汽车换挡智能决策辅助系统的设计

装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸目录第1章 绪论11.1课题的研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 文章总体结构2第2章 系统整体设计方案42.1 总体设计方案42.2 系统主要模块的选择52.2.1 控制模块的选择52.2.2 稳压芯片的选择62.2.3 语音模块的选择62.2.4 存储模块的选择72.2.5 CAN总线收发器的选择8第3章 系统硬件设计93.1 系统控制模块93.1.1 S9S08DZ60MLH引脚93.1.2 工作原理113.1.3 控制模块电路123.2 稳压电源模块133.3 实时时钟电路133.4 存储模块143.4.1 AT93C46-2.7简介143.4.2 AT93C46-2.7存储电路153.5 CAN总线收发器163.6 语音模块173.6.1 WT588D简介183.6.2 WT588D-20SS电路简介193.6.3 WT588D-20SS应用注意事项203.6.4 PAM8032A简介223.7 外设模块223.7.1 按键模块223.7.2 指示灯模块233.7.3 数码管模块23第4章 系统软件设计244.1 OBD协议244.1.1 OBD协议简介244.1.2 OBD协议的特点244.1.3 OBD接口254.1.4 OBD能获取的数据254.2 系统各子程序设计264.2.1 系统主程序设计264.2.2 换挡决策子程序设计27第5章 总结29致谢30参考文献31II第1章 绪论1.1课题的研究背景及意义自从中国加入世贸组织以来，国外的汽车企业慢慢进入到中国市场，如今我国汽车企业的发展迅速突飞猛进。产生的问题也随之出现，汽车燃油是否具有经济性是汽车的重要性能。如何降低汽车燃油消耗成为了汽车制造者和使用者当前面临的重要研究课题。汽车行驶时所排出的有害物质含量常与发动机工作状态有关，当发动机在非稳态工况行驶时，它排出废气中的有害物质含量高。由于手动有级式机械变速的汽车的速比变化量由人工操作完成，所以导致发动机得转速变化比较大，进而使发动机处于非稳态工况。因此，导致汽车排放废气中有害物含量较高，环境污染很严重。此外，发动机在怠速和高速运行时，排放的废气中CO或CH化合物的浓度更高。智能变速器的应用，可使发动机经常处于经济转速区域内运转，也就是在较小污染排放的转速范围内工作，从而可以大大降低排气污染。因此，客观上现在急需一种能够自动辨别车速并能指导驾驶员快速换挡的智能装置，以提高驾驶员的驾驶水平，提高整车的燃油性能。为了节省燃料，减少废气的排放，提高汽车的经济性、环保性和汽车的舒适性，现如今许多公司企业和科研单位开始研制汽车的智能换挡问题。传统的汽车一直采用机械式变速器改变车辆行驶速度和驱动转矩，也就是用手操纵变速杆换挡变速。机械式变速器虽然能满足车辆行驶动力性和经济性的基本要求，并且结构简单、制造容易、价格低廉、重量轻，但是对驾驶员的技术有很高的要求，这样很容易引起驾驶员的紧张和劳累，还会增加驾驶员的劳动强度，因此车辆的智能变速就成为了汽车设计者追求的目标。随着智能变速器逐步的应用与发展，机械式变速器的优越性也就越来越明显：1、 智能变速器的使用消除了驾驶员在换挡技术上的差异性，因此降低了驾驶员的疲劳强度。这对由于工况复杂而产生频繁换挡的工程车辆来说具有现实的意义。2、提高了车辆行驶的燃油经济性，减少了环境污染。3、智能换挡的档位不仅可以快而且连续平稳，可以实现良好的传动比转换性能，提高了乘坐的舒适性。4、提高行车安全，更好的保障行人安全。1.2 国内外研究现状目前，车辆智能变速技术进入到了智能化时代，同时控制策略也在不断的发展。国外的液力机械传动车辆的换挡变速控制已经比较成熟，主要针对于换挡策略的开发和换挡品质的改善。新一代的人工智能汽车换挡变速器已经出现。德国宝马从1992年开始，便推出了四档和五档智能变速器的自适应控制系统，不仅能自动识别驾驶员类型、汽车行驶环境条件和具体的行驶状况，而且还能对换挡规律做出恰当的调整。该系统通过减少驾驶员的干预从而提高了操作舒适性，在运动行驶的模式下减少了换挡次数，在平稳行驶工况的情况下降低了汽油的损耗耗，进而提高了行驶的安全性。在尼桑的E4N71B智能变换器中，采用模糊推理对高速公路坡道进行识别和判断，同时采取禁止升档的措施消除了换挡的循环性。在三菱新型四档汽车智能变速器中，把输入的各种信息和驾驶员的选档等信息通过神经网络建立联系，利用神经网络学习的功能，使驾驶员能够按照自己的愿望进行升降挡。1940年，第一台串联式行星齿轮结构的液控汽车变速器诞生，应用在美国通用的奥兹莫比尔汽车上。80年代以后，高速发展的计算机技术、自动控制技术以及电子技术广泛应用于智能变速系统中，使汽车智能变速技术得到了快速的发展。我国智能变速器的研究始于五十年代，最早的是液力机械式智能变速器，安装于红旗CA770轿车，自从进入九十年代，我国的智能变速技术有了极大的发展。