引言

　　由于各種原因，公交車總是不斷重復加速—減速或停車—再加速的過程。通過加裝本節(jié)能裝置，當汽車需要制動時，在主控單元的控制下，可將汽車行駛時具有的巨大動能通過空氣壓縮機轉(zhuǎn)化成高壓氣體的勢能并儲存起來，從而實現(xiàn)汽車減速或停車。當汽車需要啟動或加速時，用儲存起來的高壓氣體勢能代替燃油來驅(qū)動汽車，從而實現(xiàn)汽車能量的回收再利用，達到節(jié)能的效果。同時由于汽車在起動或加速時能耗最大，如果汽車是用燃油驅(qū)動，則此時油料燃燒不充分，燃燒效果最差，而且產(chǎn)生的噪音最大。

　　系統(tǒng)工作原理

　　本系統(tǒng)主要由三部分組成，即檢測部分，控制部分和執(zhí)行機構。檢測部分包括踏板位置傳感器、曲軸位置傳感器、壓縮機活塞位置傳感器、汽車運行速度傳感器、儲氣罐壓力傳感器等信號的檢測。執(zhí)行機構主要包括雙向可控電磁閥和電磁離合器。控制部分主要由ARM微處理器組成的控制系統(tǒng)及一些外圍電路構成。本文主要介紹該系統(tǒng)的控制部分。該裝置的作用就是將剎車時本應由摩擦來消耗掉的汽車動能，改為由氣體的勢能來消耗，在啟動時，利用剎車時儲氣罐內(nèi)儲存的高壓氣體勢能來驅(qū)動汽車行走，當車速到達一定值如20km/h時，再切換到由汽車發(fā)動機驅(qū)動的模式。

　　系統(tǒng)硬件設計

　　由于該節(jié)能裝置需檢測的模擬量較多，如儲氣罐內(nèi)的壓力、制動踏板的位置、車速、活塞運行位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù)，而且有些是需實時監(jiān)控的，如儲氣罐內(nèi)的壓力等，需要使用多任務執(zhí)行方可實現(xiàn)，而普通單片機無法滿足這一要求。因此需根據(jù)實際情況，選用合適的處理器芯片，加上各種數(shù)據(jù)和程序存儲芯片構成最小系統(tǒng)。同時，增加數(shù)據(jù)采集、顯示、通信接口、控制執(zhí)行單元和電源管理模塊等，來組成一個完整的控制系統(tǒng)。由于目前汽車應用CAN現(xiàn)場總線比較廣泛，因此，為了與汽車的控制系統(tǒng)連接的方便，還增加了CAN總線接口，由此構成了整個硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

　　
圖1 系統(tǒng)框圖

　　S3C44BOX

　　由于設計要求系統(tǒng)能隨車采集信號，并進行實時監(jiān)控，對主控模塊的要求較高，因此主控制模塊應當是以高性能的微處理器為核心而組成的一個最小系統(tǒng)。根據(jù)具體應用的要求，實際應用的反映情況，選用了Samsung公司的ARM芯片S3C44BOX，其主要性能如下：

　　Samsung公司推出的16/32位RISC處理器S3C44BOX為一般類型的應用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。為了降低成本，S3C44BOX提供了豐富的內(nèi)置部件，包括:8KB的Cache，內(nèi)部SRAM, LCD控制器，帶自動握手的2通道DART, 4通道DMA，系統(tǒng)管理器(片選邏輯，F(xiàn)P/EDO/SDRAM控制器)，帶有PWM功能的5通道定時器，I/O端口，RTC, 8通道10位ADC，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，同步SIO接口和PLL倍頻器。

　　S3C44BOX的突出特性是它的CPU核，是由ARM公司設計的16/32位ARM7TDMI RISC處理器(66MHz)。ARM7TDMI體系結構的特點是它集成了Thumb代碼壓縮器，ICE (In Circuit Emulator)斷點調(diào)試支持，和一個32位的硬件乘法器。

　　數(shù)據(jù)采集單元

　　數(shù)據(jù)采集單元的作用就是對需要的模擬信號進行采集、處理后送到處理器進行處理。在該單元中，核心是對模擬信號的調(diào)理。由于系統(tǒng)要采集到汽車的儲氣罐內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)、制動踏板的位置數(shù)據(jù)、車速、離合器切合位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù)，因此需要多路數(shù)據(jù)采集通道。各通道的數(shù)據(jù)必須完成信號的調(diào)理后，才能送到處理器進行處理。該采集單元的信號采集通道框圖如圖2所示。

