ARM系统在汽车制动性能测试系统中的应用(共20页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上湖南文理学院课程设计报告课程名称： 嵌入式系统课程设计 专业班级： 建筑智能11101班 学号（34位）学生姓名： 刘文彬 指导教师： 王丽娟 完成时间： 2014年 6 月10 日 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 湖南文理学院制 ARM系统在汽车制动性能测试系统中的应用目 录致 谢16 专心-专注-专业一、设计题目汽车的制动性能是汽车性能的重要指标之一，是汽车检测中的重要项目。目前制动性能检测有台架法和路试法，台架法虽然被广泛使用，但是由于其检测结果不能完全反应汽车实际制动过程中的运动变化，而且台架测试中通常以车轮制动力的大小和左右车轮制动力的差值来评价汽车的制动性能。在台架实验中，一般不对这个制动过程的踏板力、制动力和制动时间的关系进行记录，这对于制动系统没有故障且无迟滞现象的多数汽车是合理的，但是对于制动时有明显迟滞现象的汽车，台架检测合格的汽车，实际上不一定合格；另一方面，在台架上检测时，前后轴为静载荷，不变化。而在路面测试时，由于惯性的作用，前后轴载荷会发生变化，而这种变化会影响到制动效果，因此台架检测汽车的制动性有一定的局限性和一定的缺陷。而路试法能比较准确的反映汽车制动的实际过程，但同时也要求路试法检测设备具有很高的实时性和高速数据处理能力。随着计算机的飞速发展，越来越多的融人先进技术的便携式道路制动性能测试系统被研制出来，国标路试法制动性能的检测项目做出了规定，根据GB72582004规定，路试法检测汽车制动性能的检测项目：制动距离、充分发出的平均减速度、制动踏板力、制动时间。这些检测的数据采集和处理，要求的实时性和精度都非常高，而且需要很多扩展功能，为满足汽车的制动性能检测的要求，本文设计了基于ARM的汽车制动性能检测系统。1.1 汽车制动性能检测技术发展1.1.1 制动控制系统的历史最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这时的车辆的质量比较小，速度比较低，机械制动虽已满足车辆制动的需要，但随着汽车自质量的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。这时，开始出现真空助力装置。随着科学技术的发展及汽车工业的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。20世纪80年代后期，世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱制动系统（ABS）的实用和推广。ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。防抱装置一般包括三部分：传感器、控制器（电子计算机）与压力调节器。传感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等传送给控制装置，控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后，给压力调节器发出指令。1.1.2 制动控制系统的现状传统的制动控制系统只做一样事情，即均匀分配油液压力。当制动踏板踏下时，主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后平衡。而ABS或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要时对油液压力进行调节。目前，车辆防抱制动控制系统（ABS）已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得到了广泛的应用，但是这些产品基本都是基于车轮加、减速门限及参考滑移率方法设计的。另外，由于编制逻辑门限ABS有许多局限性，所以近年来在ABS的基础上发展了车辆动力学控制系统（VDC）。结合动力学控制的最佳ABS是以滑移率为控制目标的ABS，它是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率，理论上是一种理想的ABS控制系统滑移率控制的难点在于确定各种路况下的最佳滑移率，另一个难点是车辆速度的测量问题，它应是低成本可靠的技术，并最终能发展成为使用的产品。因此，发展鲁棒性的ABS控制系统成为关键。现在，多种鲁棒控制系统应用到ABS的控制逻辑中来。除传统的逻辑门限方法是以比较为目的外，增益调度PID控制、变结构控制和模糊控制是常用的鲁棒控制系统，是目前所采用的以滑移率为目标的连续控制系统。另外，也有采用其它的控制方法，如基于状态空门及线性反馈理论的方法，模糊神经网络控制系统等。各种控制方法并不是单独应用在汽车上，通常是几种控制方法组合起来实施。如可以将模糊控制和PID结合起来，兼顾模糊控制的鲁棒性和PID控制的高精度，能达到很好的控制效果。1.1.3 制动控制系统的发展今天，ABS/ASR已经成为欧美和日本等发达国家汽车的标准设备。车辆制动控制系统的发展主要是控制技术的发展。