（机械电子工程专业论文）基于dsp的四轮转向控制器应用研究.pdf

长安大学硕士学位论文 摘要 四轮转向技术作为改善车辆操纵及稳定性的主要手段之一，它直接影响着转 向的准确性和精度。本文针对国内现有四轮转向控制器存在的问题，选择功能强 大的图形液晶显示器作为四轮转向控制器的显示器，经软件及硬件设计该显示器 能够实时显示四轮转向系统的故障、工作模式及方向盘转角等信息；基于c a n 总线实现了四轮转向控制器与主控制器间的数据通信，并将c a n 现场总线技术 应用于工程机械分布式控制系统中，经软件及硬件设计主控制器实现了对子控制 器的远程监控，在硬件上采用光电隔离电路，软件上采用定时测试的方法，确保 了通信过程中数据传输可靠；设计了故障自检及报警模块和数据存储器扩展模 块。采用d s p 作为核心器件来完成四轮转向控制器显示模块、通信模块、故障 报警模块及数据存储器扩展模块的硬件设计，利用c c 2 0 0 0 软件完成了控制器的 软件设计最后通过室内实验对控制器的功能及通信的稳定性进行检验。基于d s p 的四轮转向控制器应用研究，为进一步开发工程机城分布式控制系统奠定了基 础。 关键词：四轮转向控制器d s pc a n 总线工程机械分布式控制系统 液晶显示器( l c d ) 长安大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h em a i nm e t h o d so fi m p r o v i n gt h ec o n t r o l l i n gs t a b i l i t y , t h et e c h n o l o g y o ff o u r - w h e e l s t e e r i n g ( f w s ) h a sd i r e c t l ya f f e c t e dt h ev e r a c i t ya n dp r e c i s i o no f s t e e r i n g a i m i n ga tt h eo p e nq u e s t i o n so ff w sc o n t r o l l e r , t h et h e s i ss e l e c t sl c d w i t h p o w e r f u lf u n c t i o n sa sd i s p l a yo ff w sc o n t r o l l e r b yt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n ，t h ei n f o r m a t i o ns h o w no nt h ed i s p l a yi n c l u d e sm a l f u n c t i o n 、w o r km o d u l e 、 o u t e rc o m e ro fs t e e r i n gw h e e la n ds oo n b a s i n go i lc a nb u s d a t ac o m m u n i c a t i o n b e t w e e nf w sc o n t r o l l e ra n dm a i nc o n t r o l l e ri sa c c o m p l i s h e d ，c a nb u st e c h n i q u e h a s a p p l i c a t i o n s i nd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e mo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , m a i n c o n t r o l l e rc a ns c o u ta n dc o n t r o lo t h e rc o n t r o l l e r si nl o n gd i s t a n c eb yt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n r a ya n de l e c t r i c i t yi s o l a t i o nc i r c u i ti sa d o p t e di nh a r d w a r ea n d f i x e dt i m et e s ti s a d o p t e d i ns o f t w a r e ，c o m m u n i c a t i o nc a nb ed o n ec r e d i b i l i t y m a l f u n c t i o ns e l f - t e s tm o d u l ea n dd a t am e m o r ye x p a n s i o