上海通用汽车公司在生产的“别克”轿车上安装了先进的电子控制智能变速箱-4T65-E，上海大众汽车公司生产的“帕克特”轿车以及一汽大众公司生产的“捷达王”都将汽车智能变速箱列选为必备装件。神龙汽车公司也在其“富康”1.6L的车型上也推出了汽车智能变速箱。然而对于广州本田的“雅阁”轿车，汽车智能变速箱已经成为了标准配置。但目前国产轿车所用的液力机械式自动变速箱几乎全部都为进口产品，即使是已经自行生产了4T65-E智能变速箱的上海通用汽车公司，其智能变速箱生产线以及主要的汽车零部件仍然依靠进口。因此，如何吸收和引进国外的先进技术并形成我们自己的技术，发展出适合中国汽车国情的智能变速箱，成为中国目前的首要发展问题。另外，智能变速箱的设计从机械、液压、电子到通讯等多门技术都具有非常高的研究价值。其中，汽车的换挡理论以及其控制方法则是智能变速箱电子控制系统的核心部分，具有非常高的研究价值。迄今为止，世界各大汽车公司都推出了各种各样的智能变速器，并且这几年来撞车率稳直线上升，目前采用智能变速器的高档轿车几乎达到了100%。1.3 文章总体结构本设计是根据发动机的工作特性以及汽车的换挡特性，利用单片机技术完成了汽车换挡智能决策辅助系统的设计，该系统利用OBD协议能够实时获得车辆的运行状态并帮助驾驶员正确地换挡，从而使车辆达到最佳的运行状态，更好地发挥汽车的经济性和动力性。论文安排内容如下：第1章：绪论。介绍了智能换挡的研究背景及意义、国内外发展现状，概述了系统的研究内容与目标。第2章：系统整体设计方案。对汽车换挡智能决策辅助系统相关理论基础及原理进行介绍。首先介绍了智能换档系统的基本原理及框图，接着介绍了智能换挡系统的主要组成部分及芯片的选取。通过芯片的选择和组成，从而实现了智能换挡的各项功能。第3章：系统硬件设计。分别阐述了系统各个模块的工作原理，在智能换挡系统中所实现的功能，包括主控模块、电源模块、存储模块、语音模块等。第4章：系统软件设计。包括系统整体的工作流程分析、各个组成模块的软件功能分析等。第5章：总结。对全文的总结以及对未来的展望。第2章 系统整体设计方案本设计是根据发动机的工作特性以及汽车的换挡特性，利用单片机技术完成了汽车换挡智能决策辅助系统的设计。该系统主要用于手动换挡汽车，利用OBD协议能够实时获得车辆的运行状态并帮助驾驶员正确地换挡，从而使车辆达到最佳的运行状态，更好地发挥汽车的经济性和动力性。并且增加了驾驶的安全系数，有助于养成驾驶员的良好驾驶习惯，同时能让发动机和低速箱降低油耗，一举多得。2.1 总体设计方案该智能换挡是通过CAN总线对汽车车速的各个参数进行采集，再将采集后的参数传输到单片机进行处理，实时采集的参数与存储在存储模块的数据进行对比，最后判断出当前汽车应该在的档位，通过语音模块播报出来，帮助驾驶员做出正确的换挡决策。智能换挡系统主要是由控制模块、电源模块、存储模块、CAN总线收发器、电压调节器、显示模块以及语音模块等组成。采用S9S08DZ60MLH芯片作为整个智能决策控制器的控制核心，对系统进行控制，CAN总线收发器采用TJA1050T，电压调节器采用MC7805BDTRKG和AS1117M3-3.3，存储器采用AT93C46-2.7对系统的初始化参数进行存储，语音芯片及语音信息存储模块分别采用WT588D和WQ25P16，并通过语音放大器PAM8032将语音播报出来。此外，系统还包括显示模块、按键、数码管、指示灯等外设。本设计的系统框图如图2.1所示。图2.1 汽车智能换挡总体结构图2.2 系统主要模块的选择2.2.1 控制模块的选择单片机是一种在线式的实时控制计算机，在线式就是指在现场控制，需要有很强的抗干扰能力以及较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用的PC）的区别。它具有基于复杂指令集（CISC）的单片机内核，虽然其速度不快，但是其端口结构为准双向并行口，并且可兼有外部并行总线，使它的扩展性能十分强大。S9S08DZ60MLH系列器件主要用于需要融合CAN网络和内嵌的EEPROM的应用中，它有助于帮助用户降低成本，不仅可以增强产品的性能而且还可以提高产品的质量。所以本设计智能决策控制器的控制核心采用的是S9S08DZ60MLH芯片。该芯片有60KB FLASH，4KB RAM，12bit AD。能够满足系统功能的需求，而且具有非法地址检测复位功能、非法操作码检测复位功能和FLASH块保护等功能，能保持高效率的数据输出和数据传递，将数据准确快速的传递到语音芯片中发挥提醒功能。S9S08DZ60MLH中和是MCU基本的电源管脚，该电源为所有I/O缓冲器电路和一个内部稳压器供电。内部稳压器为CPU和MCU的其他内部电路提供了经过稳压的低电压电源。通常，应用系统在电源管脚上需要安装两个独立的电容器。其中一个为大容量电解电容器(如10uF)的陶瓷旁路电容器来抑制高频噪音。S9S08DZ60MLH系列有两个管脚（32管脚封装除外），每个管脚都必须有一个旁路电容器以实现最有效的噪音抑制。和是MCU的模拟电源管脚。