一方面是扩大控制范围、增加控制功能；另一方面是采用优化控制理论，实施伺服控制和高精度控制。在第一方面，ABS功能的扩充除ASR外，同时把悬架和转向控制扩展进来，使ABS不仅仅是防抱死系统，而成为更综合的车辆控制系统。在第二个方面，一些智能控制技术如神经网络控制技术是现在比较新的控制技术，已经有人将其应用在汽车的制动控制系统中。ABS/ASR并不能解决汽车制动中的所有问题。因此由ABS/ASR进一步发展演变成电子控制制动系统(EBS)，这将是控制系统发展的一个重要的方向。1.1.4 全电路制动(BBW)BBW是未来制动控制系统的L发展方向。全电制动不同于传统的制动系统，因为其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间。其主要包含以下部分：a.电制动器。其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种，作动器是电动机；b.电制动控制单元(ECU)。接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。c.轮速传感器。准确、可靠、及时地获得车轮的速度；d.线束。给系统传递能源和电控制信号；e.电源。为整个电制动系统提供能源，与其它系统共用。系统一旦出现故障，立即发出信息，确保信息传递符合法规最适合的方法是多重通道分时区(TDMA)，它可以保证不出现不可预测的信息滞后。TTP/C协议是根据TDMA制定的。第三是抗干扰处理。车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信号造成的影响，目前存在多种抗干扰控制系统，基本上分为两种：即对称式和非对称式抗干扰控制系对称式抗干扰控制系统是用两个相同的CPU和同样的计算程序处理制动信号。非对称式抗干扰控制系统是用两个不同的CPU和不一样的计算程序处理制动信号电制动控制系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种制动系统。1.1.5 结论现代汽车制动控制技术正朝着电子制动控制方向发展。全电制动控制因其巨大的优越性，将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统。同时，随着其他汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展，电子元件的成本及尺寸不断下降。汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统、汽车主动式方向摆动稳定系统、电子导航系统、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统，未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在一个ECU中，并将逐渐代替常规的控制系统，实现车辆控制的智能化。但是，汽车制动控制技术的发展受整个汽车工业发展的制约。有一个巨大的汽车现有及潜在的市场的吸引，各种先进的电子技术、生物技术、信息技术以及各种智能技术才不断应用到汽车制动控制系统中来。同时需要各种国际及国内的相关法规的健全，这样装备新的制动技术的汽车就会真正应用到汽车的批量生产中。1.2 设计要求采用ARM系统构建一个路试法的汽车制动性能测试系统。检测项目有：制动距离充分发出的平均减速度制动踏板力制动时间。这些检测的数据采集和处理，要求的实时性和精度都非常高，而且需要很多扩展功能，为满足汽车的制动性能检测的要求。二、汽车制动性能测试方法2.1 制动过程分析图2-1所示是汽车制动过程中制动踏力板、速度、减速度、距离随时间变化的理想曲线。如图2-1（a）驾驶员接到紧急制动信号，由于驾驶员有个反应过程，不可以立即采取行动，需要经过时间才开始踩制动踏板，这段时间叫驾驶员反应时间。它包括驾驶员发现障碍，识别障碍并作出决定，脚从油门踏板换成制动踏板的时间，以及消除制动间隙时间。这一般时间为。接下来驾驶员持续踩下制动踏板，踏板力不断增加，一直到达最大值，这段时间踏板力增大时间，如图2-1（）从脚踩下制动踏板，到汽车开始减速需要经过时间，这些主要用于消除制动的一些间隙，减速度从1点开始持续增加，到最大值的2点，此后减速度保持不变，持续制动到3点，汽车停止在3点，这段时间称持续制动时间从时间内，由于汽车并未产生减速，这段时间内，汽车基本上保持匀速运动，从1点以后，由于有减速度，速度一直减小直至停止，如图2-1（）。通过以上的制动分析可知，本系统测量的制动过程是制动踏板被踩下到汽车完全停止住，故汽车的制动是，这段时间汽车驶过的距离就是制动距离，如图2-1（）。2.2 测试标准与测试内容2.2.1 制动距离检测行车制动性能标准制动距离是指汽车在规定初速度下急刹车，从脚接触制动踏板至汽车停时汽车驶过的距离。制动稳定性要求：机动车的任何部位不允许超出规定宽度的实验通道的边缘线。表2-1是机动车运行安全技术条件路试法测试行车制动性能对制动距离和制动稳定性要求。