nm o d u l ea r cd e s i g n e d t h e p a p e r a c c o m p l i s h e st h eh a r d w a r ed e s i g nu t i l i z i n gd s p 硒c o r eu n i ta n ds o f t w a r e d e s i g nu t i l i z i n gc c 2 0 0 0s o f t w a r e a tl a s tt h ef u n c t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns t a b i l i t yo f c o n t r o l l e ra r ei n s p e c t e dt h r o u g hi n d o o rt e s t t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o n ss t u d i e so ff w s c o n t r o l l e rb a s e do nd s f , l a yt h ef o u n d a t i o n o fd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m o f c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ys t u d y k e y w o r d s ：f o u r - w h e e l s t e e r i n gc o n t r o l l e r ；d s p ；c a nb u s ；c c 2 0 0 0 d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) 2 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外四轮转向控制器的研究及发展现状 四轮转向系统按照其结构可以分为：机械式、液压式、电动式和复合式。而 目前所研究的四轮转向控制器有以下几种。 l 、前后轮转向比四轮转向系统 1 9 8 5 年s a n o 等用线性模型来研究四轮转向系统。他们定义k 为前后轮转向 角度之比。k 0 ，则前后轮偏转方向相同。他们认为通过k 值的选择应使稳态转 向时侧偏角为零。在低速时应k ( 0 ，这样可以减小转弯半径，提高车辆的转弯灵 活性；高速时应k 0 。 2 、后轮转向比是前轮转向函数的四轮转向系统 。这是一种结构简单而且效果良好的系统。该系统同时具有同相位及反相位 转向功能。其前后轮转角关系如图1 1 所示：这种四轮转向系统在极限工况下一 一高速且前轮转角较大时，后轮转角和前 三 轮转角方向相反一一将导致操作稳定性 薹 极度恶化。而且，当前轮转角较小时前后 轮转向比较大，车辆的操作稳定性受到很 大的影响。鉴于这一缺点，该系统没有得 到广泛应用。 慧# ，f r ， 图1 1 前后轮转角关系 3 、前后轮转向比是车速函数的四轮转向系统 这是s h i b a h a t a 等设计了一套实用的四轮转向系统。该系统采用微机控制， 前后轮转向比为车速和前轮转角的函数。其计算前后轮转向比的出发点是为了使 车辆稳态转向时的侧偏角为零。 同样，t a k i g u c h 等也设计了一套类似的四轮转向系统，前后轮转向比也是 车速和前轮转角的函数。其设计的出发点是使侧向加速度相位滞后与横摆角速度 相位滞后相等。实验表明，通过这种方法选择的k 值能够基本在所有的车速范围 内，改善车辆的转向响应。 4 、一阶滞后的四轮转向系统 这是f u k a n a g a 等在实验的基础上设计出的四轮转向系统。前几种4 w s 系统 可以有效地改善车辆转向的稳态特性，但却使横摆角速度和侧向角速度达到稳态 长安大学硕士学位论文 值的时间育所延长。这种系统设计的出发点是为了既改善车辆的稳态特性，又不 以牺牲瞬态时间响应为代价。当车辆高速转向时，后轮比前轮在转向时要延迟一 定的时间，当横摆角速度或者侧向加速度达到稳态值，后轮才开始转动。后轮转 动时车辆的稳态侧偏角减小，并对其超调量等瞬态特性也有一定的改进。前面提 到的h i c a s 四轮转向系统就属于这种系统。 5 、具有反向特性的四轮转向系统 n i s s a n 公司的t a k a a k ie g u c h i 等在设计超h i c a s 系统时对具有反向特性四 轮转向系统进行了研究，其设计的着眼点在于同时改善车辆转向的稳态特性及瞬 态特性。当车辆在高速转向时，后轮先向与前轮转向方向相反的方向转动，这样 横摆角速度和侧向加速度动态响应加快，二者很快达到稳态值，这样两轮再向相 反的方向转动，以改善车辆的稳态响应特性和方向特性。 