燃料電池城市客車(chē)用整車(chē)控制器

摘  要:  本文介紹了美國(guó)Cygnal公司新近推出的單片機(jī)C8051F020在汽車(chē)整車(chē)控制器中的應(yīng)用。在分析了整車(chē)控制器的功能需求后，研制出了控制器的硬件平臺(tái)，并在此硬件平臺(tái)上搭建了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊的軟件設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集、控制器局域網(wǎng)(CAN)總線通信和控制策略數(shù)值計(jì)算等。
整車(chē)控制器的功能分析
本文的汽車(chē)整車(chē)控制器是為國(guó)家863重大專(zhuān)項(xiàng)——“燃料電池城市客車(chē)”開(kāi)發(fā)研制的。燃料電池城市客車(chē)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)汽車(chē)的主要不同是動(dòng)力源由發(fā)動(dòng)機(jī)改為電動(dòng)機(jī)，同時(shí)由燃料電池和輔助電池組合提供電能。這樣車(chē)上的主要能量轉(zhuǎn)換方式就是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。
汽車(chē)的整車(chē)控制器是整個(gè)汽車(chē)的大腦，它接受到駕駛員的踏板信號(hào)和其它信號(hào)，然后作出相應(yīng)的判斷，控制下層各個(gè)部件作出動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)汽車(chē)正常行駛，并盡可能實(shí)現(xiàn)比較高的能量效率。所以說(shuō)整車(chē)控制器是整個(gè)汽車(chē)的核心控制部件，它的優(yōu)劣直接影響著汽車(chē)的可靠性和其它性能。


圖1  燃料電池城市客車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖


圖2  整車(chē)控制器功能框圖

在此，首先分析一下燃料電池城市客車(chē)整車(chē)控制器的功能需求。第一，整車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燃料電池、蓄電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器等部件組成，各個(gè)部件之間的信號(hào)通過(guò)CAN總線來(lái)傳遞，因而整車(chē)控制器必須具有CAN總線接口；第二，雖然采用CAN總線可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的布線復(fù)雜程度，但從實(shí)時(shí)性和安全性的角度出發(fā)，有一部分信號(hào)還要由整車(chē)控制器直接采集，包括制動(dòng)踏板、油門(mén)踏板以及其它一些數(shù)字量信號(hào)；第三，整車(chē)控制器還要提供一些對(duì)相應(yīng)部件進(jìn)行直接控制的信號(hào)通道，包括D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)字量輸出等等；第四，為保證駕駛員的安全操作和對(duì)汽車(chē)控制的可視化，采用了外接液晶顯示器以及觸摸屏的方式來(lái)顯示一些重要的信號(hào)量，因此選用了一個(gè)串行通信口(UART)。
C8051F020的主要功能和資源
基于以上的功能分析，我們最終選用了Cygnal單片機(jī)的特點(diǎn)，C8051F020型號(hào)的單片機(jī)作為整車(chē)控制器的核心器件CPU。其主要功能和資源包括：多達(dá)32路12位ADC(速度為100kHz)或高達(dá)500kHz的8位ADC；2路12位DAC和2路模擬比較器；內(nèi)部高精度基準(zhǔn)電源、可編程增益放大器和溫度傳感器；精確的VDD監(jiān)視器；4K片內(nèi)RAM、64K片內(nèi)FLASH以及64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；64位I/O口線，所有口線均可編程為弱上拉或推挽輸出；可同時(shí)使用的硬件SMBUS/I2C串行總線和SPI串行總線及兩個(gè)UART串口；16 位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列帶5 個(gè)捕獲/比較模塊；5個(gè)通用16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；專(zhuān)用的看門(mén)狗定時(shí)器和雙向復(fù)位等等；獨(dú)特的數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)陣列(Digital Crossbar)，可將內(nèi)部系統(tǒng)資源定向分配到P0，P1和P2；
其內(nèi)部資源的功能框圖從略。