表2-1 制动距离与制动稳定性要求汽车类型制动初速度满载制动距离要求空载制动距离要求实验通道宽度三轮汽车202.5乘用车502.5总质量的低速货车302.5其它总质量的汽车502.5其它汽车、汽车列车303.02.2.2 充分发出的平均减速度检验行车制动性能标准充分发出的平均减速度其中：实验车制动初速度，；-0.8，实验车速，；-0.1，实验车速，；-实验车速从到之间车辆行驶距离，；-实验车速从到之间车辆行驶距离，；三、系统硬件部分设计3.1 系统硬件部分总体设计从制动性能测试系统的功能要求出发，设计了如图3-1的测试系统。包括微处理器、信号输人、键盘驱动电路、液晶显示、接口、数据存储等模块。图3-1 测试系统总体构成框图微处理器采用芯片，其核心是，它是一款基于16/32位，既可以执行32位的指令，也可以执行16位指令，支持实时仿真和跟踪的。内部有16静态和256的，有高速接口8，路 10位转换器。3.2 传感器信号调理 踏板开关信号经过光电隔离后在经过反向后输入到的外部中断1引脚；速度传感器的速度脉冲信号经过光电耦合后经过反向后输入到的定时器捕获引脚。光耦输出端使用的电源经过DC-DC模块隔离的。这样就实现了踏板开关信号、速度信号与信号输入端的隔离。 踏板力传感器输出的信号是012V的电压信号，而的A/D口的模拟电压输出范围是03.3V，实现这一电压转换使用两级运算放大器是实现。3.3 ARM微处理器LPC2294LPC2294是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位CPU，并带有256 k字节嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。 由于LPC2292/2294的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2/4（LPC2292/LPC2294）路CAN、PWM通道以及多达9个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。LPC2292/2294包含76（使用了外部存储器）112（单片）个GPIO口。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。LPC2294主要特征：1. 16/32位ARM7TDMI-S微处理器，LQFP144封装。2. 16 kB片内静态RAM和256kB片内Flash程序存储器。128位宽接口/加速器可实现高达60MHz的工作频率。3. 通过片内boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。512字节行编程时间为1ms。单扇区或整片擦除时间为400ms。4. EmbeddedICE-RT和嵌入式跟踪接口使用片内RealMonitor软件对任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。5. 2/4(LPC2292/2294)个互连的CAN接口，带有先进的验收滤波器。多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口（400 kbit/s）和2个SPI接口。6. 8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44s。7. 2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）、实时时钟和看门狗。8. 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。9. 通过外部存储器接口可将存储器配置成4组，每组的容量高达16Mb，数据宽度为8/16/32位。10. 多达112个通用I/O口（可承受5V电压），9个边沿或电平触发的外部中断引脚。 11. 通过片内PLL可实现最大为60MHz的 CPU操作频率。12. 片内晶振频率范围：130 MHz。13. 2个低功耗模式：空闲和掉电。14. 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。15. 可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。16. 双电源。CPU操作电压范围：1.651.95 V(1.8 V± 0.15 V)；I/O操作电压范围：3.03.6 V(3.3 V± 10%)，可承受5V电压。3.4 系统电源电路LPC2294使用双电源，其内核CPU采用+1.8V电压，I/O口使用+3.3V电压，而液晶显示模式使用+5V电压，踏板力传感器和非接触式传感器使用+12V电压供电。故需为系统提供以上四种电压，本系统中电源部分采用+12V电压输入。外部提供+12V电源，经过两级DC-DC转换可以得到LPC2294所需要的两种电压，第一级经过L7805CV将12V转到+5V，第二级则分别使用DC-DC模块SPX1117M3-3-3和SPX1117M3-1.8是将+3.3V到+1.8V。系统电源转换电路如图3-4所示。 图3-4 系统电源电路3.5 复位晶振电路复位是将微处理器初始化为某个确定的初始化状体，复位信号的产生电路有很多种，最简单的阻容复位电路，但这种复位电路可靠性较差，不能保证任何情况下都能对微处理器进行复位。图3-5是使用SP708S扩展的外部手动的复位电路。