6 、具有最优控制特性的四轮转向系统 上述5 种控制方法明显的缺点在于当附加了后轮转角之后，车辆本身的横摆 角速度稳态增益和侧向加速度增益，随车速和前轮转角发生了较大幅度的变化 ( 前后轮转向同相时，横摆角速度稳态增益和侧向加速度稳态增益减小，前后轮 转向角反向时，横摆角速度稳态增益和侧向加速度稳态增益增大) ，这就增加了 操作的难度，同时在高速的时候增加了驾驶员的疲劳强度。 其中最为典型的是y a s u j is h i b a h a t a 等研究的具有最优控制特性的四轮转 向系统，其原理图如图l 2 所示： 图i 一2 具有最优控制特性的四轮转向控制系统原弹图 该系统采用最优控制原则对前后轮进行控制，其目标函数为车辆转向的理想 状态，即横摆角速度的稳态增益和侧向加速度的稳态增益与传统的前轮转向相 同，也就是要保持驾驶员的驾驶感觉不发生较大的变化。同时使横摆角速度和侧 向加速度的相位滞后为零，且使二者的幅频特性在相当大的范围内保持恒定。但 这种控制方法使车辆的转向特性随着车速的变化而发生较明显的变化，这就使该 系统的应用形成一定的困难。 7 长安大学硕士学位论文 前面的几种控制方法，都是采用古典控制理论，其局限性在于这些系统不能 较好的适应车辆本身特性的非线性或者随机性变化，不能适应车辆一道路系统特 性的线性或者随机性变化。而把四轮转向系统应用到工程机械领域，既要考虑到 转向车辆本身的特殊性，又要考虑到工程机械作业环境以及作业功能的特殊性， 要在这样的条件下实现更为有效的控制，控制器应具有自学习、自适应能力，即 随着被控对象的变化而改变控制器的结构和参数，改变控制规律，改变控制算法， 这样一个四轮转向控制器才能满足各方面的要求。 1 2 本课题研究基础 1 2 1 四轮转向控制器主处理器的确定 纵观工程机械的发展，在技术上大致经历了三次革命：柴油机的出现、液压 技术的广泛应用以及电子技术，尤其是计算机技术的广泛应用。要使工程机械高 效节能，就要对发动机和传动系统进行控制，合理分配功率，使其处于最佳工况； 为了减轻驾驶员劳动强度和改善操纵性能，需要采用自动控制，实现工程机械自 动化；要完成高技能的作业，就需要智能化；为了提高安全性，需要安全控制， 进行运行状态监视，故障自动报警：随着建设领域的扩展，为了避免人员到达无 法及不易接近的场所及作业环境十分恶劣的地方去作业，需要采用远距离遥控和 无人驾驶技术。这一切都说明了工程机械当前的主要问题是控制问题。要解决控 制问题，必须引入具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术、传感器技术和 电液控制技术以及相应的软件控制技术为一体的先进的控制器。 基于四轮转向的发展方向，目前国内外的公司对于四轮转向机构的控制主要 采用的是数字控制，这是鉴于数字控制的很多优点：程序化控制，控制器按照所 设计的控制规律进行运算和数字信息的处理，主要通过程序( 即软件) 来实现， 若改变控制规律只需改变软件，而不必改变系统的硬件结构：控制精度高，在模 拟控制系统中，控制器的精度由元件的精度而定，数字控制器精度由字长决定； 稳定性好；软件复用，在模拟系统中，需用相同的硬件环境实现，数字控制器是 程序控制，只需要设计和编写实现其模型的子程序模块，即可方便地实现多个功 能的环节。 目前各个厂家大多采用的是p l c 、单片机应用于四轮转向控制器中，功能基 本能够实现，相比较之下，信号处理能力较强的数字信号处理器( d s p ) 各方面 均性能优于以上三种处理器。d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是新世纪数字 长安大学硕士学位论文 化革命的核心。它是一种独特的微处理器，具有可编程性，且实时运行速度远远 超过通用微处理器。强大的数据处理能力和高速的运行速度，是d s p 最值得称道 的两大特色。d s p 芯片是一种特别适合进行数字信号处理的微处理器。它强调运 算处理的实时性，因此除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外， 主要针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和数据流程上做了很大的 改动。它具有灵活、精确、可靠性好、体积小、功耗低和易于大规模集成等优点。 本课题研究的四轮转向控制器采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为主处理器。该芯 片是t i 公司用于数字电机控制和嵌入式应用的新一代1 6 位、定点、低功耗d s p 。 其具有如下结构特点： 1 、哈佛总线结构，程序与数据存储空间分开，具有独立的地址总线和数据 总线，取指和读数可以同时进行，3 0 m i p s 的执行速度使指令周期缩短到3 3 n s ， 从而提高了控制器的实时控制能力。 2 、采用高性能静态c m o s 技术，供电电压降为3 3 v ，减小了功耗。 