整車(chē)控制器的功能框圖
通過(guò)比較整車(chē)控制器的功能需求和Cygnal單片機(jī)的特點(diǎn)可知，C8051F020芯片是一款非常適合用于汽車(chē)整車(chē)控制器的芯片。根據(jù)該單片機(jī)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了控制器的整體框架(如圖2)。
首先，在外部總線上擴(kuò)展了一片32K的RAM，設(shè)計(jì)采用61C256，這樣的RAM容量足夠滿足實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及所需控制參數(shù)和變量的需求。其次，我們選用獨(dú)立的CAN控制器芯片SJA1000擴(kuò)展了一個(gè)CAN接口，用于和各個(gè)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，由于C8051F020的很多片內(nèi)資源都是和數(shù)字I/O口復(fù)用的，所以需要利用片內(nèi)的數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)來(lái)選擇決定某個(gè)I/O口工作在何種方式；設(shè)計(jì)中選用了一片可編程邏輯芯片CPLD－EPM7128，利用它可以方便地配置芯片的各個(gè)I/O口和片內(nèi)資源，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些外擴(kuò)設(shè)備的譯碼以及邏輯電路的設(shè)計(jì)等，這樣不僅節(jié)省了大量的外部譯碼芯片，同時(shí)還增加了系統(tǒng)的靈活性。此外，設(shè)計(jì)中利用一個(gè)串口(UART)與液晶顯示器及觸摸屏相連，提供了良好的司機(jī)交互操作界面。最后考慮到芯片內(nèi)部已經(jīng)具有A/D、D/A等資源，我們只選用了其中的4路A/D用于模擬量采集和2路D/A用于輸出控制，同時(shí)設(shè)計(jì)了8路數(shù)字量輸入(DI)和4路數(shù)字量輸出(DO)。出于對(duì)系統(tǒng)的電磁兼容性和安全性方面的考慮，我們對(duì)相應(yīng)的信號(hào)都采取了濾波和光電隔離措施。
完成以上所有的硬件功能設(shè)計(jì)后，一般來(lái)說(shuō)，就應(yīng)該按照經(jīng)驗(yàn)用傳統(tǒng)的軟件方法來(lái)編寫(xiě)汽車(chē)整車(chē)控制器的軟件系統(tǒng)。然而，近年來(lái)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的普及為我們的軟件設(shè)計(jì)提供了一套新的解決思路。

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51
針對(duì)中小型控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，mC/OS-II是目前最流行的、源碼公開(kāi)、幾乎免費(fèi)的RTOS。mC/OS-II具有執(zhí)行效率高，占用空間小，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2k。通常來(lái)講，是一種比較好的選擇方案。但是，我們?cè)陧?xiàng)目初期的實(shí)踐中證明mC/OS-II在8 位MCS51單片機(jī)系統(tǒng)中的效果并不是非常理想。因此，我們選用了一個(gè)最適用于8051家族單片機(jī)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)RTX51。在Keil C51的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，選用RTX51還具備如下優(yōu)點(diǎn)：
?使用便捷，當(dāng)用戶在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境里打開(kāi)目標(biāo)選項(xiàng)對(duì)話框，選擇目標(biāo)操作系統(tǒng)以后，鏈接器便會(huì)自動(dòng)添加合適的RTX-51庫(kù)文件；
?完全支持C51具有的浮點(diǎn)操作功能、可重入功能和中斷功能；
?對(duì)于8051系列單片機(jī)具有友好的用戶界面來(lái)進(jìn)行RTX51的配置；
?使用靈活，僅需占用少量的系統(tǒng)資源，也能夠應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)中。
RTX51具有兩種不同的版本：RTX51 Full和RTX51 Tiny。
在燃料電池城市客車(chē)的整車(chē)控制器中，由于整個(gè)被控系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，同時(shí)考慮到將來(lái)可能的系統(tǒng)擴(kuò)展，我們采用了功能較強(qiáng)的RTX51 Full版本。
RTX51 Full可適用于大多數(shù)8051系列單片機(jī)，但是必須針對(duì)不同的單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的配置。由于Cygnal的C8051系列單片機(jī)是比較新型的MCS51單片機(jī)，所以RTX51并沒(méi)有為此系列單片機(jī)提供專(zhuān)門(mén)的配置。因此，我們首先找到了一個(gè)與C8051系列單片機(jī)比較接近的單片機(jī)Infienon C515單片機(jī)，然后比較這兩種單片機(jī)的異同，修改RTX51為Infienon C515專(zhuān)門(mén)提供的配置，即可得到我們所需的配置。修改的部分如下：
INT_EN_MASK_NUMBER    EQU  3
?RTX_IE  DATA  0A8H
?RTX_IEN1DATA  0E6H
?RTX_IEN2  DATA  0E7H
如上所述，RTX51與C51編譯器是完全集成在一個(gè)uVision的集成環(huán)境中，作為RTX51應(yīng)用程序只要求用戶將RTX51.H頭文件包含進(jìn)來(lái)，并且選擇編譯選項(xiàng)Target中的operating為RTX51 Full即可。