图3-5 系统复位电路SP708S支持高/低电平两种复位方式，LPC2294是采用低电平复位，选择SP708S的低电平复位引脚7与LPC2294的复位引脚连接，可以产生200ms宽度的复位脉冲，实现对LPC2294的复位。LPC2294在使用外部晶振时，微控制器仅支持1-30HZ的外部晶振， LPC2294的振荡器可以在工作在从属模式和振荡模式，本系统外部晶振模式时，晶振电路图如图3-6。图3-6 系统晶振电路3.6 键盘扩展电路3.6.1 特点1. I2C串行接口提供键盘中断信号方便与处理器接口；2. 可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键；3. 可控扫描位数可控任一数码管闪烁；4. 提供数据译码和循环移位段寻址等控制；5. 8个功能键可检测任一键的连击次数；6. 无需外接元件即直接驱LED可扩展驱动电流和驱动电压；7. 提供工业级器件多种封装形式PDIP24 SO24引脚图如3-7所示。图3-7 ZLG7290的引脚图3.6.2 功能描述（一）键盘部分ZLG7290可采样16个按键或传感器可检测每个按键的连击次数其基本功能如下。1.键盘去抖动处理当键被按下和放开时可能会出现电平状态反复变化称作键盘抖动若不作处理会引起按键盘命令错误，所以要进行去抖动处理以读取稳定的键盘状态为准。2.双键互锁处理当有两个以上按键被同时按下时ZLG7290只采样优先级高的按键优先顺序为S1>S2>>S64。如同时按下S2和S18时采样到S2。3.连击键处理当某个按键按下时，输出一次键值后如果该按键还未释放该键值连续有效就像连续压按该键一样。这种功能称为连击连击次数计数器RepeatCnt，可区别出单击某些功能不允许连击如开。关或连击判断连击次数可以检测被按时间以防止某些功能误操作如连续按5，秒经入参数设置状态。4.功能键处理功能键能实现2个以上按键同时按下来扩展按键数目或实现特殊功能如PC机上的Shift，Ctrl，Alt键典型应用图中的S57-S64为功能键。ZLG7290的内部结构如图3-8所示。图3-8 ZLG7290的内部功能框图键盘扩展电路如图3-9所示。图3-9 键盘扩展电路四、系统软件部分设计4.1 系统软件总体设计系统软软件部分主要由系统层、驱动层和应用层组成。系统层设计首先是进行嵌人式操作系统内核的移植，再对内核扩形成一个简单、高效的操作系统。驱动层是在系统层上开发硬件驱动程序，它是实现应用层对硬件使用的接口。应用层设计是在操作系统的基础上进行任务设计，如数据采集任务、数据处理任务 、通讯任务、显示任务和键盘扫描任务。系统软件部分总体设计框图如图4-1所示。ARM硬件系统嵌入式操作系统底层驱动程序多任务的底层应用USB驱动程序制动性能分析评价软件系统部分软件PC机部分软件图4-1 系统软件部分总体设计框图软件部分主要由系统层和应用层组成。系统层设计首先是进行嵌入式操作系统内核的移植，再对内核扩展形成一个简单、高效的操作系统。应用层设计是在操作系统的基础上进行数据采集任务、数据处理任务、通讯任务、显示任务和键盘扫描任务的设计。 系统层以免费、成熟的C/OSII操作系统内核为基础进行扩展。根据C/OSII的体系结构，它的移植包括OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C三个文件中的代码进行移植，以及对与之应用设置相关的OS_CFG.H、INCLUDE.H两个文件中的代码进行移植。在C/OSII提供的任务调度内核的基础上通过设计驱动程序模块、操作系统的API函数、系统的任务、任务调度模块等模块对操作系统内核进行扩展。通过设计实现LCD和USB设备的接口函数，建立驱动程序模块，使操作系统API函数和底层硬件分离开；操作系统的API函数部分主要是设计图形用户接口（GUI）函数，建立系统API函数库；系统任务设计液晶显示屏刷新任务、按键扫描任务两个基本任务，并随操作系统的启动而运行。4.2 ARM微处理器与上位计算机串行通信将ARM微处理器采集的车速、轮速等数据通过串行通信的方式传递给上位计算机，并由上位计算机中己编制好的Visual Basic6.0程序进行数据计算，以实现对汽车制动性能的评价。串行通信的控件属性设置方法如下：在VB窗体上布置一MSComm控件，作为串行通信的通道，将属性窗口中的CommPort属性值修改为2，将RTHreshold属性设为1，即只要外界传送任何字符串，随即引发事件，实现数据在ARM微处理器与上位计算机之间的传输。部分串行通信程序代码如下：long UARTEnable (long I Port，long I DataRate，long I DataBits，long I StopBits，long I Parity，long I EvenParity) unsigned rhar·puePtr=(unsigned char·)HwBaseAddress：/硬件的基地址long I Rates12=，76800，57600，38400，28800，19200，14400，9600，4800，2400，1200，110： /串口波特率 long I Divisorx12=1，2，3，5，7，11，15，23，47，95，191，2094；long I Idx，I Config：for(I Idx=0；I Idx<12；I Idx+)If( I RatesI Idx=I DataRate )Break；if(I Idx=12)return(0)；I Config=I DivisorsI Idx；switch(I DataBits) /设置有效的数据位宽度case5：I Config=HwUartControlDataLength5;break;case6:Default: return(0);if(I StopBits=2) /设置停止位个数I Config=HwUartControlTow StopBits;else if(I StopBits!