張世強，蘇士斌，郭 興，馬曉龍，紀(jì)少波*，程 勇

（1.山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，山東 濟南 250061；2.青島海信網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，山東 青島 256000； 3.龍口龍泵柴油噴射高科有限公司，山東 龍口 265701）

前言

冷卻系統(tǒng)是保證汽車發(fā)動機在正常溫度下工作的重要部分，主要包括水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、節(jié)溫器等部件；其中冷卻風(fēng)扇可以保證汽車在低速行駛或發(fā)動機溫度過高時及時散熱，維持正常工作溫度。電子風(fēng)扇是冷卻風(fēng)扇的一種，能夠起到很好的節(jié)能作用，并且由于其獨立運行、調(diào)節(jié)能力平滑等優(yōu)勢得到了大量應(yīng)用，國內(nèi)外有很多學(xué)者對其進行了研究。相對來說，國外研究起步較早，早在20世紀(jì)80年代就已有學(xué)者在專利中提到電子風(fēng)扇，之后，在八十年代末期，Roger Clemente[1]提出將電子風(fēng)扇裝在載貨汽車上。在國內(nèi)，上世紀(jì)90年代才開始對電子風(fēng)扇的相關(guān)研究。其中，張鵬飛[2]對電子風(fēng)扇的標(biāo)定匹配問題開展研究，使用CATIA建立了電子風(fēng)扇的三維結(jié)構(gòu)模型，并且在電子風(fēng)扇的匹配設(shè)計過程中，提出了一種根據(jù)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)計算其散熱性能的可行方法。

一般來說，電子風(fēng)扇控制器需要硬件與軟件相互配合，二者相輔相成，硬件用以支持電子風(fēng)扇控制器的運行，軟件用以控制硬件，保證電子風(fēng)扇控制器各個模塊協(xié)調(diào)有序地工作。周碧[3]介紹了一種以AT89C52單片機為控制核心的車用發(fā)動機電控冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，并據(jù)此繪制出了系統(tǒng)電路圖，設(shè)計出了可行的硬件和電路。完成電子風(fēng)扇控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計之后，還需要設(shè)計相應(yīng)的軟件代碼，軟件代碼包括總體框架程序和各功能模塊的底層驅(qū)動程序，前者用于管理整個控制過程，后者通過配置微處理器的寄存器，令其按照設(shè)定的工作模式工作。兩種程序都是通過Freescale單片機專用單片機編譯環(huán)境CodeWarrior[4]實現(xiàn)的。下面對兩種程序的設(shè)計進行詳細(xì)介紹。

1 功能分析

目前電子風(fēng)扇控制系統(tǒng)具有采集傳感器信號、輸入開關(guān)量信號、PWM輸出控制、風(fēng)扇狀態(tài)診斷等功能[5-6]，實現(xiàn)以上功能，需要合理設(shè)計電路等硬件，并進行相關(guān)的測試與優(yōu)化[7]，還需要軟件代碼對相關(guān)模塊進行控制。因此需要針對各個模塊設(shè)計程序，主要包括晶振配置程序、傳感器信號采集及處理程序、PWM輸出控制程序、風(fēng)扇狀態(tài)診斷程序、開關(guān)量信號讀入程序、CAN總線通訊程序、狀態(tài)顯示程序等程序；此外，電子風(fēng)扇控制器工作時需要處理多個任務(wù)，為了各個任務(wù)能夠有序執(zhí)行，基于多任務(wù)時間規(guī)劃機制，設(shè)計了系統(tǒng)總體框架程序。

2 程序代碼設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體框架程序

多任務(wù)時間規(guī)劃機制是根據(jù)處理任務(wù)的重要性不同，將不同任務(wù)分配以不同的優(yōu)先級，并按照優(yōu)先級高低依次執(zhí)行程序；當(dāng)較高優(yōu)先級的程序執(zhí)行完畢時，便降至最低優(yōu)先級，并根據(jù)各程序執(zhí)行所需要的時間，將各程序的優(yōu)先級及時恢復(fù)，從而保證程序工作持續(xù)進行。

程序中的實時時鐘模塊保證了優(yōu)先級恢復(fù)的正常進行：通過該模塊配置最小時間片段，各個程序段依據(jù)其運行所需要的時間間隔，結(jié)合當(dāng)前的時間片段，經(jīng)過累加得到一個變量，當(dāng)該變量達到一定值時，將程序段優(yōu)先級的恢復(fù)，進入下一次的運行。

系統(tǒng)總體框架程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)中各個程序的有序進行，下面對各底層驅(qū)動程序模塊進行介紹。

