè)中斷源等。它是一款性能高、功耗低的嵌入式處理，其豐富的串行接口有利于與CAN控制器的連接。

3．1．2CAN接口模塊

接口以MCP2510為控制器，連接到S3C2410的SPI串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該芯片具有以下一些特性[7]：支持CAN V2．0A/B的技術(shù)規(guī)范；內(nèi)含2個(gè)接收緩沖器、3個(gè)發(fā)送緩沖器；帶過(guò)濾功能，能中斷處理，優(yōu)先級(jí)控制。收發(fā)器則選擇具有總線(xiàn)過(guò)壓保護(hù)的CTM1050，該芯片集成CAN物理收、發(fā)器件，具有抗干擾能力。主節(jié)點(diǎn)CAN總線(xiàn)的接口電路如圖3所示。

圖3　S3C2410的CAN總線(xiàn)接口電路

3．2從節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

從節(jié)點(diǎn)接口電路主要包括從處理器AT89C51、CAN總線(xiàn)控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250，還包括隔離電路和輪速采集電路等，其接口電路如圖4所示。

AT89C51是集成32個(gè)I/O接口、5個(gè)中斷源、2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器和1個(gè)全雙功串行通信口等功能的芯片[8]。AT89C51的一個(gè)數(shù)據(jù)端口與控制器SJA1000的AD口相連完成數(shù)據(jù)傳輸，并設(shè)置其波特率等通信參數(shù)。SJA1000支持CAN2．0B協(xié)議，通過(guò)設(shè)置工作模式可實(shí)現(xiàn)差動(dòng)收發(fā)控制，在物理總線(xiàn)和CAN控制器之間通過(guò)PCA82C250收發(fā)器連接。CANH和CANL引腳

圖4　從節(jié)點(diǎn)CAN總線(xiàn)接口電路

串聯(lián)熱敏電阻起過(guò)流保護(hù)，并聯(lián)電容起濾除干擾和防輻射作用[9]。SJA1000和PCA82C250間采用高速光耦6N137進(jìn)行隔離，可以減少干擾，提高可靠性。

4　軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，各子系統(tǒng)先完成內(nèi)部編程，在總程序中調(diào)用，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。系統(tǒng)上電后，主從節(jié)點(diǎn)處理器和CAN控制器復(fù)位，然后由S3C2410對(duì)控制器進(jìn)行初始化。主節(jié)點(diǎn)和各車(chē)輪從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的任務(wù)不同，須設(shè)計(jì)不同的程序，主節(jié)點(diǎn)主要是從主控制程序?qū)用嫔习l(fā)送控制指令到CAN總線(xiàn)，從節(jié)點(diǎn)則從CAN總線(xiàn)接收信號(hào)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，同時(shí)采集車(chē)況信息。

程序按功能的主次分級(jí)呈樹(shù)狀排列，每一級(jí)可以調(diào)用其下一級(jí)的子程序，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。系統(tǒng)主程序位于第一級(jí)，負(fù)責(zé)各子程序協(xié)調(diào)；CAN通訊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集等程序位于第二級(jí)，完成相應(yīng)的功能。其中CAN通訊程序主要涉及CAN初始化和CAN的收發(fā)程序，數(shù)據(jù)采集用于采集踏板和輪速等信號(hào)。

圖5　軟件部分總體結(jié)構(gòu)

CAN的通信協(xié)議中只有數(shù)據(jù)鏈路層和物理層上的協(xié)議[10]，在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，用戶(hù)需要根據(jù)實(shí)際要求完成CAN應(yīng)用層協(xié)議的制定。CAN按信息編碼的特點(diǎn)要求各節(jié)點(diǎn)收發(fā)的信息在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行標(biāo)識(shí)符分配，標(biāo)識(shí)符ID的大小將決定其優(yōu)先級(jí)的高低。軟件各程序模塊之間既是相對(duì)獨(dú)立，按要求完成處理或采集功能，又可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，相互調(diào)用，提高代碼利用率。

CAN總線(xiàn)是該設(shè)計(jì)的載體，其通信程序是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的重要保證。CAN的通信一般建立在完成對(duì)控制器的初始化基礎(chǔ)上，然后執(zhí)行報(bào)文信息的收發(fā)程序。

4.1控制器初始化

CAN控制器上電復(fù)位后處于Configuration模式下，工作前要進(jìn)行初始化，文中以MCP2510為例說(shuō)明初始化設(shè)置。S3C2410通過(guò)SPI串口對(duì)MCP2510進(jìn)行使能中斷、波特率和過(guò)濾器等設(shè)置，清空收發(fā)緩沖區(qū)。為防止MCP2510因時(shí)序慢而丟失數(shù)據(jù)，每次讀寫(xiě)完都加一段延時(shí)程序[11]。下面給出S3C2410與MCP2510通訊的一些函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)功能：

s3c2410_mcp2510_write(data)；// 對(duì)控制器寫(xiě)數(shù)據(jù)

s3c2410_mcp2510_read(data)；// 從控制器讀數(shù)據(jù)

s3c2410_mcp2510_ioctl(data)；// 完成CAN總線(xiàn)波特率等初始化設(shè)置

4.2報(bào)文發(fā)送流程

圖6為CAN報(bào)文發(fā)送和接收程序流程。發(fā)送程序流程如圖6(a)所示，先查詢(xún)發(fā)送緩沖區(qū)是否空閑，否則要先釋放緩沖區(qū)才能寫(xiě)入數(shù)據(jù)；報(bào)文發(fā)送前還要檢查待發(fā)送的數(shù)據(jù)組成的報(bào)文格式是否符合要求，在一切就緒后，置位發(fā)送標(biāo)志寄存器中的發(fā)送請(qǐng)求，啟動(dòng)發(fā)送程序。發(fā)送程序包括數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，而遠(yuǎn)程幀沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)。

(a)

(b)

4.3報(bào)文接收流程

接收程序相對(duì)要復(fù)雜一些，除實(shí)現(xiàn)接收功能還要兼顧接收溢出和錯(cuò)誤報(bào)警等情況處理。設(shè)計(jì)對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求較高，在查詢(xún)接收和中斷接收2種方式中選擇中斷方式。

控制器接收數(shù)據(jù)直到接收緩沖區(qū)滿(mǎn)時(shí)觸發(fā)中斷，向處理器發(fā)送接收?qǐng)?bào)文的中斷請(qǐng)求，完成報(bào)文接收。接收前一樣要檢查報(bào)文格式是否正確，接收完再次打開(kāi)中斷，允許下次中斷觸發(fā)。具體接收程序流程見(jiàn)圖6(b)。

5　結(jié)束語(yǔ)

CAN總線(xiàn)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸速率快和可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)逐漸成為汽車(chē)電子系統(tǒng)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式。

文中把CAN總線(xiàn)和EBD相結(jié)合，提出一種基于CAN總線(xiàn)的EBD系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以ARM處理器S3C2410為主控制器，以AT89C51為從控制器，通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)兩者間的通信。重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)組成和軟硬件設(shè)計(jì)，硬件采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，從控制上實(shí)現(xiàn)EBD制動(dòng)效果，也充分利用CAN總線(xiàn)通信響應(yīng)快、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。該制動(dòng)力分配設(shè)計(jì)方案可行性高，簡(jiǎn)化復(fù)雜布線(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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