基于PIC18F258單片機(jī)和總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能剎車控制系統(tǒng)的應(yīng)用方案

為了避免誤把油門(mén)當(dāng)剎車的操作，減少惡性交通事故發(fā)生，設(shè)計(jì)了基于車載CAN總線的智能剎車系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PIC18F258單片機(jī)為核心，根據(jù)對(duì)油門(mén)踏板的上下限時(shí)間差，判斷出把油門(mén)當(dāng)剎車的誤操作，通過(guò)車載CAN總線以報(bào)文的形式發(fā)送給車載網(wǎng)絡(luò)上的相關(guān)控制單元，使汽車自動(dòng)剎車；并給出了系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)流程。

汽車安全是汽車工業(yè)和用戶追求的首要目標(biāo)之一。由于現(xiàn)在汽車上的剎車和油門(mén)都由右腳控制，一旦遇到突發(fā)事件，慌亂中“把油門(mén)誤當(dāng)剎車”是經(jīng)常發(fā)生的，駕駛員誤踩油門(mén)所引發(fā)的交通事故占重大交通事故中的12.6%［1］。為了防止誤踩油門(mén)事故的發(fā)生，汽車市場(chǎng)迫切需求一種用CAN總線將智能型剎車單元和制動(dòng)單元組合為一體的剎車系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了以PIC18F258單片機(jī)為核心的智能型剎車控制系統(tǒng)，使其與車載CAN網(wǎng)絡(luò)接軌，可以將智能剎車單元信息以報(bào)文形式發(fā)送給車載CAN總線上的其他控制單元，以實(shí)現(xiàn)其必要的功能。這樣，當(dāng)駕駛員誤踩油門(mén)時(shí)，通過(guò)制動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)功能，保證車輛安全；CAN總線上的儀表控制單元接收信息后，可將其誤踩油門(mén)顯示出來(lái)。本設(shè)計(jì)對(duì)教練車的剎車改進(jìn)有重大意義。

1 基于CAN總線的智能剎車系統(tǒng)框架

1.1 CAN總線

CAN總線是一種具有很高保密性的現(xiàn)場(chǎng)總線，是德國(guó)Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它具有以下特點(diǎn)：（1）總線以多主方式工作，系統(tǒng)柔性好，通信方式靈活，且不用占地址等單元信息；（2）CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的單元信息分不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，所有信息發(fā)送都固定格式發(fā)送；（3）采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓狀況；（4）只通過(guò)報(bào)文濾波就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式接收傳送數(shù)據(jù)；（5）通信速率與距離成反比，5 kb/s以下速率直接通信距離可達(dá)10 km，40 m內(nèi)通信最高速率可達(dá)1 Mb/s；（6）具有錯(cuò)誤檢測(cè)功能、錯(cuò)誤通知功能和錯(cuò)誤恢復(fù)功能；（7）CAN總線單元在出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤情況下會(huì)自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以便總線上其他單元的操作不受影響；（8）CAN總線單元數(shù)取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，在標(biāo)準(zhǔn)幀（11位報(bào)文標(biāo)識(shí)符）時(shí)，可達(dá)110個(gè)單元，而在擴(kuò)展幀（29位報(bào)文標(biāo)識(shí)符）時(shí)，單元數(shù)不受限［2-3］。

1.2 剎車智能系統(tǒng)的框架

由于CAN總線具有以上優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代汽車內(nèi)部的各控制單元是靠CAN總線進(jìn)行通信的，各控制單元發(fā)出的控制指令必須迅速、可靠、及時(shí)地得到響應(yīng)，否則，輕則可能導(dǎo)致車輛局部控制失靈，重則可能發(fā)生車毀人亡的重大事故。若整輛汽車的所有控制單元都連接在一個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，所有的控制單元都通過(guò)一條CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，那么就很容易出現(xiàn)總線上工點(diǎn)過(guò)多，通信速率下降，系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度下降，將導(dǎo)致關(guān)鍵控制部位的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度得不到保證。因此，在對(duì)汽車上各控制單元的實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析之后，根據(jù)各控制單元對(duì)實(shí)時(shí)性的不同要求，設(shè)計(jì)了高、低速兩個(gè)速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)。將實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格、可靠性要求高的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、智能剎車單元（本課題設(shè)計(jì)部分）、ABS控制單元以及自動(dòng)變速器控制單元等組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)；將實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的中控門(mén)鎖控制單元、電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)單元、電動(dòng)車窗控制單元、后視鏡控制單元、儀表控制單元和照明燈控制單元等組成低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)；并配置中央控制器（網(wǎng)關(guān)）將這兩個(gè)速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)全部單元之間的數(shù)據(jù)共享。高速CAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率達(dá)到500 kb/s，低速CAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率大約為10～125 kb/s［4］。汽車控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。其中，總線兩端應(yīng)接抑制反射的120 ？贅的終端匹配電阻，如果不接終端電阻，會(huì)使得數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信。在這個(gè)系統(tǒng)中，智能剎車控制單元一旦檢測(cè)到誤踩油門(mén)信號(hào)，就會(huì)向發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、ABS控制單元和自動(dòng)變速器控制單元發(fā)出信息，這些單元根據(jù)信息作出相應(yīng)動(dòng)作，使汽車自動(dòng)剎車。

