趙 坤，鄭 穎，王 棟

(1.西安航空學(xué)院車輛工程學(xué)院,陜西 西安 710077)(2.汽車檢測工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710077)

近年來，社會日漸發(fā)展，科技不斷進(jìn)步，人們物質(zhì)生活得到極大提升，汽車已成為公認(rèn)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(jù)是汽車現(xiàn)代化制動性能[1]。傳統(tǒng)的液壓制動系統(tǒng)由于制動響應(yīng)速度慢、管路多、制動液泄漏易造成環(huán)境污染，已無法滿足現(xiàn)代汽車制動發(fā)展的需求[2-3]。電子機(jī)械制動(electro-mechanical brake,EMB)系統(tǒng)以線控技術(shù)為基礎(chǔ)，利用中心控制模塊進(jìn)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(biāo)制動力，然后利用總線進(jìn)行信號傳輸，使得制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動。電子機(jī)械制動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高穩(wěn)定、高可靠、高響應(yīng)的制動性能，操作方便，系統(tǒng)體積小，成本低廉，且能有效避免制動液泄漏，安全環(huán)保，現(xiàn)已成為汽車制動行業(yè)發(fā)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(chǔ)的傳統(tǒng)串行通信方式占用空間大，且其數(shù)據(jù)交換可靠性與工作環(huán)境相關(guān)，若工作環(huán)境惡劣，則數(shù)據(jù)交換可靠性較低。CAN總線由于具有較強(qiáng)的實(shí)時性和糾錯能力、較高的通信效率和容錯性、較遠(yuǎn)的傳輸距離，且滿足差分收發(fā)和高干擾環(huán)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(jìn)行汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)組成

汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)力矩控制。車輪制動模塊進(jìn)行制動操作。

圖1 汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)控制組成框架圖

1.2 汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

汽車在進(jìn)行制動時經(jīng)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(tài)，提升響應(yīng)速率。汽車4個車輪的制動器必須保持獨(dú)立，利用具有高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)能囕d網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制，滿足穩(wěn)定可靠性能?；诖耍疚睦肅AN總線通信方式進(jìn)行EMB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體示意圖如圖2所示。

圖2 基于CAN的EMB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)方案

汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)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(jù)位移信號識別駕駛員制動意圖，并將識別結(jié)果發(fā)送給ECU，ECU進(jìn)行信號處理分析，處理信號一方面控制電動機(jī)進(jìn)行力矩輸出，另一方面使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生制動力，并將結(jié)果作用于車輪。車輪制動力大小取決于車輪的轉(zhuǎn)向擺角以及與路面的摩擦系數(shù)，所以對于每個車輪必須獨(dú)立安裝傳感器以及制動器，使其形成獨(dú)立、閉環(huán)的制動回路。圖3所示為汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)硬件組成框架圖，其包括ECU、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號采集模塊、制動踏板單元以及直流電動機(jī)單元。

圖3 汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

在汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)中，其心臟為ECU，可接收各傳感器傳入的信號，進(jìn)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(jī)驅(qū)動器包括驅(qū)動芯片和外圍設(shè)備兩部分。對于電動機(jī)驅(qū)動器，既要符合電子機(jī)械制動系統(tǒng)對電動機(jī)驅(qū)動性能的需求，也要符合電動機(jī)本身運(yùn)行需要的控制需求，此外還要滿足驅(qū)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(jié)構(gòu)，頻率高達(dá)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。

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(fā)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(shí)現(xiàn)DC 2 500V電器隔離的收發(fā)器芯片，可以避免由于浪涌、干擾產(chǎn)生的元件故障和總線錯誤問題，其包括CAN收發(fā)器、ESD總線和電源保護(hù)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

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

3 軟件設(shè)計(jì)

汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)的軟件主要基于模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，各子系統(tǒng)首先完成內(nèi)部編程，在總程序中調(diào)用，利用C語言進(jìn)行編程。制動系統(tǒng)通電后，主從節(jié)點(diǎn)處理器和CAN控制器復(fù)位，然后由S3C2410芯片進(jìn)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(tǒng)主程序在第一級，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各子程序；CAN通信程序、執(zhí)行器驅(qū)動程序、信號采集程序等在第二級。

圖5 軟件部分總體結(jié)構(gòu)

CAN通信協(xié)議只在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層完成，因此在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時，用戶需要依據(jù)實(shí)際需求完成CAN應(yīng)用層協(xié)議制定。CAN需要依據(jù)標(biāo)識符分配、標(biāo)識符ID大小定義其優(yōu)先級。CAN總線是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǔ)上，然后進(jìn)行信息收發(fā)。

3.1 控制器初始化

CAN控制器通電復(fù)位后模式是Configuration，在運(yùn)行前需要進(jìn)行初始化。對于MCP2510，其初始化設(shè)置為：S3C2410芯片通過SPI串口設(shè)置向MCP2510的片選CS輸出一個低電平進(jìn)行初始化，MCP2510初始化設(shè)置內(nèi)容包括使能中斷、波特率及過濾器設(shè)置、收發(fā)緩沖區(qū)情況。為避免MCP2510“忙”，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕瓿扇我獠僮骱笮枰砑右欢窝訒r程序。下面是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫功能的部分函數(shù)：

s3c2410_mcp2510_write(data);//控制器寫數(shù)據(jù)

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

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

3.2 報(bào)文收發(fā)流程

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

圖6 CAN報(bào)文發(fā)送與接收程序流程

圖6(b)為接收程序流程圖。相對于發(fā)送程序，接收程序更復(fù)雜，既要實(shí)現(xiàn)接收功能，還要接收溢出及錯誤報(bào)警等信息。制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要較高的通信實(shí)時性，因此需要選擇中斷接收方式?？刂破鹘邮諗?shù)據(jù)直至緩沖區(qū)滿，中斷觸發(fā)，向處理器發(fā)送接收報(bào)文中斷請求，完成報(bào)文接收。

4 基于CAN總線的汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)性能模擬實(shí)驗(yàn)

汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)包括：1)電動機(jī)驅(qū)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(jī)電樞電壓關(guān)系。由圖可知，整體而言，踏板位移與電動機(jī)電樞電壓存在線性關(guān)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(jié)果由電動機(jī)驅(qū)動，產(chǎn)生的電樞電壓在正常范圍內(nèi)。

圖7 踏板位移與電樞電壓關(guān)系

圖8為踏板位移與電動機(jī)輸出力矩關(guān)系。由圖可知，踏板位移與電動機(jī)輸出力矩存在線性關(guān)系，表明該系統(tǒng)克服了電動機(jī)本身存在的磁滯缺陷。

圖8 踏板位移與電動機(jī)輸出力矩關(guān)系

圖9為執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載特性曲線。執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載特性是指系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下作用在制動盤壓力與絲杠位移的關(guān)系。由圖可知：隨絲杠位移增加，制動盤壓力增大；負(fù)載特性曲線十分光滑，制動盤壓力與絲杠位移存在函數(shù)關(guān)系。擬合曲線與實(shí)測曲線重合良好，這表明執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載良好。

圖9 執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載特性曲線

5 結(jié)束語

本文主要研究了CAN總線通信在汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)中的應(yīng)用。汽車電子機(jī)械制動系統(tǒng)是線控技術(shù)在制動領(lǐng)域的應(yīng)用，具有較快的響應(yīng)速度、較高的控制精度和可擴(kuò)展性。CAN總線由于具有較強(qiáng)的實(shí)時性和糾錯能力、較高的通信效率和容錯性、較遠(yuǎn)的傳輸距離，且滿足差分收發(fā)和高干擾環(huán)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(jī)械制動系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)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。

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