该管脚引用的电源为ADC模块供电。是一个专用管脚，带有内置的上拉器件。它有输入电压迟滞、大电流输出驱动器但没有输出斜率控制。BKGD/MS管脚在进行复位的过程中作为模式选择功能管脚。在复位信号上升沿后，该管脚用作后台调试管脚并且用于后台调试通信。和管脚分别是ADC模块的电压参考高端以及电压参考低端的输入管脚。S9S08DZ60MLH系列MCU最多可提供53个通用I/O管脚和一个专用输入管脚。这些管脚和片上外围设备（定时器、串行I/O、ADC、MSCAN等）共享。当通用输出配置一个端口引脚时，或者某外围设备使用该端口管脚作为输出时，通过软件可以在两个驱动强度中选择一种并同时启用或禁用斜率控制。当一个端口管脚被配置为通用输入或某外围设备使用该端口管脚作为输入时，软件可以选择一个上拉器件。复位完成后，所有这些管脚被立即配置为高阻抗通用输入（内部上拉器件被禁用）。所以本设计智能决策控制器的控制核心采用的是S9S08DZ60MLH芯片。2.2.2 稳压芯片的选择由于电路的芯片有不同的工作电压，为了保证各个芯片的正常工作，我们需要设计稳压电路，为电路提供稳定的直流电源，确保压力变送器以及各个器件可以正常准确的运行。稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式可以分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态可以分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型方式可以分为简单稳压电源和反馈性稳压电源等。交流发电机电压调节器按工作原理可以分为触点式电压调节器、集成电路调节器、晶体管调节器、电脑控制调节器等。其中安装在发动机的内部的是集成电路调节器，又可以称为内装式调节器。在本设计中，根据各个芯片的供电范围，我们选取3.3V作为该系统的供电电压，由于该压力变送器采用的是电池供电的方式，我们需要将5V电压变成3.3V电压。本系统电压调节器采用集成电路调节器MC7805BDTRKG和AS1117M3-3.3。MC7805BDTRKG和AS1117M3-3.3集成电路调节器具有晶体管调节器的所有优点，例如三极管开关频率高、不产生火花、调节精度高，并且具有重量轻、寿命长、体积小、可靠性高、电波干扰小等优点，另外其外形还十分小巧，由于装于发电机的内部，不仅减少了外接线，并且冷却效果得到了改善，现如今广泛应用于桑塔纳、奥迪等多种轿车的车型上。2.2.3 语音模块的选择 语音模块是智能决策系统重要组成， WT588D是一款功能强大可重复擦除烧写的语音单片机芯片，WT588D让语音芯片不再为控制方式而寻找合适的外围单片机电路，高度集成的单片机技术可以取代复杂的外围控制电路。配套WI-APP上位机操作软件可以任意更换WT588D语音单片机芯片的任何一种控制模式，只需要把信息下载到SPI-Flash上。软件操作方式不仅简洁易懂而且撮合了语音组合技术，大大减少了语音编辑的时间，同时语音芯片完全支持在线下载，即使是在WT588D通电的情况下，仍然可以通过下载器给关联的SPI-Flash 下载信息，只需要把WT588D语音芯片的电路复位一下，就可以更新到刚刚下载进来的控制模式。WT588D芯片的模块封装为16脚或者28脚的嵌入式形式，芯片封装为DIP18，SSOP20和LQFP32的形式。WT588D芯片的优点很多，根据外挂或者内置SPI-FLASH的不同，使其播放时长也不一样，支持2M-32M的SPI-FLASH内存，另外其内嵌DSP高速音频处理器，处理速度很快，内置13Bit/DA转换器以及12Bit/PWM输出，音质效果特别好，此外还支持DAC/PWM两种输出方式，支持加载MP3/WAV/WMA三种音频格式，可通过专业上位机操作软件，随意语音组合，可出入静音，插入的静音不占用内存的容量，一个已加载语音课重复调用到多个地址，并且WT588D芯片可通过专业的上位机操作软件，随意组合语音，并且可插入静音，插入的静音是不占用内存容量的，同时一个已加载语音还可以重复调用到多个地址，随意设定显示语音播放状态信号的BUSY输出方式，抗干扰性强，它可用于工业领域是一款具有单片机内核的语音芯片。功能多、应用范围广并且性能稳定是选取WT588D为语音芯片的最主要原因。WT588D可应用于各种模式，例如MP3控制模式、按键组合控制模式、按键控制模式、并口控制模式、三线串口控制模式、一线串口控制模式以及三线串口控制控制端口扩展输出模式。作为一款以语音为基础的芯片，同时对芯片的要求也是精益求精的，在完全支持6K-20K采样率的音频加载的情况下，芯片的独特别之处还在于可以将加载的音频音质几乎完全无损的展现出来。WT688D系列语音单片机通过配套软件WT588D的 Vioce Chip 从而可以轻而易举的做到语音组合播放，插入完美的陶冶静音。