　　
圖2 信號采集通道

　　控制執(zhí)行單元

　　控制執(zhí)行單元的功能主要是接收處理器發(fā)出的數(shù)字量，經(jīng)過隔離及驅(qū)動后，送到執(zhí)行機構如電磁閥、繼電器、離合器等來使行相應的動作。功能框圖如圖3所示。

　　
圖3 控制執(zhí)行單元

　　這一級相對來說較為簡單，但為了防止外界對系統(tǒng)的干擾，須采用隔離。隔離器件采用普通的光電禍器即可，系統(tǒng)中采用TLP521-1。

　　數(shù)據(jù)顯示模塊

　　在系統(tǒng)的設計中，為了對采集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，使得調(diào)試更為方便、直觀，因此增加了數(shù)據(jù)顯示模塊。S3C44BOX集成了LCD (Liquid Cristal Display)控制器，該控制器支持在LCD上的單色、4級、16級灰度、256色的顯示，具有很強的通用性，S3C44BOX的LCD控制器的作用是將緩存中的數(shù)據(jù)傳送到外部的LCD驅(qū)動器，并產(chǎn)生必須的LCD控制信號。LCD控制器可以編程支持不同水平和垂直點數(shù)(640×480，320×240，160×160等)、不同數(shù)據(jù)線寬度、不同接口時序和刷新速率的LCD，支持4位雙掃描、4位單掃描、8位單掃描模式，并支持水平/垂直滾動，以用來支持更大的屏幕顯示(如1280× 1280)。

　　由于不同尺寸的LCD具有不同數(shù)量的垂直和水平象素、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)寬度、接口時間和刷新率，S3C44BOX中的LCD控制器可以對相應的寄存器值進行編程，以適應不同的LCD顯示板。LCD控制器邏輯框圖如下圖4所示。

　　
圖4 LCD控制器邏輯框圖

　　電源模塊

　　在本系統(tǒng)設計中，由外部供給系統(tǒng)單一的9V電源，通過三端穩(wěn)壓AS1117-5.0, AS1117-3.3和AS1117-2.5，分別得到5.0V, 3.3V以及2.5V。AS1117系列穩(wěn)壓器最大能提供800mA電流，由于本系統(tǒng)功耗較低，最大需求電流不超過300mA，因此用AS1117足以滿足系統(tǒng)的供電需求。另外的兩套±15V電源由DC/DC變換器供給?？紤]到系統(tǒng)中有數(shù)字電路和模擬電路，由于數(shù)字電路的電流變化較快，容易產(chǎn)生脈沖干擾，從而影響模擬信號的采樣精度，因此應把數(shù)字地和模擬地分開。

　　調(diào)試接口

　　S3C44BOX內(nèi)嵌JTAG測試電路，使得調(diào)試起來非常方便。JTAG是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及 對系統(tǒng)進行仿真、調(diào)試，JTAG技術是一種嵌入式調(diào)試技術，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路TAP (Test Access Port，測試訪問口)，通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進行測試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，能實現(xiàn)對各個器件分別測試。JTAG接口還常用于實現(xiàn)ISP(In System Programmable)功能，如對Flash器件進行編程等。

　　目前JTAG接口的連接有兩種標準，即14針接口和20針接口，在本設計中，采用的是14針的接口。該接口主要通過下載電路與計算機的并行口相連，在集成開發(fā)環(huán)境之下，使用相應的JTAG下載代理軟件就可以用來進行系統(tǒng)調(diào)試，而不需專門的仿真器，這樣可以降低開發(fā)的成本。

　　通信單元

　　在系統(tǒng)設計中，考慮到數(shù)據(jù)傳送、下載以及調(diào)試的方便，增加了串行通信RS-232C接口。另外，考慮到系統(tǒng)升級的方便，以及為了與現(xiàn)在流行的汽車總線接口的方便，增加了CAN現(xiàn)場總線的接口。

