一種汽車ABS控制器開發(fā)裝置的研究與設(shè)計

　　1 引言

　　汽車防抱制動系統(tǒng)（Anti-lock Braking System，ABS）可以有效防止車輛在制動過程中出現(xiàn)車輪抱死的狀況，從而避免因車輪抱死而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向失靈和甩尾等危險，保證車輛的安全制動。其中，控制器（即電控單元，ECU）是整個ABS的控制核心，也是ABS開發(fā)過程中的主要關(guān)鍵。傳統(tǒng)的ABS開發(fā)過程需要大量的整車道路試驗來驗證ABS的控制軟件功能，受人力和物理的限制，使得ABS的開發(fā)周期相當長。

　　本文基于英飛凌公司的XC164CS和ADI公司的AD5336芯片設(shè)計出了一種簡便的ABS控制器開發(fā)裝置，不需整車甚至不需制動器的參與就能夠測試ABS控制軟件的大部分功能，對ABS的開發(fā)提供了極大的便利。

　　2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　如圖1所示，所設(shè)計的ABS控制器開發(fā)裝置主要包括三部分：一是驅(qū)動/制動模擬控制器，主要用于模擬車輪的驅(qū)動和制動，二是硬件設(shè)備部分，包括四個代表車輪的齒圈和分別驅(qū)動四個齒圈的四個電機，四個轉(zhuǎn)速傳感器，用于進行各種控制的控制面板，以及用于表示各個電磁閥、ABS電機和警告燈的狀態(tài)的LED指示燈；三是運行于上位機PC上的GUI界面軟件，主要用于各種參數(shù)設(shè)定，以及采集和監(jiān)控ABS控制器實時運行時的各種狀態(tài)，包括原始輪速、參考車速、各個電磁閥狀態(tài)等。

　　3 驅(qū)動/制動模擬控制器設(shè)計

　　本設(shè)計的ABS控制器開發(fā)裝置的主要核心是驅(qū)動/制動模擬控制器的設(shè)計，必須要實現(xiàn)的功能包括：

　?。?）能夠按照設(shè)定令齒圈穩(wěn)定運轉(zhuǎn)于某一轉(zhuǎn)速下；

　　（2）能夠以不同的加速度和減速度對齒圈實施快速調(diào)速，以模擬車輛在不同路面和不同工況下制動時的輪速變化，調(diào)速的精度要求較高；

　?。?）能與目標開發(fā)的ABS控制器以及上位機的GUI軟件進行實時通訊。

　　根據(jù)功能要求，所設(shè)計的驅(qū)動/制動模擬控制器的電路框圖如圖2所示。

　　其中的主控芯片選用的是英飛凌公司的16位單片機XC164CS，其主要優(yōu)點如下：

　?。?）運算速度快，單時鐘周期指令執(zhí)行速度，其允許的最大時鐘頻率為40M赫茲；

　?。?）存儲器容量大，片內(nèi)有用于存放代碼的128KB可擦寫Flash和用于存放數(shù)據(jù)變量的2KB雙口RAM+2KB數(shù)據(jù)的SRAM；

　?。?）內(nèi)部資源豐富。具有16×8種優(yōu)先級、高達80個中斷源的中斷系統(tǒng)，2組共5個16位定時器/計數(shù)器單元，14個10位精度的A/D轉(zhuǎn)換通道，2組共32個捕捉/比較通道，2個異步/同步串行接口（ASC），2個高速同步串行接口（SSC），2個CAN接口以及高達79個普通I/O口線；

　?。?）程序下載和調(diào)試方便，具有片內(nèi)自舉引導(dǎo)程序，可通過串口下載程序，帶有片上調(diào)試接口（OCDS），可通過Keil-C166等編譯器對程序進行單步和斷點調(diào)試。

　　XC164CS的這些優(yōu)點完全能滿足本設(shè)計高速實時控制的要求。

　　由于XC164CS需要兩種內(nèi)核電壓5V和2.5V才能正常工作，因此采用了能夠產(chǎn)生這兩種電壓的TLE7469GV52作為電源管理芯片可簡化電路的設(shè)計，TLE7469GV52是英飛凌公司的LDO電源芯片，它具有低電壓報警、過熱和過載保護以及看門狗等功能，為本設(shè)計提供了非常優(yōu)秀的電源管理方案。

　　對于電機控制，本設(shè)計使用了電壓調(diào)速的直流電機，采用了ADI公司的AD5336作為D/A輸出芯片，用于驅(qū)動電機，圖3是AD5336的功能框圖，該芯片的特點是片內(nèi)具有四個單獨控制的10位精度D/A輸出通道，低功耗，采用并行接口，D/A轉(zhuǎn)換更新時間僅需6μs，完全可以滿足本設(shè)計中對電機進行高精度和快速調(diào)速的要求，另外片內(nèi)每個D/A通道帶有軌-軌輸出緩沖型放大器，帶負載能力強，因此不需任何外圍電路即可直接驅(qū)動電壓調(diào)速的直流電機，采用這種方式可大大簡化電機驅(qū)動電路，也簡化了電機控制程序的設(shè)計。