静音的时长控制的没有丝毫误差，并且可控制的语音地址位可以达到220个，每个地址位可组合语音为128段语音，WT588D系列语音单片机模块内置SPI-FLASH存储器，WT588D系列语音单片机芯片可根据实际用法外置SPI-FLASH内容可在线下载，这是一个非常重要的有优点，因此本设计中的语音控制器选取WT588D芯片。2.2.4 存储模块的选择本设计用于存储汽车车速的芯片为AT93C46-2.7芯片，AT93C46-2.7是一片串行数据存储器芯片，不论写入或读取数据，都采用串行传输的模式动作，虽然没有并列传输那么迅速，但是在传递远距离的数据，却可以大大减少对传输线的使用需求，同时也缩小了系统整体的面积。因此，非常使用于微控制器或者微处理器，AT93C46-2.7内部有一个指令缓存器用来储存传输进来的串行数据，再由指令译码控制逻辑与内部频率产生器，在指定的地址将数据做读取或写入的动作。并且在智能换挡系统正常工作的过程中，还会产生大量的数据，我们需要对这些经过主控模块处理后的数据进行及时的存储，同时也方便今后主控模块对这些数据的调取和分析。AT93C46-2.7不仅可以重复写入超过一百万次还可以记录64组16bit的数字、1024bit的串行数据存储器，这也是为何本系统选择AT93C46-2.7为存储点了的原因。2.2.5 CAN总线收发器的选择国内传统的工业测控系统通信方式一般都采用BITBUS和RS485的形式，但是他的缺点是特别多的，由于无法构成多主结构并且主节点任务繁忙导致一旦主节点出现故障就可能引起系统全面瘫痪并且使其数据不能马上上传，灵活性很差，不适于实时性较高的场合。因此本设计采用CAN总线收发器的形式，与传统通信方式，具有以下特点：1. 采用通讯数据块编码，不仅可实现多主工作方式，而且其数据收发方式灵活，可实现点对点，一点对多点及全局广播等多种传播方式；2. 采用非破坏性基于优化权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故障节点的判别及故障节点的自动脱离功能。使系统其他节点的通信不受影响，同时CAN具有出错帧自动重发功能，可靠性非常高；3. 信号传输用短帧结构（8字节），实时性好，受干扰的频率低，且具有极好的检错效果；4. 不关闭总线时即可任意挂接或者拆除节点，加强了系统的灵活性和可拓展性；5. 可采用统一的标准，使各设备之间具有很好的互操作性和互换性，系统的通用性能很好；6. 通讯介质采用双绞线，没有特殊要求，现场布线和安装十分简单，易于维护，经济性好。总之，CAN总线具有实时性强，可靠性高，结构简单，互操作性好，价格低廉等优点，克服了传统的工业总线的各种缺陷，因此本设计采取CAN总线收发器。本系统采用TJA1050T芯片，具有高速的数据传输速率，可根据报文的ID决定接受或屏蔽该报文，若发送的信息遭到破坏，还可自动重新发送。智能换挡系统中，CAN总线收发器用于汽车电控制系统，对于本系统的运行有着至关重要的影响。TJA1050T之间的接口可以采用协议控制器和物理总线，它主要用于高速汽车使用波特率的应用程序。它提供了总线传输能力差和差动接收器可以协议控制器的能力。另外采用NUP2105LT CAN总线保护器用以保护高速和容错CAN网中的收发器免收EMI和ESD的影响。对于一个12V的CAN系统，应该选择击穿电压大约是30V的输变电压抑制（TVS）器件。这样，就可以把瞬变电压钳制在安全的电平中，并且在TVS器件没有工作的时候又不会衰减原来的信号。击穿电压选为30V是考虑到12V电池会用24V电源充电。第3章 系统硬件设计智能换挡系统是根据发动机的工作特性及汽车的换挡特性，利用单片机技术设计了汽车换挡智能决策辅助系统，该系统能够根据实时获得的车辆运行状态情况从而帮助驾驶员正确地换挡，进而使车辆以最佳的工作状态运行，更好地发挥出汽车的经济性和动力性。智能换挡系统主要是由控制模块、电源模块、存储模块、CAN总线收发器、电压调节器、显示模块以及语音模块等组成。下面，就详细介绍各部分模块及功能。3.1 系统控制模块本设计通过软件来实现数据的读取和处理，所以对控制单元的处理速度要求较高，S9S08DZ60MLH系列器件主要用于需要融合CAN网络和内嵌的EEPROM的应用中，它有助于帮助用户降低成本，增强产品的性能并提高产品的质量。3.1.1 S9S08DZ60MLH引脚(1) 电源和是MCU基本的电源管脚，该电源为所有I/O缓冲器电路和一个内部稳压器供电。内部稳压器为CPU及MCU的其他内部电路提供经过稳压的低电压电源。通常，应用系统在电源管脚上需要安装两个独立的电容器。其中一个为大容量电解电容器(如10uF电容器)为整个系统提供大容量的电荷存储。并且应在离MCU电源管脚比较近的地方安装一个0.1uF的陶瓷旁路电容来抑制高频噪音。S9S08DZ60MLH系列有两个管脚（32管脚封装除外），并且每个管脚旁边都必须有一个旁路电容器来抑制噪音。和是MCU的模拟电源管脚。该管脚引用的电源为ADC模块供电。我们应在MCU电源管脚尽量近的地方安装一个0.1uF陶瓷旁路电容器来抑制高频噪音。(2) (复位)是一个专用管脚，带有内置的上拉器件。它有输入电压迟滞、大电流输出驱动器但没有输出斜率控制。