=1)return(0);if(I Parity) /设置奇偶位效验I Config=HwUartControl ParityEnable;4.3 程序流程图图4-2程序流程图五、测试结果应用设计的测试系统，对某型号乘用汽车在平坦、干净干燥、附着系数大于0.7的水泥路面上进行实验，制动初始车速为50km/h，测试得到车速时间曲线如图5.1。图 5-1 车速-时间曲线其它计算数据如表5-1，由此可以得出此车按照GB7258-2004规定制动性能良好的结论。表5-1 计算数据 数据项目数值 制动时间 1.4s 制动距离17.2m 平均减速度 7.0 踏板力305N 六、总结基于ARM的汽车制动性能测试系统，可以在路试条件下测量汽车的制动运动数据，弥补台架法测量条件理想化和价格高的缺陷，将当前先进的嵌入式技术应用于汽车检测仪器上，能够使测试系统的精度和速度更加优越。本系统既可以作为汽车专业的教学试验，也可以作为汽车检测部门对车辆的检测使用。通过本次课程的设计，我进一步加深对ARM基础知识的理解，并且对汽车的制动性能有了一定的了解，对ARM应用领域有了一定的了解。参考文献1 黄智伟ARM9嵌入式系统设计基础教程（M）北京航空航天大学出版社2 秦文虎一种便排式汽车侧动性能监侧仪（J）测试仪器3 贝绍秩汽车侧动性能检侧系统的研究与开发（J）仪表技术4 周立功嵌人式基础教程（M）北京航空航天大学出版社5 百度网、豆丁学习网站1 GB7258-2004机动车运行安全技术条件S6 秦文虎一种便携式汽车制动性能监测仪J测试仪器，2002，21（9）347 贝绍秩汽车制动性能检测系统的研究与开发J仪表技术，2004，6.1620 8 周立功ARM 嵌入式基础教程M北京：北京航空航天大学出版社，2005 致 谢经过二个星期夜以继日的工作终于完成ARM系统在汽车制动性能测试系统中的应用 的设计，虽然此次设计还存在着很多的不足，但是在这一个星期的时间里我学会了很多东西，这不仅仅局限于对专业知识的学习，更多的是让我学会如何做人，如何感恩。首先我要感谢生我养我的父母，是他们赋予了我生命，二十多年来给予了我无微不至的照顾，才使我有机会跨入大学的门槛，学习更多的人文科学知识。因为有了父母的支持我才得以安心的学习。其次我要感谢湖南文理学院、电气与信息工程学院。学校及学院提供了良好的学习环境，让我们在这炎炎的夏日里可以在空调室里安心，舒适的学习。接着我要感谢我的指导老师王丽娟老师。为了这次课程设计能够顺利完成王老师牺牲自己休息时间对我们进行指导，教我们如何写文档，如何画图。在我们工作期间还不时来看望我们，亲手教我如何画图，所以真心感谢我的指导老师王丽娟老师。最后我要感谢我的同学。感谢不厌其烦教我如何仿真，帮我装软件的贺钦同学，感谢我的室友张彤和郑欣欣同学教我文档的格式及如何画Protel图。在这二个星期里让我感受到了完成一件事情的不容易，让我体会到了父母这么多年是多么的不易，也让我更加珍惜大学的时光，多多吸取养分，将来回报父母，感恩帮助过我的人，感恩社会。附录A附录Blong UARTEnable (long I Port，long I DataRate，long I DataBits，long I StopBits，long I Parity，long I EvenParity) unsigned rhar·puePtr=(unsigned char·)HwBaseAddress：/硬件的基地址long I Rates12=，76800，57600，38400，28800，19200，14400，9600，4800，2400，1200，110： /串口波特率 long I Divisorx12=1，2，3，5，7，11，15，23，47，95，191，2094；long I Idx，I Config：for(I Idx=0；I Idx<12；I Idx+)If( I RatesI Idx=I DataRate )Break；if(I Idx=12)return(0)；I Config=I DivisorsI Idx；switch(I DataBits) /设置有效的数据位宽度case5：I Config=HwUartControlDataLength5;break;case6:Default: return(0);if(I StopBits=2) /设置停止位个数I Config=HwUartControlTow StopBits;else if(I StopBits!=1)return(0);if(I Parity) /设置奇偶位效验I Config=HwUartControl ParityEnable;