基于飛思卡爾HCS08的汽車ECAS設計

基于飛思卡爾HCS08的汽車ECAS設計

摘要：設計了一種以飛思卡爾MC9S08GB60 單片機為控制核心的汽車電控空氣懸架系
統(tǒng)。著重闡述了其硬件電路系統(tǒng)和具體電路設計，并對軟件設計要點進行了介紹。通過在實
驗室進行臺架測試，驗證了本系統(tǒng)相對于被動懸架系統(tǒng)有效的改善了懸架動行程，車輪動載
荷及車身垂直加速度三項重要指標，在實現車身高度調節(jié)控制的同時改善了車輛乘坐的舒適
型。且電路結構簡單，穩(wěn)定性好，有實用應用的價值。
關鍵詞：MC9S08GB60 電子控制單元空氣懸架

Design of the Vehicle’s Electronically controlled air suspension system Based on Freescale HCS08 QuanLi 1 XiePing1 BaiLu2 (1.Jiang Su University, Institute of Electric Engineering, JIANG SU ZHEN JIANG 212013
2. HEBI technical school HENAN HEBI 458000)
Abstract：The Vehicle’s electronically controlled air suspension system were designed, which
use a microcontroller Freescale MC9S08GB60.Emphasizes the circuit of the hardware system,meanwhile, introduces the key point on the software design. The bench test in laboratory certified that the ECAS relative passivity-suspension , it improved three impotent index arm effectively,which are suspension’s moving distance, acceleration in vertical and the cartwheel moving loading.it improve the vehicle’s ride comfortable when controlling the ride height. The system is simple structure , stability and practical.
Keywords：MC9S08GB60 ECU Air Suspension
0 引言
空氣懸架主要有被動懸架和可控電子懸架。被動懸架一定程度上抑制和降低了車體和車
輪的動載和振動，保證了車輛行駛安全性和乘坐舒適型。但由于被動懸架的剛度和阻尼系數
一般按經驗選取，只在特定環(huán)境下是最優(yōu)，而一旦載荷，路況，速度等因素發(fā)生變化，被動
懸架不能隨之而自動調節(jié)，更不能手動調節(jié)。為了克服這一缺陷，電子空氣懸架系統(tǒng)(ECAS)
由此產生。ECAS 是目前最先進的汽車懸架系統(tǒng)，它可以隨著路況，載荷，速度等變化因子
自動調節(jié)懸架剛度，車身高度，減少了空氣消耗，且具有反應迅速，安裝容易，操作簡單等
優(yōu)點，因此可控電子懸架已經成為汽車電子領域研究的一個熱門課題，其有著廣闊的發(fā)展前
景。
1 ECAS 的組成及原理
電控空氣懸架系統(tǒng)由電子控制單元(ECU)，高度傳感器、空氣彈簧、速度傳感器、減震
器，車高升降控制鍵盤等組成。ECU 通過高度傳感器實時檢測車身高度，間接獲得車身垂直
加速度，同時通過速度傳感器檢測車輛行駛速度。ECU 內保存若干指標高度和三級可調阻尼
值，指標高度與彈簧的舒適性、駕駛安全性和與應用規(guī)范保持一致。車速在不同的行駛條件
下由ECU 自動執(zhí)行相應的指標高度，也可由駕駛員手動控制高度和阻尼值。通過比較高度傳
感器檢測結果和指標高度，若高度差超過了一定的公差范圍，電磁閥就會被激發(fā)，通過充放氣將實際高度調整到指標高度。減震器阻尼力共三檔，根據車身上升速度、加速度控制減震
器，執(zhí)行相應的阻尼力，從而滿足汽車行駛平順性和乘坐舒適型的要求。電控空氣懸架組成
結構如圖一。

Fig 1 Electronically controlled air suspension structure
2 ECAS 系統(tǒng)各功能模塊的設計
ECAS 主要由6 大功能模塊組成，分別是中央處理單元，信號輸入模塊(即傳感器信號)，
信號輸出模塊(即控制量的輸出)，操作界面模塊，電源模塊，其他模塊(外接存儲器，RS485
通信，系統(tǒng)的升級擴展端口)。
2.1 MC9S08GB60
單片機是ECU 的核心部件, 它要經常處理大量的輸入和輸出信號, 而且要實現高精度
和實時控制。本設計采用了美國飛思卡爾公司的加強型8 位車用微控制器——MC9S08GB60
單片機。該單片機內有64K flash 和4K 的E2PROM，高度集成了四個串行通信端口
(SCI1,SCI2,SPI,I2C) ,最多達8 個定時器(PWM),8 通道的10 位A/D 轉換模塊。
2.2 信號傳感輸入模塊
該模塊主要由3 個高度傳感器和1 個速度傳感器構成。車身高度傳感器等效電感串聯
電阻。等效電感0°轉角時對應約20mH，-45°轉角時對應約8mH，+45°轉角時對應約35mH。
等效電阻120Ω。為此設計了LC 三點式振蕩電路來檢測車身高度傳感器傳來的信號，即設
計一個正弦波發(fā)生器，由TL082 元件及外圍電路構成，正弦波的頻率隨高度傳感器等效電感
的變化而不斷變化，而后經比較器出來一個頻率隨電感不斷變化的方波，經三極管放大和光
耦隔離后輸入到MCU 的輸入捕捉端口。MCU 通過檢測這一不斷變化的頻率來實現對高度傳感
器傳來信號的檢測。電路如圖二所示，對速度傳感器信號的檢測也是通過檢測其頻率實現的，
原理同高度傳感輸入電路類似。