由于存在内部加电复位电路和低压复位电路，因此在一般情况下可以不使用外部复位电路。该管脚通常连接到标准的6脚后台调式接头，来确保开发系统可以直接复位MCU系统。如果需要，我们可以增加简单开关（拉低复位管脚以强制进行复位）一直到地线，来实现手动外部复位。(3) 通用I/O和外围设备端口S9S08DZ60MLH系列MCU最多可提供53个通用I/O管脚和一个专用输入管脚。这些管脚和片上外围设备（定时器、串行I/O、ADC、MSCAN等）共享。当一个端口管脚被配置为通用输出时，或者某外围设备使用该端口管脚作为输出时，通过软件可以在两个驱动强度中选择一种并同时启用或禁用斜率控制。当一个端口管脚被配置为通用输入或某外围设备使用该端口管脚作为输入时，软件可以选择一个上拉器件。复位完成后，所有这些管脚被立即配置为高阻抗通用输入（内部上拉器件被禁用）。3.1.2 工作原理单片机的工作实质就是执行程序的过程，即逐条执行指令的过程。每执行一条指令都可分为3个阶段进行，即取指令、分析指令和执行指令。取指令取指令的任务是根据程序计数PC中的值，从程序存储器读出现行指令，送到指令存储器。分析指令分析指令的任务是将指令寄存器中的指令操作码取出后，存放到指令译码器进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。执行指令执行指令的任务是取出操作数，然后按照操作码的性质对操作数进行操作。3.1.3 控制模块电路S9S08DZ60MLH各个管脚配置如下图所示，系统采用3.3V电压供电。PTG2、PTG3与PTG4使用通用IO功能作为语音模块的输入串口。XTAL与EXTAL作为晶振电路的输入。引脚PTB0、PTB1、PTB2、PTB3、PTB4、PTB5、PTB6、PTB7使用通用IO功能作为数码管的控制端口。PTF6、PTF5、PTF4作为键控的输入端口。PTD0、PTD1、PTA2、PTC3作为指示灯的控制端口。和是MCU基本的电源管脚，该电源为所有I/O缓冲器电路和一个内部稳压器供电。PTE7和PTE6连接CAN总线收发器，将TTL电平转换为2.5V的CAN总线差分电平。引脚BKGD/MS连接芯片BDG，为本设计的下载口。PTE2、PTE3、PTE4和PTE5使用SPI功能连接系统的存储模块AT93C46-2.7，存储设定好的车速；具体电路图及接口如图3.1所示。图3.1 S9S08DZ60MLH芯片电路图及接3.2 稳压电源模块由于电路的芯片有不同的工作电压，为了保证各个芯片的正常工作，我们需要设计稳压电路，为电路提供稳定的直流电源，确保压力变送器以及各个器件可以正常准确的运行。电源模块在设计中为不同的模块提供不同的电压，集成电路调节器MC7805BDTRKG输出5V电平，与S9S08DZ60MLH芯片的和相连接，为控制模块提供5V电压；与共阳极数码管G1、DG2、G3相连接，为显示模块提供5V电压；与TJA1050T芯片的引脚RXD、TXD相连接，为CAN总线收发器提供5V电压；与WT588D-20SS中的、-SPK以及相连接，为语音控制器提供5V电压；与PAM8032芯片的引脚SD、相连接，为语音放大器提供5V电压，此外，还为时钟电路，键控等模块提供了5V的电压。在本设计中，根据各个芯片的供电范围，不仅需要5V供电电压，我们还选取3.3V作为该系统的供电电压，由于该压力变送器采用的是电池供电的方式，我们需要将5V电压变成3.3V电压。本系统电压调节器采用集成电路调节器AS1117M3-3.3，将5V电压转化为3.3V电压，其中为语音控制器WT588D-20SS芯片中的-SIM引脚，语音存储器WQ25P16提供3.3V电压。所以具体电路图设计如图3.2所示。图3.2 电源模块电路3.3 振荡器电路复位完成之后，MCU立即开始使用由MCG（多功能时钟生成器）模块提供的内部时钟。本MCU中的振荡器为皮尔斯振荡器，可以支持晶体和陶瓷振荡器。除了晶体和陶瓷振荡器外，我们还可以将一个外部振荡器连接到EXTAL输入管脚上。如图所示，必须采用低感电阻器，例如碳膜电阻器。而不能采用感应系数过高的线绕和金属薄膜电阻器。C1和C2必须使用专门为高频应用设计的陶瓷电容器。用来提供偏置路径用于在晶体启动过程中将 EXTAL输入保持在线性范围内。它的值不是在所有情况下都是如此关键的。本系统采用 的是10M的。过高的阻抗会对湿度太敏感，然而过低的阻抗会减少增益 （在一些极端情况下）从而导致无法正常启动。C1和C2采用的是25pF 的电容，并且必须满足匹配特定晶体或谐振器的要求。在选择 C1 和 C2 时必须考虑印刷电路板 （PCB）的电容和MCU管脚的电容。晶体生产商一般都规定了一个负载电容C1 和 C2（二者的尺寸通常是相同的）的系列组合。按照一次近似原则，晶体震荡器选择4MHz，具体电路图如图3.3所示。图3.3 振荡器电路3.4 存储模块由于智能换挡系统在正常工作中，需要存储车速标定值，需要选取外部存储器。