　　在本設(shè)計中采用了無源磁電式的輪速傳感器，其輸出為正弦信號，在輪速處理模塊中采用了LM139作為電壓比較芯片，實現(xiàn)正弦信號向方波信號的轉(zhuǎn)換，利用 XC164CS的CC2模塊對輪速脈沖的捕捉，實時監(jiān)測四個齒圈的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對齒圈電機的轉(zhuǎn)速反饋控制，從而保證對齒圈轉(zhuǎn)速控制的準確度。CAN接口的設(shè)計是為了滿足本設(shè)計中驅(qū)動/制動模擬控制器、目標開發(fā)的ABS控制器和上位機GUI軟件三方的相互通訊。OCDS接口和ASC接口則是為了程序下載和調(diào)試方便而設(shè)計的。

　　4 軟件設(shè)計

　　本開發(fā)裝置的核心原理是用驅(qū)動/制動模擬控制器來模擬制動器，將目標開發(fā)的ABS控制器對制動器的干預(yù)，即通過控制各個電磁閥實現(xiàn)加壓、減壓、保壓等動作，轉(zhuǎn)化為對驅(qū)動/制動模擬控制器發(fā)送相應(yīng)的控制信息。驅(qū)動/制動模擬控制器根據(jù)ABS控制器發(fā)來的控制信息，模擬制動器的加壓、減壓、保壓等動作來對齒圈電機進行調(diào)速、ABS控制器通過齒圈的轉(zhuǎn)速傳感器來獲得輪速信號，進而繼續(xù)ABS制動控制，從而達到檢測ABS制動器控制軟件的目的。

　　另外，在軟件設(shè)計中還考慮到了不同路面的影響，即在不同附著系數(shù)的路面上制動時，驅(qū)動/制動模擬控制器通過模擬制動器的動作而反映到齒圈電機轉(zhuǎn)速上的變化也不同，在本設(shè)計中驅(qū)動/制動模擬控制器能夠模擬出高附著路面、低附著路面、附著系數(shù)突變路面（即對開路面）和附著系數(shù)分離路面（即對接路面）四種路面上的制動情況。

　　根據(jù)上述的軟件設(shè)計，下面簡單說明本開發(fā)裝置的工作過程和對ABS控制器的驗證。

　?。?）將目標開發(fā)的ABS控制器接入系統(tǒng)并上電，驅(qū)動/制動模擬控制器便實時對CAN總線上的數(shù)據(jù)包進行分析處理，當接收到GUI軟件的速度設(shè)定和調(diào)整命令，驅(qū)動/制動模擬控制器則根據(jù)相應(yīng)設(shè)定令齒圈電機穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，ABS控制器此時應(yīng)實時計算出輪速、輪加減速度等多種參量，并發(fā)送到CAN 總線上。GUI界面將這些信息以作圖等方式打印到屏幕上，從而可以實時觀測到ABS控制器的各種計算是否準確。

　　（2）通過GUI界面選擇一種路面并發(fā)出制動命令，驅(qū)動/制動模擬控制器首先是模擬常規(guī)制動，以某一固定減速度對齒圈電機進行制動，此時，ABS控制器應(yīng)通過檢測齒圈轉(zhuǎn)速傳感器信號而判斷需要進入ABS制動干預(yù)，從而向CAN總線上發(fā)送相應(yīng)的控制信息，驅(qū)動/制動電機根據(jù)這些控制信息模擬制動器的動作而對齒圈電機進行調(diào)速，通過對齒圈的轉(zhuǎn)速變化和LED指示燈的觀察，以及觀測GUI界面上獲取得到的ABS控制器的各種計算結(jié)果，包括輪速曲線、電磁閥狀態(tài)等，可以驗證ABS控制器的控制流程是否正確。

　　5 結(jié)語

　　本文基于高性能的16位單片機XC164CS和高精度的D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5336，成功設(shè)計并開發(fā)出了能夠模擬車輛制動時的輪速變化的驅(qū)動/制動模擬控制器，利用電機驅(qū)動齒圈的方式模擬車輪運轉(zhuǎn)，利用簡單的LED指示燈表示各種電磁閥狀態(tài)和ABS電機狀態(tài)，能夠驗證目標開發(fā)的ABS控制器的大部分控制功能，對于新開發(fā)的ABS控制器，只需對其控制軟件進行適應(yīng)于本開發(fā)裝置操作的適量修改，而無需整車或制動器的參與，也無需進行大量的道路實驗，從而大大降低了ABS開發(fā)成本，也極大的縮短了ABS開發(fā)周期。