2.2 晶振配置程序

控制器是基于S9S08DZ60單片機設(shè)計的，該單片機中含有多功能時鐘發(fā)生器（MCG）模塊，模塊中包含1個鎖頻環(huán)（FLL）和一個鎖相環(huán)（PLL），并且可以選擇其中任一個作為單片機的系統(tǒng)時鐘，也可選用外部參考時鐘作為MCU系統(tǒng)時鐘。在單片機的時鐘源配置中，主要用到了MCGSC、MCGC1、MCGC2及MCGC3這4個特殊功能寄存器，本系統(tǒng)中時鐘配置步驟如下：

單片機復(fù)位會使時鐘模塊處于FEI模式，因此首先需要通過寄存器配置將FEI模式轉(zhuǎn)換為FBE模式；這個步驟中需要完成外部振蕩器的配置，選擇外部參考時鐘為系統(tǒng)時鐘源等。將FBE模式轉(zhuǎn)為BLPE模式，進而轉(zhuǎn)為PBE模式，在這個步驟中需要選擇PLL模式。之后，將PBE模式轉(zhuǎn)為PEE模式，完成時鐘頻率的設(shè)置。

2.3 傳感器信號采集及處理程序

傳感器信號是控制器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)的，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊時，首先應(yīng)配置工作模式，即配置采樣精度、采樣速度、采樣模式及采樣通道，該過程涉及到ADCCFG、ADCSC1、ADCSC2、APCTL1、APCTL2及APCTL3等特殊功能寄存器。通過寄存器配置設(shè)定數(shù)模轉(zhuǎn)換單元采用低功耗模式，轉(zhuǎn)換精度為12位，以總線頻率作為時鐘，模數(shù)轉(zhuǎn)化速度為總線頻率的一半；通過配置，在使能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后進入中斷功能，配置用到的引腳為模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，屏蔽IO功能。

完成上述配置，便可控制單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，采集后續(xù)數(shù)據(jù)時，可通過ADCSC1指定采樣通道，并啟動單次采樣工作模式，采集相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，完成采集后進入模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷函數(shù)，并將采樣結(jié)果暫存，置位相關(guān)變量，告知有新的數(shù)據(jù)到來。

采集完成后，需要通過標(biāo)度變換將采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的物理量，此處通過查表實現(xiàn)。在此，建立不同的數(shù)組，用來存儲數(shù)字量與實際溫度值的對應(yīng)關(guān)系，模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，對數(shù)組中的數(shù)據(jù)進行查表及線性插值處理，得到對應(yīng)的物理量。針對不同溫度區(qū)間數(shù)據(jù)的使用頻率，設(shè)置不同的溫度步長，不常用的溫度區(qū)間采取較大的步長，常用的溫度區(qū)間則采用較小的步長，這可以減少數(shù)組的規(guī)模，提高查表速度以及插值的精度。

2.4 PWM輸出控制程序

PWM輸出是通過單片機的定時器脈沖寬度調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的，該模塊支持邊緣對齊及中央對齊PWM模式，此處選擇邊緣對齊模式。該定時器脈沖寬度調(diào)節(jié)器包含TPM0和TPM1兩個模塊，其中TPM1模塊在此用于邊緣對齊PWM輸出，TPM0模塊用于其他功能。在PWM輸出功能中，需涉及到TPMnSC、TPMnMOD、TPMnCxSC、TPMnCNT及TPMnCxV等特殊功能寄存器，通過配置這些寄存器，控制TPM1定時器溢出中斷使能、采用非中央對齊PEM輸出功能、功能模塊的時鐘總線為總線速率時鐘、總線速率時鐘二分頻后得到TPM1的時鐘源。然后設(shè)定計數(shù)終點，即TPM1定時器的模值，定時器在達到該值后計入溢出中斷，該寄存器的值可指定PWM信號的頻率。TPM2C0SC寄存器可設(shè)置及改變TPM1模塊中第0通道的功能模式，在此設(shè)置為普通IO口，TPM1模塊其他通道的初始化也如此設(shè)置。最后，將TPM1計數(shù)寄存器清0，計數(shù)寄存器復(fù)位。