3.4.1 AT93C46-2.7简介AT93C46-2.7是一片存储串行数据的存储器芯片，不论写入还是读取数据，都可以采用串行传输的模式动作，虽然没有比并列传输来的快速，但是在传递远距离的数据，却可以大量减少使用传输线的需求，也缩小了系统整体的占有面积。因此，非常适合用于微控制器或是微处理器，AT93C46-2.7内部有一个指令缓存器储存传输进来的串行数据，再由指令译码控制逻辑与内部频率产生器，在指定的地址将数据做读取或写入的动作。其引脚说明如表3.1所示。表3.1 AT93C46-2.7引脚功能PIN引脚说明PIN引脚说明1CS芯片选择5GND电源地线2SK串行数据频率输入端6NC未使用3DI串行数据输入端7DC未使用4DO串行数据输出端8VCC电源正电压AT93C46-2.7共有7个功能指令。具体如表3.2所示。表3.2 AT93C46-2.7功能指令表功能指令子程序名称注意事项读取数据（单一地址）READ_93C46需要指定地址，不用指定数据写入数据（单一地址）WRITE_93C46需要指定地址和要写入的数据抹除数据（单一地址）ERASE_93C46需要指定地址，不用指定数据抹除数据（所有地址）ERASE_ALL_93C46不需要指定地址，也不用指定数据抹除/写入资料致能ENABLE_93C46不需要指定地址，也不用指定数据抹除/写入资料除能DISABLE_93C46不需要指定地址，也不用指定数据全部写入零（所有地址）WRALL_93C46不需要指定地址，也不用指定数据3.4.2 AT93C46-2.7存储电路AT93C46-2.7可以重复写入超过一百万次、可以记录64组16bit的数字、1024bit的串行数据存储器，这也是为何本系统选择AT93C46-2.7为存储点了的原因。具体电路图如图3.4所示。图3.4 存储模块电路3.4.3 AT93C46-2.7程控方式AT93C46-2.7与S9S08DZ60MLH之间采用串行外围器件接口(SPI)通信，S9S08DZ60MLH内置SPI模块。串行外围器件接口(SPI)模块提供MCU和外围器件间的全双工、同步和串行通信。这些外围器件可以包括其他微控制器、模数控制器、移位寄存器、传感器和存储器等。SPI运行在主模式中最高可运行在总线时钟除以2的波特率上，在辅模式中最高可运行在总线时钟除以4的波特率上。S9S08DZ60MLH的MCU中的所有器件包含一个SPI模块，SPI模块的特性包括：主或辅模式运行；全双工或单线双向选项；可编程发送波特率；双缓冲发送和接收；串行时钟相位和极性选项；辅选择输出；可选择的MSB先或LSB先移位。显示主从安排中分别连接两个MCU的SPI模块。主器件发起了所有SPI数据传输。在传输过程中，主器件不仅将数据（在MOSI管脚上）从辅器件中移出来，而且又把数据从辅器件中传入（在MISO管脚上）。这个传输有效交换位于两个SPI系统的SPI移位寄存器中的数据。SPSCK信号是来自主器件的时钟输出和到辅器件的时钟输入。辅器件必须由辅选择输入（SS管脚）上的低电平进行选择。在该系统中，主器件把其SS管脚配置为可选的辅选择输出。SPI系统结构图如图3.5所示。图 3.5 SPI系统连接SPI系统最常见的使用包括连接简单移位寄存器，以增加输入或输出端口，或者连接小型外围器件，如串行A/D或D/A移位器。尽管图 13-2 显示了一个在两个MCU间交换数据的系统，但许多实际的系统的连接更简单，数据从主MCU单向传输到从MCU或者从从MCU单项传输到主MCU。3.5 CAN总线通信CAN总线即控制器局域网络，是现场总线之一，由德国Bosch公司为汽车的监测、控制系统而设计的总线式串行通讯网络，适合于工业过程控制设备和监控设备之间的互联。是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范不仅要求有高的位速率，高抗电磁的干扰性，而且能够检测出产生的任意错误。3.5.1 CAN总线控制器CAN总线控制器的基本特性如下1、标准和扩展数据帧，0-8字节数据长度，可达到1Mbps的可编程比特率，并且支持远程帧。2、5个具有FIFO存储机制的接收缓冲器。3、3个具有使用“本地优先”概念的内部优先顺序的发送缓冲器。4、灵活可掩码标识符滤波器支持2个全尺寸（32位）扩展标识符滤波器或4个16位滤波器或8个8位滤波器。5、集成低通滤波器的可编程唤醒功能。6、可编程环回模式支持自测操作。7、可编程监听模式用于CAN总线监控。8、可编程总线脱离恢复功能。3.5.2 CAN总线收发器本系统采用TJA1050T芯片，具有高速的数据传输速率，可根据报文的ID决定接受或屏蔽该报文，若发送的信息遭到破坏，还可自动重新发送。智能换挡系统中，CAN总线收发器用于汽车电控制系统。CAN总线收发器对于本系统的运行有着至关重要的影响。同时TJA1050T芯片可将2.5V电平转化为TTL电平。TJA1050T芯片中CANL和CANH与USB接口相连接，NUP2105LT1G为双向复合保护管，NUP2105LT CAN总线保护器用以保护高速和容错CAN网中的收发器免收EMI和ESD的影响。具体电路图如图3.6所示。