汽车ASR系统ECU开发及其硬件在环测试

驱动防滑控制系统ASR(Acceleration Slip Regulation System)是在汽车起步和加速过程中防止车轮过度滑转以获
得最佳的地面驱动力和保持方向稳定性的主动安全控制系统。它是基于汽车防抱死制动系统（ABS）的控制原理在驱动工况的推广而研制的。随着ABS系统在汽车上的应用逐渐普及，ASR的应用也渐为广泛，因此,关于ASR的控制算法研究和控制器开发成为当前研究的热点[1-5]。
　　ASR需要通过一定的途径调节发动机输出扭矩，由于受电控发动机的限制,我国目前在ASR系统的控制理论方面大多侧重于采用以制动控制为主、发动机控制为辅的控制方法。总的来说，距离产品化还有一定的差距[4]。采用发动机输出扭矩或者电子节气门开度调节则难于进行试验验证。近年来，为了进一步提高算法验证的精度，半物理仿真技术得到了一定程度的应用[5-6]。
　　本文在深入研究ASR控制需求的基础上，设计并开发了ECU软硬件，利用MATLAB/Simulink软件和dSPACE实时仿真系统进行了ECU的硬件在环测试，标定了ECU控制参数，验证了控制效果。
1 ECU硬件电路设计
　　ASR ECU硬件主要实现轮速信号采集与处理、存储与运行控制软件、驱动电子节气门电机与压力调节器电磁阀以及与其他ECU或者计算机进行通讯等功能。其硬件设计框架如图1所示。

ECU的设计还需要综合考虑如下因素：
　　(1)控制程序的实时性。要求控制器能够快速运行程序并具备较高的计算速度。
　　(2)控制器可靠性。确保在汽车级恶劣电磁环境中具备较强的抗干扰性能，控制程序能够运行可靠、稳定。
　　(3)控制器体积及成本，要具备一定的市场竞争能力。
1.1 主辅MCU选型及单片机最小系统设计
　　单片机是电子控制系统ECU的核心，它负责数据采集、处理及所有的逻辑运算，并直接影响到控制器电路运行的可靠性、成本控制以及控制器的尺寸。为了提高ECU可靠性，本文采用双MCU架构。主MCU负责采集轮速信号并进行计算处理，然后根据控制逻辑对电磁阀输出相应的控制指令，从而完成ASR预期功能。因此，主MCU安全可靠的运行是ASR控制器可靠性的保证。辅MCU的主要功能是对主MCU进行监控并完成部分故障诊断。
对单片机选型主要考虑以下几个因素：
　　(1)单片机的运算速度：ABS/ASR控制逻辑从参考车速估算到控制算法的实现涉及到很多复杂的数学算法，因此对MCU的运算速度和运算能力有很高的要求。
　　(2)充足的存储空间：复杂的ABS/ASR控制逻辑和参考车速计算拟合以及逐渐增加的故障诊断功能，都会导致软件代码的增加，程序运行时也需要很多的内存空间，这就要求MCU具备充足的存储空间才能满足整个系统的需求。根据以往摩托车ABS/ASR控制器设计的经验，由于片内集成存储单元技术和成本的限制，片内一般只有较少存储空间，往往需要用户通过 MCU 的地址和数据总线进行扩充，这样会导致 MCU 的I/O接口的不足，而且外部存取也会影响 MCU 的总体运算速度。
　　(3)与系统需求相匹配的I/O接口数：本文设计的ABS/ASR系统需要采集4通道的轮速输入信号，驱动4组（8路）压力控制阀的电磁阀，并且需要进行大量的故障诊断电路设计，因此必须保证充足的I/O口的数量。
　　(4)单片机的价格因素、抗干扰性能以及芯片生产商对该型号单片机相应的技术支持也是单片机选型的重要考虑因素。
　　考虑以上因素后，本设计选定Freescale公司的HCS12系列16位单片机MC9S12DP512作为系统核心控制芯片。MC9S12DP512的主要优点：
　　(1)具有较强的运算能力，丰富的I/O接口和充裕的存储空间。它的核心运算速度可以达到50MHz，总线速度可以达到25MHz，且采用了优化的指令集，使指令的运算速度得到了很大的提高[7]。
　　(2)使用了锁相环技术和内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率，在同样速度下所使用的时钟频率较Intel类单片机低很多，因而高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于汽车内部恶劣的环境。
　　(3)内部集成的可编程滤波器功能，可以有效滤除轮速脉冲信号中的窄脉冲干扰信号。具体滤波原理如下：MC9S12DP512内部集成了4个缓冲的IC通道，每个缓冲IC通道都具备延迟滤波功能。当延迟功能启动后，在输入引脚将检测到一个有效边沿（本文设置为上升沿触发），此时延迟计数器开始对P（时钟模块）进行计数，当达到预先设定的计数值时，延迟计数器在其输出端产生一个延迟前后引脚电平相反的脉冲，这样就可以避免对窄输入脉冲做出反应，有效滤除这种干扰。滤波功能设计中，可以通过输入延迟控制寄存器DLYCT的DLY1、DLY0对延迟时间进行置位选择。[!--empirenews.page--]
　　(4)能在BDM模式下工作，方便程序的烧录和调试。
　　选定单片机后，可进行电源电路、时钟电路和复位电路的设计，即构成单片机工作的最小系统。
1.2 双MCU间的通讯设计
　　双MCU之间进行通讯才能完成协调工作。本文设计了SPI接口电路完成通讯功能。SPI(Serial Peripheral Interface)是一种高速高效率的同步串行接口，主要用于MCU与外部的接口芯片交换数据。通过分别拉高和拉低从属选择(SS)引脚，设定主MCU为主机模式，辅MCU为从机模式。SPI通讯电路如图2所示。