上述特殊寄存器設(shè)置完成后，才可進入正常工作模式，現(xiàn)以TPM1的第0通道為例，對PWM信號輸出的代碼進行說明。

首先需要根據(jù)PWM輸出占空比，對TPM2C0SC進行初始化設(shè)置。當(dāng)占空比為0%時，需要PWM輸出引腳保持輸出低電平，此時將該引腳設(shè)置為普通IO口，然后通過代碼控制引腳輸出低電平。當(dāng)PWM輸出占空比不為0%時，則需將該通道設(shè)置為邊緣對齊PWM模式，此時使配置TPM2 -C0SC寄存器，并設(shè)置PWM相應(yīng)的輸出電平模式，從而使該通道為邊緣對齊PWM模式。然后根據(jù)該模式中當(dāng)前的時鐘頻率、TPM1的模值以及當(dāng)前占空比計算出對應(yīng)的計數(shù)值，并賦值給通道值寄存器TPM2C0V，當(dāng)TPM1的計數(shù)值與TPM2C0V的值相等時，便控制相應(yīng)的引腳動作，實現(xiàn)PWM信號的輸出。圖1為通過TPM1模塊發(fā)出的不同占空比的PWM信號。

圖1 不同占空比的PWM信號對比

2.5 風(fēng)扇狀態(tài)診斷程序

該程序主要讀取風(fēng)扇故障狀態(tài)及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，研究的電子風(fēng)扇內(nèi)部具有故障診斷功能，當(dāng)電子風(fēng)扇出現(xiàn)溫度、壓力過高等故障時，相應(yīng)的引腳便輸出高電平，可據(jù)此判斷電子風(fēng)扇是否有故障。該電平信號是在控制器給電子風(fēng)扇發(fā)出的PWM信號為低電平時輸出，且PWM信號的占空比是實時變化的，即PWM信號為低電平的情況也是一直在變化的，因此便需要一個模塊來捕捉風(fēng)扇電平信號，此處采用TPM0模塊的輸出比較功能來捕捉PWM信號為低的時刻。

首先，需要對TPM0模塊進行初始化配置，包括時鐘源、時鐘頻率以及計數(shù)寄存器等，其配置過程與上文中TPM1模塊相似，每次通過TPM1進行PWM占空比配置時，同步對TPM0進行配置，實現(xiàn)輸出比較功能。這需要通過對通道狀態(tài)控制寄存器進行配置，該寄存器允許中斷使能，將引腳功能配置為輸出比較模式。為了能夠準(zhǔn)確捕捉風(fēng)扇狀態(tài)電平，將輸出比較的中斷時刻設(shè)定在PWM信號低電平的中間位置，這里通過對通道值寄存器的配置實現(xiàn)，此時信號的狀態(tài)穩(wěn)定，更容易獲取準(zhǔn)確的狀態(tài)。圖2為不同占空比下，讀取風(fēng)扇狀態(tài)電平的時刻示意圖，其中黃線是輸出的PWM信號，綠色線表征另外一根引腳的反轉(zhuǎn)時刻，以便觀察中斷時刻。由以下三個圖可知，在這三種占空比狀態(tài)下，都可以在PWM信號的低電平位置出現(xiàn)中斷，這也是讀取風(fēng)扇狀態(tài)電平的最佳時刻。

圖2 不同占空比下風(fēng)扇狀態(tài)電平讀取時刻示意圖

其次，要獲取風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速信息，了解風(fēng)扇運轉(zhuǎn)狀態(tài)，但是電子風(fēng)扇在實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)速信號難以直接測量，因此需要用其他參數(shù)來間接獲取，而風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與PWM信號的占空比又是一一對應(yīng)的，因此可以通過確定兩者之間的關(guān)系，依據(jù)PWM占空比來獲取電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。在不用電壓下，PWM占空比與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的對應(yīng)曲線如圖3所示。由圖可知，工作電壓在24 V以上時，工作電壓對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的影響不大；當(dāng)占空比不變時，隨著工作電壓的下降，對應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也隨之降低。

圖3 占空比與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系

2.6 開關(guān)量信號讀入程序

開關(guān)量信號讀入包括風(fēng)扇故障狀態(tài)、啟動開關(guān)信號及駕駛員發(fā)來的反轉(zhuǎn)控制信號三部分，在上文中已經(jīng)介紹風(fēng)扇故障狀態(tài)信號的讀取，其他兩個開關(guān)量信號的讀取方法與之相同。在讀取前需要對單片機的IO口初始化配置，并且需要指定IO口的方向，這一功能通過PTnDD特殊功能寄存器實現(xiàn)；而后通過PTAD_PTAD3的狀態(tài)來確定PA3引腳電平的高低，其值為1時PA3收到的是高電平，反之為低電平。該方法可獲取各開關(guān)輸入信號的狀態(tài)。