图3.6 CAN总线收发器电路3.6 语音模块本系统最后通过语音模块将现在汽车应处于的档位播报出来，所以语音模块是智能决策系统重要组成，语音模块由语音控制器WT588D、语音存储器WQ25P16和语音放大器PAMS032构成。图3.7为WT588D语音芯片应用方框图。图3.7 WT588D语音芯片应用方框图3.6.1 WT588D-20SS电路设计 WT588D-20SS引脚分配图如图3.8所示。图3.8 WQ25P16引脚分配图WT588D-20SS简介以及其功能如下表3.3所示。表3.3 WT588D-20SS引脚功能封装引脚引脚标号简述功能描述1P13DOSPI-FLASH通讯数据输出脚2P14DISPI-FLASH通讯数据输入脚3P15CSSPI-FLASH通讯片选脚4P16CLKSPI-FLASH通讯时钟脚5VDD-SIMVDD-SIM串口电源管理脚6P00K1按键7P01K2/DATA按键/三线数据输入脚8P02K3/CS按键/三线片选输入脚9P03K4/CLK/DATA按键/三线时钟/一线数据输入脚10VDDVDD电源输入脚11P17BUSY语音播放忙信号输入脚12CVDDCVDDVDD电源调准脚13OSCIOSCIRC震荡输入脚14/RESET/RESET复位脚，低电平保持5ms有效15VSSVSS地线脚16PWM+/DACPWM+/DACPWM+/DAC音频输出脚17VDD-SPKVDD-SPK音频电源输入脚18PWM-PWM-PWM-音频输出脚19VSS-SPKVSS-SPK音频电源地线脚20NCNC空WT588D-20SS采用的是按键控制PWM输出应用电路。1、控制端端口定义：选取了控制端口P00、P01、P02、P03作为触发口，在编辑WT588D语音工程的同时，只需要把触发口的按键定义作为触发播发的触发方式，就可正常进行工作。2、BUSY输出：P17为BUSY忙信号的输出端，可从上位机软件端设置为播放状态同时其输出可以为高电平或是低电平。高电平时电压接近VDD供电电压。用于接发光二极管做放音状态指示或忙信号判断。3、供电电压：VDD=DC2.85.5V，VCC=DC2.83.6V。采用DC3.3V供电时，可以直接短接VDD跟VCC，采用DC5V供电时，VDD端接5V，VCC端需要从VDD端串接两个二极管提供工作电压。4、音频输出：PWM输出方式，可以直接接扬声器。在此种输出方式下，PWM+、PWM-都不可以短接到地或者接电阻电容到地。具体电路图如3-9所示。图3.9 WT588D-20SS按键控制PWM输出应用电路3.6.2 WT588D-20SS外扩存储模块设计图中WQ25P16为语音存储模块，事先将程序输入到WQ25P16芯片中，当选择完所处于的档位后，在WQ25P16芯片中将所对应的语句调用出来。WQ25P16串行外设接口(SPI)由四个引脚(串行时钟、片选、串行数据和串行数据输出)组成，支持高速串行数据，传输速度高达50MHz，写保护引脚和可编程写保护功能提供进一步的控制灵活性。WQ25P16引脚分配图如图3.10所示。图3.10 WQ25P16引脚分配图WQ25P16简介以及其功能如下表3.4所示。表3.4 WQ25P16引脚功能封装引脚引脚标号I/O功能1/CSI片选输入2DOO数据输入3/WPI写保护输入4GND地面5DII数据输入6CLKI串行时钟输入7/HOLDI保持输入8VCC电源3.6.3 WT588D-20SS应用注意事项1、芯片及模块部分（1）在模块应用时，要确保模块上的VCC输入端电源电压（Flash存储器电压输入端）的范围在DC2.8V3.5V，可根据实际应用电路来确定是要用二极管降压还是使用稳压模块稳压给WT588D模块中的VCC端供电。当用DC3V给整个电路供电时，可以把WT588D模块上的VCC跟VDD直接连接到一块，同时接入到一个VCC电源电压。（2）WT588D芯片在应用时，必须将SIM线连接到SPI-FLASH存储器的VCC输入端。SIM为串口电压管理系统，能平衡WT588D跟SPI-FLASH存储器之间串口的电压，无需再在串口间串接电阻。（3）WT588D芯片或者模块，性能都相对比较稳定，如不是在环境很恶劣的条件下使用时，可以考虑不用RESET复位端。可以减少外围电路。（4）PWM输出时，PWM+/PWM-端引脚或者是电容都是不可以直接接到地的，电阻到地以及PWM+/PWM-两端直接短路。否则，会导致音质失真，甚至还会引起WT588D芯片或者模块烧坏。（5）如需外接功放对WT588D输出的音频进行放大，不可直接PWM输出，可选择DAC模式输出接功放。（6）震荡电阻及音频采样率的关系。在对音质质量要求不高的情况下，可采用较低的音频采样率，进而可以选用更小的SPI-FLASH存储器，降低生产成本。而在降低采样率的同时，软件都是通过降低音频的节奏来得到更低的采样率的，这样，当在播放低采样率音频时，如果选用标注的震荡电阻，则会出现播放音频出现节奏缓慢变慢的情况。因此为了能产生更好的节奏，可以根据音频的采样率来选用外部的震荡电阻。