1.3 轮速信号处理电路设计
　　ASR系统有四个轮速传感器，样车安装的是磁电式传感器，输出信号为频率与车轮转速成正比的正弦波。本文设置增强型捕捉定时器来采集轮速信号。轮速信号需要经过放大、滤波和整型处理后才能输入单片机。放大和滤波电路如图3所示。传感器信号由IN12输入，经过模拟放大器芯片AD620放大后，由OUTPUT输出再经RC滤波电路去除高频干扰信号。
信号经放大和滤波后，必须进行电平转换（整型）才能被单片机有效识别。信号转换功能电路采用Philips公司生产的电压比较芯片LM2901完成，电路原理图如图4所示。放大滤波后的正弦信号由LUN_CH1等输入比较器与相应的端口电压进行比较，最后转换成可被MS9S12DP512识别和处理的规则脉冲信号由LUN1输出。

1.4 执行机构驱动电路设计
　　MCU对轮速输入数据进行分析、处理后，按照一定的控制逻辑判断，产生相应的输出控制信号，控制信号必须经过驱动放大，才能对执行机构进行控制。液压ASR执行机构包含12个电磁阀的压力调节器和电子节气门直流电机。其中直流电机的操作通过与电子节气门ECU的通讯实现，电磁阀由ASR ECU进行驱动。
　　驱动电路的主要作用[8]：
　　(1) 信号放大：把MCU 输出的TTL电平转换为执行机构所需要的驱动电平，而且把很小的电流进行放大，足以去驱动执行机构动作。
　　(2) 电气隔离：由于执行机构大多都是阀和电机，它们动作时，需要的电流高，电流的变化快，对电源电压也会造成比较大的波动，会产生很大的干扰。为了保护其他电路，减小这些干扰对其他电路造成的影响，驱动板还要做到执行机构与其他电路之间的电气隔离。[!--empirenews.page--]
　　(3) 故障诊断：为了安全，驱动电路还要实时对阀工作情况进行监测，当出现故障时，要能够及时地把故障信息反馈给MCU，由MCU判别后对故障进一步处理。
　　本文选择Infineon公司的双通道驱动芯片BTS621设计驱动电路。驱动电路具体工作流程如下：当控制信号引脚ECU CH1输出高电平时，三极管8050基极导通，CHIN1为高电平输出到驱动芯片输入端IN1；经驱动芯片信号放大后由OUT1输出，使相应电磁阀动作。电磁阀驱动电路如图5所示。