2.7 CAN總線通訊程序

該程序包含了CAN模塊的初始化、CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等過程，實現(xiàn)該程序的功能需要利用Freescale單片機的局域網(wǎng)通信控制器MSCAN，MSCAN具有監(jiān)聽模式、MSCAN睡眠模式、MSCAN初始化模式、MSCAN關(guān)機模式及環(huán)回自測模式五個工作模式，使用時首先需要進行初始化，配置工作模式、傳送波特率、數(shù)據(jù)幀類型及中斷功能。在正常使用過程中，主要使用發(fā)送和接收兩個功能，接收時可以采用查詢方式或中斷方式，在此采用中斷方式以提高程序的運行效率。

在CAN模塊的初始化中，首先判斷CAN模塊是否啟動，若未啟動，則直接開始系統(tǒng)初始化；若已啟動，則在MSCAN沒有等待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前提下，設(shè)置模塊進入初始化狀態(tài)，在模塊進入初始化狀態(tài)后，再向下運行后面的程序。CAN模塊進入初始化狀態(tài)后，需要對CAN通訊的波特率進行配置，這里通過CANBTR0和CANBTR1兩個特殊功能寄存器實現(xiàn)。前者用來配置CAN計時參數(shù)，包括同步跳轉(zhuǎn)寬度和波特率的預(yù)分頻值；后者根據(jù)傳輸速率的高低，設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸時的樣本數(shù)量，可選擇1個或者3個。且該寄存器也可以設(shè)定每個位時間的時鐘周期數(shù)和采樣點的位置。

此外，在數(shù)據(jù)接收過程中，需要對不需要接收的數(shù)據(jù)進行過濾，這一過程可通過配置標(biāo)識符掩碼寄存器CANID- MRn、接收寄存器CANIDARn及標(biāo)識符驗收控制寄存器CANIDAC實現(xiàn)。其中，掩碼寄存器用于配置需要比較的位，接收寄存器則代表比較的地址值。針對不同標(biāo)識符需要應(yīng)用不同的寄存器，擴展標(biāo)識符需要應(yīng)用四個接收和掩碼寄存器，標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符只應(yīng)用前兩個寄存器，即CANIDAR0/1和CANI- DMR0/1。

當(dāng)上述寄存器配置完成后，通過判斷CANCTL0和CAN- CTL1寄存器中的標(biāo)志位，回到正常工作模式，且與總線時鐘進行同步，開始進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。為了提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，將數(shù)據(jù)的接收配置為中斷模式，這里通過CANRIER寄存器中的RXFIE位進行配置。

上述過程完成了CAN模塊的初始化，之后便可進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。首先，需要將發(fā)送過程封裝為一個函數(shù)，以便進行數(shù)據(jù)的發(fā)送操作，該函數(shù)需判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)類型及個數(shù)是否正確，且在發(fā)送過程中，還需通過發(fā)送器標(biāo)志寄存器來確定當(dāng)前為空的發(fā)送緩沖器。確定好發(fā)送緩沖器后，再通過選擇寄存器來選定該緩沖器進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

發(fā)送的CAN報文包含標(biāo)識符和數(shù)據(jù)兩部分，在發(fā)送時，標(biāo)識符需裝載在CANTIDRn寄存器中，單片機的CAN模塊具備CANTIDR0～CANTIDR3共計4組標(biāo)識符寄存器，用于滿足標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀的標(biāo)識符加載的需要。對于擴展幀而言，標(biāo)識符由29位組成，4組標(biāo)識符寄存器中還有3位特殊的標(biāo)志位（SRR、IDE及RTR）。在進行標(biāo)識符加載時，需要通過移位或者與或處理等將地址標(biāo)識符及3位特殊的標(biāo)志位加載到CANTIDRn的4組寄存器中。

同理，發(fā)送的數(shù)據(jù)也需要通過數(shù)據(jù)段寄存器CANTDSRn加載相應(yīng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)。此外，在發(fā)送數(shù)據(jù)前還需要通過寄存器CANTDLR指定發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中的字節(jié)數(shù)量；通過CANTTBPR指定數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級；通過CANTFLG指定前述確定的發(fā)送緩沖器；最終由CAN模塊自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

對于CAN數(shù)據(jù)的接收，需要采用中斷模式，一旦接收的數(shù)據(jù)通過了接收濾波器的校驗，即可觸發(fā)CAN模塊的中斷，并進入中斷函數(shù)中。在進入CAN中斷函數(shù)中后，首先需要判斷接收的CAN數(shù)據(jù)的類型是否正確，進而確定當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量；由于標(biāo)識符寄存器中3個特殊標(biāo)志位的存在，需要對接收的標(biāo)識符寄存器通過變換，得到真正的地址標(biāo)識符；最后需要將CAN數(shù)據(jù)幀的各字節(jié)數(shù)據(jù)依次取出，完成整個數(shù)據(jù)接收過程。

