基于Motorola HSC12系列16位MCU實現(xiàn)汽車ABS/ASR集成系統(tǒng)的設計

作者：崔海峰 ， 齊志權 ， 王仁廣

汽車驅動防滑系統(tǒng)（Anti-slip Regulation System，簡稱ASR）是在汽車制動防抱死系統(tǒng)（Antilock Braking System，簡稱ABS）的基礎上發(fā)展起來的。在裝備了ABS的汽車上添加發(fā)動機輸出力矩的調節(jié)功能和驅動輪制動壓力的調節(jié)功能后，ABS所用的車輪轉速傳感器和壓力調節(jié)器可全部為ASR所利用。ASR和ABS在算法上很相似，許多程序模塊可以通用，因而在實際應用中可以把兩者集成在一個控制器中，組成ABS/ASR集成系統(tǒng)。

1 轎車ABS/ASR集成控制系統(tǒng)簡介

通過對捷達GTX試驗樣車的液壓制動系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)了可以獨立調節(jié)四個輪缸壓力的ABS/ASR集成系統(tǒng)液壓執(zhí)行機構。在此基礎上，開發(fā)了一種轎車ABS/ASR集成控制系統(tǒng)，主要包括控制系統(tǒng)ECU、傳感器、執(zhí)行機構三個部分。圖1為轎車ABS/ASR集成控制系統(tǒng)示意圖。

圖1 ABS/ASR集成控制系統(tǒng)框圖

當汽車正常行駛時，ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的ECU實時采集和處理傳感器信號，并根據(jù)其所提供的信息，選用不同的控制方式對汽車進行控制?？刂频姆绞桨ㄕ{節(jié)車輪輪缸壓力的制動力矩控制模式和調節(jié)發(fā)動機輸出力矩的節(jié)氣門開度控制模式。ABS和ASR子系統(tǒng)功能的實現(xiàn)就是對以上兩種控制方式適當組合和合理控制的結果。

2 ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的ECU

2.1 MCU的選取

MCU是ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的核心，它負責數(shù)據(jù)的采集和處理、所有的邏輯運算以及最終控制的實現(xiàn)?？紤]到集成控制系統(tǒng)對其運算能力、存儲空間、I/O接口的要求以及后續(xù)集成其它系統(tǒng)的目的，選擇了功能強大的Motorola新一代HSC12系列16位MCU——MC9S12DP256。

它具有很強的運算能力、豐富的I/O接口和充裕的存儲空間。采用STAR12 CPU，核心運算能力可以達到50MHz，總線速度可以達到25MHz，采用優(yōu)化的指令集，指令的運算速度得到了很大的提高。通過片內的PLL功能可以方便地選擇MCU的核心頻率而不管外部晶振頻率為多少。片內集成了256K FLASH、12K RAM和4K EEPROM，完全可以滿足程序對存儲空間的要求。它有豐富的I/O接口，包括兩個異步串行通訊接口（SCI），三個同步串行通訊接口（SPI），八通道輸入捕捉/輸出比較（IC/OC），十六個10位A/D接口，八路8位PWM，二十九路獨立的數(shù)字I/O接口，二十路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O接口，五路CAN總線接口，一個IIC總線接口，一個BDLC（J1850）接口。

該MCU有四路輸入捕捉（帶有保持緩沖器），利用獨立的ECT捕捉時鐘可以自行完成兩個脈沖間的周期計算，非常適合進行四個車輪的輪速采集，大大提高了MCU的工作效率。

2.2 ECU硬件電路設計

MCU的外圍電路采用模塊化設計思想，即把電控單元劃分成不同的模塊，將比較成熟固定的模塊組成一塊單獨的電路板，研究過程中變化較大的模塊組成另一塊單獨的電路板，板與板之間通過I/O擴展插槽進行通信。這種設計方法有利于試驗過程中對系統(tǒng)的維護和擴展，例如需要更改電路或者對系統(tǒng)進行擴展時，無需重新設計整塊電路，只需在相應模塊上改變或添加即可;模塊化設計也具有更好的電氣特性，例如，驅動模塊是比較大的干擾源，對A/D轉換和MCU的工作影響很大，可放在不同的電路板上，對信號線采取隔離措施即可。

根據(jù)ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的特點，將整個電控單元分為了A板和B板，兩塊電路板之間通過I/O總線擴展插槽連接。

A板主要包括主控芯片MC9S12DP256及其最小系統(tǒng)外圍電路、通訊接口電路和數(shù)據(jù)采集電路，如圖2所示。

圖2 A板電路結構示意圖

MC9S12DP256最小系統(tǒng)外圍電路包括電源模塊、外圍復位電路、時鐘晶振電路、工作模式選擇等。

通訊接口電路包括BDM接口。兩路SCI串口通訊接口電路，其中一路通過硬件跳線選擇連接故障診斷驅動芯片MC33199，利用PCA82C250驅動芯片引出兩路CAN通訊節(jié)點，預留給集成控制系統(tǒng)擴展使用。

