基于C167CR微處理器實(shí)現(xiàn)汽車TCS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著單片機(jī)的不斷發(fā)展，在汽車電子中也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在發(fā)動(dòng)機(jī)電控和汽車制動(dòng)等許多系統(tǒng)中都采用了ECU。我們開發(fā)的汽車驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)（Traction Control System，TCS）的電子控制單元采用的是Infineon C167 16位單片機(jī)作為控制核心。

TCS原理

汽車驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)，又稱為加速滑動(dòng)調(diào)節(jié) （ASR）是在制動(dòng)防抱系統(tǒng)（ABS），上延伸出來(lái)的。與ABS一樣，TCS的目的也是為了使汽車獲得最大的縱向和橫向附著力，所不同的是，ABS是在制動(dòng)過(guò)程中控制，而TCS是在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中控制。車胎與路面的附著系數(shù)和車輪滑移率的關(guān)系如圖1所示。

由圖可以看出當(dāng)車輪滑移率在15～30%的時(shí)候，輪胎與地面的附著系數(shù)最大。TCS就是在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中將驅(qū)動(dòng)輪的滑移率控制在10~15%的范圍內(nèi)，從而保證了車輛在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的方向穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向操縱能力，也在一定程度上改善了加速性能。

它的控制原理主要是根據(jù)輪速信號(hào)傳感器傳來(lái)的輪速信號(hào)，以非驅(qū)動(dòng)輪輪速度作為汽車速度。然后根據(jù)下式算出驅(qū)動(dòng)輪的滑移率

其中Vd代表驅(qū)動(dòng)輪輪速，Vt代表非驅(qū)動(dòng)輪輪速。TCS的作用就是把滑移率控制在峰值附著系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑移率下。調(diào)節(jié)作用于驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、變速器傳動(dòng)比、差速器鎖緊系數(shù)等方面實(shí)現(xiàn)，目前使用較多的方法是調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，其中又可以通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度、點(diǎn)火提前角、燃油噴射量及中斷燃油噴射和點(diǎn)火來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了使驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速迅速降低，通常TCS還對(duì)驅(qū)動(dòng)輪施加一定的制動(dòng)力。我們?cè)囼?yàn)所用的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)，就是針對(duì)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度和驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)力相結(jié)合的控制方法進(jìn)行硬件在環(huán)仿真。

Infineon C167

16位單片機(jī)

C167單片機(jī)是Infineon（億恒）科技公司80C166系列中的一款高性能的微處理器。CPU時(shí)鐘頻率最高可達(dá)25MHz，片內(nèi)ROM 128K/256K，片內(nèi)RAM 11K，尋址能力16M。采用4級(jí)流水線，有56個(gè)中斷（16個(gè)優(yōu)先級(jí)），外設(shè)事件控制器PEC，32通道比較/捕捉單元，兩個(gè)通用定時(shí)器單元，以及4通道的PMW。16個(gè)10位的A/D轉(zhuǎn)換口。C167的I/O接口多達(dá)111個(gè)。它的串行I/O接口有同步/異步接口UART，高速同步接口SSC。可編程外部總線可對(duì)不同地址范圍進(jìn)行不同的設(shè)置。

C167單片機(jī)的集成度高，功能多，性能強(qiáng)。C167單片機(jī)的品種也比較多，比如C167S、C167CR、C167CS等，這些單片機(jī)的I/O基本功能是相同的，都是111根引腳，只是片內(nèi)RAM以及ROM大小有所不同。

本文采用的單片機(jī)型號(hào)是C167CR。

TCS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)

本文的TCS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)是在原有的ABS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)上，增加發(fā)動(dòng)機(jī)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型，在硬件試驗(yàn)臺(tái)上增加副節(jié)氣門開度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)，并將ABS的電子控制單元換成了TCS電子控制單元。

系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

TCS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

現(xiàn)將系統(tǒng)中各部分功能介紹如下：

·計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：對(duì)車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、輪胎、制動(dòng)器等模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算，發(fā)出輪速信號(hào)。

·I/O接口：采用高速多功能數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行 A/D、D/A、DI、DO 等操作。

·電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路：V/F電路的主要功能是接收計(jì)算機(jī)的汽車車輪速度值，并產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)以模擬實(shí)際的車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)。

·電子控制單元：ECU是TCS控制的核心部件，是仿真的主要對(duì)象，判斷能否有效的實(shí)現(xiàn)防滑控制。

·壓力傳感器、節(jié)氣門位置傳感器：是反饋元件，將制動(dòng)器的壓力響應(yīng)情況反饋給計(jì)算機(jī)，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的模擬運(yùn)算提供參數(shù)。

·制動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)：是仿真系統(tǒng)的執(zhí)行元件，將對(duì)TCS控制器的指令做出相應(yīng)的響應(yīng)。

·TCS隔斷電磁閥：在TCS工作時(shí)將主缸至制動(dòng)輪缸的管路隔斷。

TCS的ECU電路

TCS的ECU電路包括輪速輸入處理電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、電磁閥檢測(cè)電路、電源電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路等幾個(gè)部分。各部分電路連接的框架如圖3所示。

其中，輪速輸入處理電路（SPEED）將四路輪速傳感器的輸入信號(hào)SPD經(jīng)過(guò)整形和濾波，轉(zhuǎn)換為較好的方波信號(hào)SPEED。這4路處理后的信號(hào)傳送至C167單片機(jī)的P2.0-P2.3引腳，只要在4根引腳上產(chǎn)生1個(gè)脈沖信號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生1次中斷，可以用于計(jì)算輪速。

電源電路（POWER）可將12V電壓降到5V，給單片機(jī)供電。

電磁閥驅(qū)動(dòng)電路（MOD）接收來(lái)自單片機(jī)P2.8~P2.13引腳的控制信號(hào)并將信號(hào)引至接頭，控制電磁閥動(dòng)作。

繼電器驅(qū)動(dòng)電路（Relay）控制了泵油電機(jī)繼電器，電磁閥繼電器和步進(jìn)電機(jī)繼電器。

此外，還需將副節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)通過(guò)A/D輸入引腳P5.6傳送給單片機(jī)。

TCS的ECU軟件開發(fā)

C167中的算法是用Keil C166編寫的。軟件采用Hitex公司AX166 BONDOUT仿真器進(jìn)行調(diào)試，并且利用了Infineon公司的DAVE2.0軟件進(jìn)行輔助開發(fā)。DAVE是專門為InfineonC500系列和C166系列的開發(fā)而設(shè)計(jì)的輔助工具，能夠方便快捷地對(duì)單片機(jī)的各個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置，并能生成TASKING C或者KEIL C源程序。

所編寫的控制軟件要求能夠?qū)斎腚娐奉A(yù)處理的輪速信號(hào)進(jìn)行采樣、計(jì)算和分析，并能及時(shí)的發(fā)出相應(yīng)的控制指令。軟件流程結(jié)構(gòu)如圖4。

結(jié)語(yǔ)

TCS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)能夠較好地仿真汽車的TCS系統(tǒng)，比較準(zhǔn)確地反映出TCS的工作狀況，利用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，可以方便地修改TCS的算法邏輯以及主要控制參數(shù)，通過(guò)仿真對(duì)比以確定最佳的TCS控制方案和參數(shù)，這樣就加快了我們對(duì)TCS的研究和開發(fā)的進(jìn)程，達(dá)到事半功倍的作用。

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