2 智能剎車單元硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能剎車單元的整體設(shè)計(jì)

智能剎車單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示。本設(shè)計(jì)中智能剎車單元以PIC18F258單片機(jī)為控制核心，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到誤踩剎車信號(hào)時(shí)，通過(guò)CAN總線以報(bào)文的形式發(fā)送到儀表單元并顯示，也可發(fā)送到音響單元進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，發(fā)送到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、ABS制動(dòng)單元及自動(dòng)變速箱控制單元自動(dòng)剎車。

PIC18F258單片機(jī)有著先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集構(gòu)架、增強(qiáng)型內(nèi)核，32級(jí)堆棧和多種內(nèi)部及外部中斷源，內(nèi)部帶有CAN總線控制器，并采用了程序和數(shù)據(jù)空間完全分開(kāi)的“哈佛”結(jié)構(gòu)。這種單片機(jī)結(jié)構(gòu)大大降低了總體成本，同時(shí)提高了運(yùn)行效率和可靠性［5］。

CTM8251是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器模塊，該模塊內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，這些都被集成在不到3 cm2的模塊上。該模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并具有DC 2 500 V的隔離功能。取代了CAN總線收發(fā)器及外圍電路，降低了成本和電路復(fù)雜程度，提高了電路可靠性。

2.2 智能剎車單元電路設(shè)計(jì)

智能剎車單元電路主要用于檢測(cè)踩剎車和誤踩油門(mén)兩種不同速率的操作。根據(jù)對(duì)不同車型踩油門(mén)踏板和踩剎車踏板動(dòng)作時(shí)間的調(diào)查（如表1所示），大多數(shù)車從起步加速到100 km/h，從油門(mén)踏板上限到油門(mén)踏板下限時(shí)間約1 s，一般也很少1 s內(nèi)踩到底，而踩剎車踏板時(shí)間約在0.15 s以下，兩者存在著不是一個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間差別。根據(jù)這一特點(diǎn)，單片機(jī)可以判別出是誤踩油門(mén)還是緊急剎車。

剎車檢測(cè)電路如圖3所示，該電路由油門(mén)踏板上限檢測(cè)電路和油門(mén)踏板下限檢測(cè)電路組成。其工作原理為：檢測(cè)到踏板速度的上限位時(shí)，光敏二極管SPD1沒(méi)有接收光二極管D1的光，比較器LM339輸出一個(gè)低電平給單片機(jī)PIC18F258的21（INT0）腳，單片機(jī)計(jì)時(shí)開(kāi)始；檢測(cè)到踏板速度的下限位時(shí)，光敏二極管SPD2沒(méi)有接收光二極管D2的光，比較器LM339輸出一個(gè)低電平給單片機(jī)PIC18F258的22（INT1）腳，單片機(jī)計(jì)時(shí)停止，并且將該段測(cè)得時(shí)間與設(shè)定的限定時(shí)間進(jìn)行比較，以此確定此時(shí)的油門(mén)踏板速度是否過(guò)快。若踏板速度過(guò)快，則啟動(dòng)剎車系統(tǒng)；否則，不干預(yù)此次操作。

3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。先對(duì)單片機(jī)及CAN接口初始化，當(dāng)油門(mén)位置處上限時(shí)，INT0輸入，開(kāi)始計(jì)時(shí)，到油門(mén)位置處下限時(shí)，INT1輸入，停止計(jì)時(shí)。算出上下時(shí)間差，當(dāng)時(shí)間差小于限定值時(shí)，發(fā)送剎車報(bào)文給CAN總線上相應(yīng)單元，其他單元作出剎車動(dòng)作。CAN總線上通信的軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN單元初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收三部分。CAN接口的初始化程序設(shè)計(jì)是非常重要，如果設(shè)計(jì)得不好，系統(tǒng)將不能正常工作。PIC18F258單片機(jī)的CAN接口初始化首先要在配置模式下將控制寄存器、狀態(tài)寄存器、波特率寄存器、I/O控制寄存器、接收掩碼寄存器和幾個(gè)濾波寄存器按照系統(tǒng)要求設(shè)置好，以保證CAN總線的暢通。

本文應(yīng)用PIC18F258單片機(jī)設(shè)計(jì)了基于車載CAN總線的智能剎車系統(tǒng)，使其成為車載CAN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)電氣單元。設(shè)計(jì)出了智能剎車系統(tǒng)的硬件電路、CAN總線接口電路及軟件設(shè)計(jì)。智能剎車單元主控芯片PIC18F258通過(guò)CAN總線能夠向其他單元發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)，其他控制器經(jīng)過(guò)判別而實(shí)現(xiàn)相關(guān)的報(bào)警、顯示及自動(dòng)剎車等功能。該系統(tǒng)能夠?qū)φ`踩油門(mén)進(jìn)行有效控制，這對(duì)減少和避免交通事故，保障行車安全具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

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