　　本系統(tǒng)中選用MAX232。MAX232可以實現(xiàn)TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。由于在實際應用中，器件對電源噪聲很敏感，因此MAX232的VCC引腳必須要對地加0.lmF去耦電容，另外，為提高抗干擾能力，添加了四個l0mF電容，在連接在內(nèi)部電源引腳輸出端。MAX232芯片第7, 8引腳接入分別到串行口的第3, 2引腳;9, 10引腳接處理器的RXD, TXD引腳，實現(xiàn)與處理器的連接。

　　需要注意的是，MAX232是5V器件，而處理器芯片是用的是3V供電，因此需要考慮電平轉(zhuǎn)換，否則將無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)。由于Maxim公司已經(jīng)注意到這點并推出了專用3V供電的器件MAX3232C，利用它就可以無需考率3V到5V的電平轉(zhuǎn)換問題。MAX3232C與處理器的接口電路如圖5所示。

　　圖5 RS-232C與處理器的通信接口電路

　　系統(tǒng)軟件設計

　　在本系統(tǒng)中，主程序是整個程序的核心，擔負著系統(tǒng)的運行、控制的主要任務，需要對其控制流程進行仔細考慮，以完成所需的控制要求。

　　在程序開始時，首先對系統(tǒng)進行初步的初始化。之后，采集各種數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否正常，如果正常，則顯示數(shù)據(jù)并等待中斷，根據(jù)中斷轉(zhuǎn)向相應的中斷服務子程序。如果數(shù)據(jù)不正常，則通過報警來提示用戶檢查數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)正常才執(zhí)行其他程序。如果一切正常，且沒有剎車和啟動等控制，則可以與其他設備進行通信等操作。具體的流程見圖6所示。

　　
圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

　　系統(tǒng)的抗干擾設計

　　要達到良好的系統(tǒng)控制效果需要在系統(tǒng)設計中非常注意它的抗干擾性和可靠性。本系統(tǒng)由于采用高速ARM作為核心處理器，它的高頻信號不僅容易受到干擾，而且也會成為系統(tǒng)的干擾源，因此有必要對整個系統(tǒng)，特別是ARM部分的抗干擾及保護做更多的處理。

　　硬件部分，控制系統(tǒng)的電源及功率驅(qū)動部分抗干擾措施主要就是從防和抗兩方面入手。其總原則是：抑制或消除干擾源;切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道;降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性?？垢蓴_設計的具體措施包括：隔離、接地、屏蔽、濾波等常用方法。

　　軟件部分，本系統(tǒng)的軟件主要采用了以下幾種軟件抗干擾設計：

　　軟件陷阱法

　　測試系統(tǒng)在遇到外界干擾時，往往會導致運行程序進入程序存儲器的空白區(qū)(即無指令區(qū))，這種現(xiàn)象叫做程序“跑飛”。于是在各子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處，都寫上連續(xù)3個空操作指令(nop)，后接一無條件轉(zhuǎn)移指令，一旦程序跑飛到這些區(qū)域，就會自動返回執(zhí)行正常程序。

　　程序的冗余設計

　　在程序存儲器的空白區(qū)域，寫入一些重要的數(shù)據(jù)表和程序作為備份，以便系統(tǒng)程序被破壞時仍有備份參數(shù)和程序維持系統(tǒng)正常工作。由于TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)存儲以數(shù)據(jù)頁為基準，如果對不同數(shù)據(jù)頁的數(shù)據(jù)進行操作而不指定相應的數(shù)據(jù)頁，會導致程序跑飛。因此需要對程序未使用滿的數(shù)據(jù)頁進行填充，防止數(shù)據(jù)頁混亂導致的系統(tǒng)誤操作。

　　結語

　　加裝了能量回收再利用裝置后，當汽車在加速或重新起動初期，可以利用存儲的高壓氣體驅(qū)動汽車，不需要燃料，可以較少汽車尾氣對環(huán)境的污染。因此，該裝置不僅可以節(jié)約能源，而且有利于環(huán)保。

　　參考文獻：

　　1. 徐達等編著，現(xiàn)代汽車電子裝置及控制技術，人民交通出版社，1998

　　2. 周立功等編著，ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程，北京航空航天大學出版社，2005

　　3. 馬忠梅等編著，ARM嵌入式處理器結構與應用基礎，北京航空航天大學出版社，2002

　　4. 謝金明編著，高速數(shù)字電路設計與噪聲控制技術，電子工業(yè)出版社，2003