圖二 車身高度檢測電路
Fig 2 detection circuit of vehicle’s height
2.3 信號控制輸出模塊
ECU 采用PWM 方式輸出控制電磁閥的開啟，根據當前實際高度與預期調節(jié)高度的偏差
來輸出控制信號。ECU 計算電磁閥的調節(jié)脈沖長度，如果需要調節(jié)的高度量大、由于沒有過
沖危險,ECU 將給出一個長的脈沖，同時，快的上升速度將減小脈沖長度，這樣就能精確控
制車輛的高度調節(jié)速度，極大的避免了高度的過沖及振蕩調節(jié).對于電磁閥的驅動，本設計
選用了安森美半導體公司生產的NUD3124 繼電器驅動芯片。NUD3124(汽車版本)器件的高
反向雪崩能量容量(350mJ)可以控制大多數用于汽車應用的繼電器?？刂菩盘柦涍^光耦隔離
后輸出給NUD3124 驅動芯片，由NUD3124 驅動電磁閥工作，并在NUD3124 的輸出端加了
一個二極管保護電路。
2.4 電源模塊，操作界面模塊及其他擴展功能模塊
ECAS 系統(tǒng)主要有兩種電壓源，一是24V 電壓源，二是3V 電壓源。其中3V 電壓源分數
字電壓源和模擬電壓源。24V 電源是由車輛自身電源引出，然后經π 型濾波，再經穩(wěn)壓管穩(wěn)
壓，在經過一個濾波電路最終得到一個穩(wěn)定的24V 電壓源。3V 電壓源與此類似，只是須要
在數字電源和模擬電源之間加上一個隔離電阻，以防串擾。
操作界面主要是鍵盤輸入和發(fā)光二極管顯示。當司機要手動控制阻尼和車高的時候，便
可通過鍵盤輸入其操作，然后相應的發(fā)光二極管亮，顯示其輸入。鍵盤輸入經過了濾波，光
耦隔離和IC106 濾波及保護，最終送入ECU，然后ECU 輸出控制驅動相應發(fā)光二極管點亮。
其他模塊主要包括便于日后升級的接口，以及RS485 通信，大容量存儲器等。大容量存
儲器采用了ATMAL 公司的AT24C1024，其通過PTC2/SDA 和PTC3/SCL 與單片機相連；RS485
用典型接法即可，芯片采用max3485；其他未用引腳均通過插槽引出，以便于日后升級之用。
3 汽車ECAS的軟件設計方案
空氣懸架電子控制單元（ECAS）應用軟件由系統(tǒng)初始化模塊、判斷手動自動調高模塊、
信號采集模塊，鍵盤響應模塊，輸出控制模塊等構成。主程序為一循環(huán)體，它擔負調節(jié)車身
高度和阻尼的任務，車身高度信號經傳感器轉換為具有一定占空比的方波信號，然后經過與
微處理器中預設的標定高度進行比較，輸出控制信號，當快達到標定高度時，減小輸出信號
的占空比，以防止過充。具體主程序框圖如圖三所示。

Fig 3 the structured flowchart of main program
4 試驗及結果分析
本設計做了兩自由度1/4 車輛空氣懸架試驗，通過在一定頻率特性下，對比分析電控空
氣懸架和被動空氣懸架在相同的路面激勵下，得到不同的懸架動行程，車輛動載荷及垂直加
速度，來驗證本設計的可行性[4]，驗證本設計是否達到了提高車輛行駛平順性和乘坐舒適型
的目的。為下一步將科研成果轉換成汽車電子產品提供技術儲備和試驗手段。
本試驗系統(tǒng)用到了美國 INSTRON 公司8800 數控液壓伺服振動測試系統(tǒng)、空氣彈簧、減
振器、本文設計的控制器、加速度傳感器、車身高度傳感器、速度傳感器，Wavebook 信號
采集器、電腦等。試驗原理如圖四所示.試驗系統(tǒng)上多加了兩個傳感器，分別是加速度傳感
器和壓力傳感器，加這兩個傳感器是為了測出簧上垂直加速度和輪胎動載荷。本試驗過程中
激勵信號采用模擬B 級路面、車速50km/h 的白噪聲隨機輸入信號，試驗時間30s，采樣間
隔0.01s，空氣彈簧工作高度275mm，分別采集空氣懸架加控制器前、后的簧上質量垂直振
動加速度，懸架動行程和輪胎動載荷。實驗結果如圖五所示，通過本實驗我們可以看出用本
文所設計的電控空氣懸架系統(tǒng)明顯在懸架動行程，車輛動載荷和垂直加速度三項指標上都比
被動懸架有明顯的改善，其中簧上質量垂直振動加速度的均方根值下降了12.89％說明本文
所設計的控制器有效地改善了車輪的行駛平順性，得到了較好的懸架特性，有實際應用的價值！

圖五(b) 垂直加速度 圖五(c) 車輪動載荷
Fig5(b) acceleration signal in vertical vibration Fig 5(c) cartwheel moving loading