A板還包括ECU中的數(shù)字量、模擬量和開關量采集處理電路，主要包括四個輪速信號、節(jié)氣門開度信號、加速踏板開度信號、高壓蓄能器壓力傳感器信號、制動踏板開關信號等。

B板主要包括執(zhí)行機構驅動電路和開關量信號處理電路，如圖3所示。

圖3 B板電路結構示意圖

系統(tǒng)驅動的執(zhí)行機構主要包括ABS壓力調節(jié)器的四個常開進油閥、四個常閉出油電磁閥、四個ASR電磁閥和一個ABS電機。

ABS和ASR子系統(tǒng)的使能信號及工作指示燈部分的相關電路也放在該電路板上。

2.3 ECU控制軟件設計

ABS/ASR集成控制系統(tǒng)中ABS和ASR子系統(tǒng)本身都是復雜的控制系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)的集成并不是把ABS和ASR控制系統(tǒng)簡單地疊加，而是要把它們有機地融合，同時還要考慮到軟件運行的實時性、可靠性等問題。

集成控制系統(tǒng)的控制軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、啟動自檢模塊、主控制模塊、制動踏板中斷服務程序模塊等幾大部分組成，總體框圖如圖4所示。

圖4 ABS/ASR集成控制系統(tǒng)軟件框圖

系統(tǒng)初始化模塊在系統(tǒng)上電復位時對系統(tǒng)進行初始化。初始化內容包括MCU內部的時鐘、各端口設置、串行通訊接口、模擬和數(shù)字通道、看門狗定時器、系統(tǒng)變量等，以保證MCU正常運行。另外還包括對集成系統(tǒng)的執(zhí)行機構進行復位，確保車輛的安全行駛。

啟動自檢模塊是在系統(tǒng)初始化后對關鍵軟、硬件部分進行靜態(tài)檢測，以判斷系統(tǒng)的軟、硬件工作是否正常。如果發(fā)現(xiàn)集成控制系統(tǒng)中存在故障，故障警示燈會持續(xù)點亮。

主控制模塊為ABS/ASR集成控制系統(tǒng)的控制主程序，見圖4中陰影虛線框。主控制模塊通過實時中斷RTI做固定周期20ms的循環(huán)，連續(xù)調用故障診斷模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、參考車速計算模塊、路面識別模塊和車輛運動狀態(tài)識別模塊，實時進行車輛運動狀態(tài)和外界環(huán)境的判斷。然后依據(jù)車輛當前的運行狀態(tài)，由控制執(zhí)行模塊分別進行ABS或ASR的邏輯門限值控制。

考慮到駕駛員制動動作與ASR制動干預控制的緊急切換需要，設計了制動踏板中斷服務程序。當采集到制動踏板觸發(fā)的中斷時，進入制動踏板中斷服務程序，如果集成控制系統(tǒng)處于ASR工作方式，立即退出當前控制，對執(zhí)行機構模塊進行復位，恢復常規(guī)制動方式，不干預駕駛員的制動動作，保證了車輛行駛的安全性。

3 試驗結果與分析

利用所開發(fā)的采集系統(tǒng)和本文所設計的ABS/ASR集成控制系統(tǒng)，在捷達GTX試驗車上進行了典型工況ABS和ASR試驗，驗證其控制效果。

ABS試驗選擇在干柏油路面、制動初速度為50km/h的條件下進行，圖5為帶有ABS控制的直線制動過程。圖中顯示了車輛左前輪速度變化的過程，在整個制動過程中與車速都能夠比較好地逼近，車輪的滑移率也被控制在比較理想的區(qū)域內，保證了車輛制動過程中方向的穩(wěn)定性。

圖5 帶有ABS控制，干路面，初速50km/h條件下的直線制動

圖6 ASR對開路面上左右兩側驅動輪輪速比較

圖7 ASR對開路面上左右兩側驅動輪滑轉率比較

ASR試驗選擇一擋對開路面起步過程，右側車輪位于低附著系數(shù)路面上。圖6為起步過程中左右兩側驅動輪轉速對比，其中曲線1為右側驅動輪車速，曲線3為左側驅動輪車速，曲線2為非驅動輪車速，可近似認為是車身速度?？梢钥吹狡鸩匠跗冢覀闰寗虞啺l(fā)生明顯的滑轉，在33.5秒附近ASR開始調節(jié)，車輪的滑轉明顯改善。圖7為起步過程中左右兩側驅動輪滑轉率的變化曲線，更明顯地反映出進行ASR控制后，右側滑轉驅動輪的滑轉率被控制在較為理想的范圍內。同時，由于制動干預的影響，左側驅動輪的滑轉率略有上升。

通過實車試驗，說明ABS/ASR集成控制系統(tǒng)中的ABS和ASR功能都取得了比較理想的控制效果，為其它底盤主動安全控制系統(tǒng)的集成創(chuàng)造了條件。

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