2.8 狀態(tài)顯示程序

狀態(tài)顯示是通過數(shù)碼管完成的，在此采用16通道等電流數(shù)碼管驅(qū)動芯片MBI5024。狀態(tài)顯示程序包括底層驅(qū)動程序和顯示內(nèi)容控制程序兩個方面。

顯示裝置使用了2位數(shù)碼管，共16個碼段，MBI5024底層驅(qū)動程序包含對數(shù)碼管各碼段的控制引腳的規(guī)劃。MBI5024通過串行通訊傳遞顯示信息，在此需要兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，即16位數(shù)據(jù)來控制16個碼段，圖16為2位數(shù)碼管各碼段與控制字節(jié)的對應(yīng)關(guān)系，在工作時，發(fā)送的第一個字節(jié)數(shù)對應(yīng)右邊的數(shù)碼管，用于控制a->h各碼段的數(shù)據(jù)；發(fā)送的第2個字節(jié)是左邊的數(shù)碼管，即A->H的數(shù)據(jù)。確定好數(shù)碼管的各碼段與字節(jié)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系后，便建立了數(shù)碼管顯示內(nèi)容的真值表，將真值存入數(shù)組中，在使用時根據(jù)需要顯示的內(nèi)容查表便可確定需要發(fā)出的字節(jié)數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

顯示程序包括四部分，分別是總體控制程序、數(shù)字顯示控制程序、特殊字符顯示控制程序以及MBI5024通訊程序，通過這四部分，可以控制數(shù)碼管顯示各種信息，包括控制器當(dāng)前工作狀態(tài)、傳感器測試信號、風(fēng)扇點擊的故障狀態(tài)等信息。其中總體控制程序可根據(jù)控制器當(dāng)前的狀態(tài)確定顯示內(nèi)容，顯示內(nèi)容包括數(shù)字和特殊字符，數(shù)字和特殊字符的顯示控制分別由各自的顯示控制程序?qū)崿F(xiàn)，此外，還需要控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送到MBI5024，即需要通訊程序，將數(shù)字顯示及特殊字符顯示程序確定的字節(jié)內(nèi)容向外發(fā)送，并且可在通訊程序中通過優(yōu)化的發(fā)送機制實現(xiàn)發(fā)送速度的調(diào)整。

3 實車測試

在設(shè)計完成后，需要檢測其功能是否完善，各個模塊能否有序協(xié)調(diào)的工作，是否滿足使用要求。因此，將總體框架程序、各底層驅(qū)動程序與電子風(fēng)扇控制器硬件相結(jié)合，在實驗場對電子風(fēng)扇控制器進行實車測試，對電磁離合器風(fēng)扇及電子風(fēng)扇系統(tǒng)的油耗進行了對比分析，對其使用效果進行相關(guān)評價，實驗結(jié)果表明采用電子風(fēng)扇后，在各測試工況下都具有明顯的節(jié)油效果。

圖4 定遠(yuǎn)試驗場地部分實驗路段

實驗在空車、中載和重載三種不同載荷下進行，裝有電磁離合器風(fēng)扇的車輛和同種裝有電子風(fēng)扇的車輛分別在各種載荷下采取不同速度測試四到五次，記錄各自的油耗進行對比，如圖5。

圖5 不同裝載下兩種油耗對比

實驗結(jié)果可知，不同載荷下節(jié)油率稍有變化，但整體電子風(fēng)扇能夠起到很好的節(jié)油作用，設(shè)計出的軟件可以很好地控制各個硬件模塊有序協(xié)調(diào)地進行，具有很好的實用性。

4 結(jié)論

（1）本文分析了電子風(fēng)扇控制系統(tǒng)在工作時的功能需求，提出了相應(yīng)的軟件代碼設(shè)計方案。

（2）基于Freescale單片機專用編譯環(huán)境CodeWarrior對各功能模塊的底層驅(qū)動程序進行設(shè)計，包括晶振配置程序、傳感器信號采集及處理程序、PWM輸出控制程序、風(fēng)扇狀態(tài)診斷程序、開關(guān)量信號讀入程序、CAN總線通訊程序、狀態(tài)顯示程序等，能夠控制電子風(fēng)扇控制系統(tǒng)有序工作。

（3）進行了總體框架的的設(shè)計，設(shè)計了多任務(wù)時間規(guī)劃機制實現(xiàn)了上述多種功能的協(xié)調(diào)工作。