整車(chē)控制器的軟件設(shè)計(jì)思路
燃料電池城市客車(chē)明顯區(qū)別于傳統(tǒng)汽車(chē)的一個(gè)主要特點(diǎn)就是：傳統(tǒng)汽車(chē)由司機(jī)根據(jù)自己的意愿，操縱油門(mén)踏板和制動(dòng)踏板來(lái)直接控制汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)；而燃料電池城市客車(chē)的油門(mén)踏板并沒(méi)有和底層部件直接相連，而是通過(guò)將踏板信號(hào)采集進(jìn)入多能源動(dòng)力總成控制系統(tǒng)，再根據(jù)一定的控制策略，最終確定汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。
由此可見(jiàn)，對(duì)于燃料電池城市客車(chē)而言，對(duì)司機(jī)控制命令的信號(hào)采集和對(duì)司機(jī)意圖的解釋變得至關(guān)重要。因此，整車(chē)控制器的主要任務(wù)就是采集司機(jī)的各種控制信號(hào)(包括鑰匙位置、制動(dòng)踏板、油門(mén)踏板和檔位信息等等)，正確判斷司機(jī)的實(shí)際駕駛意圖，協(xié)調(diào)控制汽車(chē)各個(gè)部件的工作，對(duì)整車(chē)進(jìn)行有效的控制。 
根據(jù)整車(chē)控制器所需完成的功能，我們結(jié)合RTOS分解其各項(xiàng)功能并制定出相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)。目前，我們制定了以下幾個(gè)任務(wù)：
任務(wù)0 系統(tǒng)初始化及控制策略數(shù)值計(jì)算：
初始化單片機(jī)的相關(guān)配置，啟動(dòng)所有其它的任務(wù)。隨后進(jìn)行控制策略的數(shù)值計(jì)算。
任務(wù)1  發(fā)送CAN信息：
當(dāng)任務(wù)0完成了控制策略數(shù)值計(jì)算后，通過(guò)CAN總線發(fā)送相應(yīng)的控制命令。
任務(wù)2  模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D：
采集油門(mén)踏板和制動(dòng)踏板的信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)字濾波。這些信號(hào)將提供給任務(wù)0進(jìn)行控制策略的計(jì)算。
任務(wù)3  數(shù)字量的輸入和輸出：
讀入鑰匙位置、緊急開(kāi)關(guān)信號(hào)等數(shù)字量，輸出Ready等信號(hào)。這些信息將提供給任務(wù)0來(lái)判斷汽車(chē)應(yīng)該選擇的工作模式，同時(shí)在液晶屏幕上進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)顯示。
任務(wù)4  故障診斷：
判斷單片機(jī)系統(tǒng)工作是否正常，CAN通信是否正常，并且給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。
中斷1  接收CAN信息：
接收其它控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的CAN信息，并且按照CAN協(xié)議把接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。
上述各任務(wù)的程序流程圖從略。

結(jié)語(yǔ)
C8051F020這款單片機(jī)具有較快的運(yùn)行速度和豐富的內(nèi)部資源，非常適合用于汽車(chē)整車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)。我們?cè)诖罱ǔ銎溆布脚_(tái)的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、輸出控制、液晶顯示以及CAN總線通信等功能。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)施讓我們的軟件設(shè)計(jì)思路產(chǎn)生了很大的變化，使我們能夠更方便地進(jìn)行復(fù)雜軟件的設(shè)計(jì)?？梢赃@樣說(shuō)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的引入提高了軟件設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，同時(shí)提高了軟件設(shè)計(jì)的效率。