表3.5为音频采样率跟震荡电阻的关系。以下数据时以语速稳定为基本要求时测出来的。表3.5 音频采样率跟震荡电阻的关系序号采样率（HZ）震荡电阻（）16K275K28K275K310K280K412K285K514K290K616K290K718K300K820K300K922K300K对高频处理好的话，音质在20K时达到最好。音频从8K采样率时起，声音的表现很好。不建议采用6K跟22K采样率的音频。2、下载注意事项ISP在线下载时（WT588D在应用环境中直接下载内容），必须让WT588D停止工作，下载时可以把WT588D的RESER脚接地，或者接到WTU02的P17脚，这时WTU02的P17在下载数据时为低电平。平时情况下为高电平，从而起到在下载时对WT588D进行复位的作用。3.6.4 音频放大电路设计PAM8032A是2.5W的单声道音频放大器。它的低THD+N功能提供了高品质的声音再现。新的滤波器架构允许器件采用低通输出滤波器，从而节省了系统成本和PCB面积，以驱动扬声器。PAM8032A引脚功能如下表3.6所示。表3.6 PAM8032A引脚功能封装引脚引脚标号功能1SD低电平有效2NC无连接3IN+正电源输入4IN-负电源输入5VO+共阳极BTL输入6VDD电源输入脚7GND电源地线8VO-共阴极BTL输出具体电路图如图3.11所示。图3.11 PAM8032A音频放大器电路图3.7 外设模块3.7.1 指示灯模块系统除了设置按键电路来调整车速的设置外，还增加了指示灯电路。指示灯可指示现在所设置几档车速，为驾驶员设置车速提供了便捷，避免了设置时发生的错误。系统设置了四个指示灯，分别代表1档、2档、3档、4档。给驾驶员直观的视觉体验。具体电路图如3-12所示。图3.12指示灯模块电路图3.7.2数码管模块数码管是一种半导体发光器件，基本单元为发光二极管。数码管是一类显示屏，通过对其不同的管脚输入相对的电路，会使其发亮，从而显示出用数字表示的各个参数。按单元连接方式可以将发光二极管分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。共阳数码管在使用时应将公共极COM接到+5V，当某一段发光二极管的阴极为低电平时，相应的字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。本设计使用的数码管是共阳极的，即低电平时导通。具体电路图如图3.13所示。图3.13 数码管模块3.7.3 按键模块本系统选用三个按键来实现档位的设置和调整。选择KEY1作为十位的调整，KEY2、KEY3作为个位的加和减。通过按键来调整最初系统所设定的具体车速对应的具体档位。不同情况下可对应不同的设置。在该设计中，该按键模块连接在主控模块上，具体电路图如图3.14。图3.14 按键电路第4章 系统软件设计本设计是根据发动机的工作特性及汽车的换挡特性，利用单片机技术设计了汽车换挡智能决策辅助系统，该系统能够获得的车辆当前的运行状态进而帮助驾驶员正确地换挡，从而使车辆以达到最佳的运行状态，更好地发挥汽车的经济性和动力性，在判断汽车应处于的档位之前，先要判断出当前汽车的各项指标，其中包括车速、各种温度、轮速、发动机扭矩、油门、制动踏板、排挡杆位置、空调等各种设备是否工作、故障信息等非常多。本设计对于汽车数据的采集，采用的是OBD协议。4.1 OBD协议4.1.1 OBD协议简介OBD是英文On-Board Diagnostics的缩写，中文翻译为“车载自动诊断系统”。这个系统会从发动机的运行状况监控汽车是否尾气超标，一旦发现超标，会马上发出警示。当系统出现故障时，故障（MIL）灯或检查发动机（Check Engine）还会警告灯亮，同时动力总成控制模块（PCM）将故障信息存入存储器，通过一定的程序可以将故障码从PCM中读出。根据故障码的提示，维修人员能迅速准确的确定故障的性质和部位。本系统所判断出车速就是使用的OBD协议。OBD起源于1982年。当时美国加州大气资源局（ARB）开始制定一项法规，要求自1988年开始所有在加州出售的车辆都必须装备车载诊断系统，用以控制排放系统。车载诊断系统还可以监测氧传感器、EGR系统、燃油供给系统和发动机控制模块。智能换挡系统正是用到OBD协议中的发动机控制模块。4.1.2 OBD协议的特点（1）氧传感器一般情况下是加热型氧传感器。催化转换器的下流为附加的氧传感器。上下流的氧传感器组合起来整体对催化转换器的净化率进行监控，同时还对燃油控制进行补偿。（2）具有32位处理器的强功能的传动系控制模块PCM，应OBD的需要，增加了15万个新的标定常数。（3）带有EEPROM的PCM，使软件可重新进行编程，通过终端接口及外部计算机可对其重新写入新版的软件。（4）燃油蒸发污染控制系统，常有用于清洁目的诊断开关或增强的燃油蒸发（EVAP）系统，带有一个排气电磁阀，一个燃油箱压力传感器和一个诊断测试装置。（5）MAP传感器和MAF传感器同时配合使用，可以更精准的监测发动机负载以及空气流量。4.1.3 O