1.5 CAN总线接口电路设计
　　在进行ASR控制时，需要通过电子节气门ECU控制直流电机调节节气门开度，以达到调节发动机输出转矩的目的。控制量通过CAN[9]总线发送给电子节气门来进行控制。MC9S12DP512片内集成有CAN控制器，本文选择Philips公司的TJA1040作为CAN收发器，具体的CAN总线接口电路如图6所示。

2 ECU软件设计
　　ECU软件主要包括：系统初始化模块、系统启动自检模块、轮速采集和处理模块、参考车速计算模块、控制决策模块、电磁阀驱动模块、在线故障诊断模块。程序总体流程如图7所示。

系统初始化内容主要包括：MCU 内部时钟、轮速输入通道端口设置、执行机构输出通道端口设置、看门狗定时器设置、通讯端口初始化、系统变量等，以保证MCU正常运行。
　　为了使系统安全运行，系统在复位和初始化完毕后要进行自检，对系统的关键软、硬件部分进行静态检测，以判断系统的软、硬件工作是否正常。
　　轮速信号采集和处理模块通过轮速传感器得到可用的轮速信息。
　　参考车速计算模块计算当前车身速度，与轮速一起计算车轮滑转率，这是ASR控制的主要控制依据。
　　控制决策模块根据车辆状态和当前所处的控制状态产生控制指令。控制指令包括节气门开度调节指令和电磁阀操作指令。节气门开度调节指令通过CAN发送给电子节气门ECU来调节节气门开度。电磁阀操作指令通过相应的驱动模块从单片机输出，经过驱动电路后驱动执行机构。
3 ECU的硬件在环测试[!--empirenews.page--]
　　为了测试所开发的ECU，搭建了以先进的实时仿真系统dSPACE为核心的硬件在环测试平台。平台接入了电子节气门和压力调节器等硬件，车辆模型在dSPACE中运行，并由dSPACE采集节气门开度信号和制动压力信号以及生成接近真实传感器信号的轮速脉冲。
　　进行硬件在环测试时，假定初始节气门开度为100％，两个前轮为驱动轮。设定汽车分别在低附着路面、对开路面、对接路面（包括路面从高附着到低附着跳变和从低附着到高附着跳变）和棋盘路面等行驶。高附着路面峰值附着系数设定为0.8，低附着路面峰值附着系数设定为0.2。ASR控制测试结果中车速和轮速曲线分别如图8～图12所示。

从以上各图可以看出，车辆在低附着、对开、对接、棋盘路面加速时，ASR系统都能通过节气门开度调节或制动干预有效地控制驱动轮的轮速，纠正其过度滑转，使其滑转率保持在最佳滑转率附近。由于一般情况下车轮在高附着路面不会发生过度滑转，所以在对开和棋盘路面工况时，ASR控制器很好地识别了路面附着状况，对低附着一侧进行了有效的制动干预，将其车轮滑转率控制在最佳滑转率附近。在对接路面工况，路面附着系数发生跳变时，ASR也能够及时地介入或者解除控制，达到控制滑转率在设定范围内的目的。
　　硬件在环测试结果表明：本文研究的ASR ECU实现了传感器信号采集、控制决策、同其他ECU的CAN通讯和电磁阀驱动等功能，达到了控制车轮滑转率在合理范围内的目的;基于dSPACE的硬件在环测试方法可以在更为接近实际工况的情况下在台架上测试开发的ECU，而且能够在实验室里快速、方便地在不同设定工况甚至是实际中很难获得或十分危险的工况下对ECU进行试验，缩短了开发周期、节约了试验费用。但由于实车道路试验时工况更为复杂多变，所以还需要对开发的ECU进行实车试验进一步验证其控制效果。