3 、片内有3 2 k 的f l a s h 程序存储器，高选1 5 k 字韵数据程序r 心，5 4 4 字 的双口r 啪( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ，可扩展的外部存储器总共1 9 2 k ： 6 4 k 字程序存储器；6 4 k 字数据存储器；6 4 k 字i o 寻址空问。 4 、两个事件管理模块e v a 和e v 8 ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个 1 6 位的p w m 通道；三个捕获单元；片内光电编码器接口电路；1 6 通道的1 0 位 a d 转换器，最小转换时倔为5 0 0 n s 。 5 、控制局域网络( c a n ) 2 o b 模块；串行通信接口( s c i ) 模块；1 6 位的串 行外设( s p i ) 接口模块。 6 、高达4 0 个可单独编程或者复用的通用输入输出引脚( g p i o ) o 7 、看门狗定时器模块( w d t ) 。 8 、5 个外部中断( 电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 9 、电源管理包括3 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式。 l o 、基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器，通过倍频或分频技术的应用，给控 制器各个模块提供不同频率的时钟，保证系统的协调工作。 1 2 ：2 四轮转向控制器已实现的基本功能 在进行此课题研究之前，基于d s p 的四轮转向控制器己具备以下基本功能： l 、具备三种工作模式：前轮转向、全轮转向和斜行转向，能够进行模式切 换，并能保证模式切换时过渡平稳。 9 k 安大学碗士学位论文 化革命的核心。它是一种独特的微处理器，具有可编程性，且实时运行速度远远 超过通用微处理器。强人的数据处理能力和高速的运行速度，是d s p 最值得称道 的两大特色。d s p 芯片是一种特别适台进行数字信号处理的微处理器。它强调运 算处理的实时性，因此除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外， 主要针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和数据流程上做了很大的 改动。它具有灵活、精确、町靠性好、体积小、功耗低和易于大规模集成等优点。 本课题研究的四轮转向控制器采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为主处理器。该薜 片是t i 公司用于数字电机控制和嵌入式应用的新一代1 6 位、定点、低功耗d s p 。 其具有如下结构特点： 1 、哈佛总线结构，程序与数据存储空间分开，具有独立的地址总线和数据 总线，取指和读数可以同时进行，3 0 m i p s 的执行速度使指令周期缩短到3 3 n s ， 从而提高了控制器的实时控制能力。 2 、采用高性能静态c m o s 技术，供电电压降为3 3 v ，减小了功耗。 3 、片内有3 2 k 的f l a s h 程序存储器，高达i 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字 的双口r _ a m ( d a r 枷) 和2 k 字的单口r 枷( s a r a m ) ，可扩展的外部存储器总共1 9 2 k ： 6 4 k 字程序存储器 6 4 k 字数据存储嚣；6 4 k 字i 0 寻址空间。 4 、两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个 1 6 位的p 删通道；三个捕获单元；片内光电编码器接口电路；1 6 通道的1 0 位 a d 转换器，最小转换时问为5 0 0 n s 。 5 、控制局域网络( c a n ) 2 0 b 模块：串行通信接口( s c i ) 模块；1 6 位的串 行外设( s p i ) 接口模块。 6 、高达4 0 个可单独编程或者复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。 7 、看门狗定时器模块( w d t ) 。 8 、5 个外部中断( 电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 9 、电源管理包括3 种低功耗模式，并且麓独立将外设器件转入低功耗模式。 1 0 、基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器，通过倍频或分频技术的应用，给控 制器各个模块提供不同频率的时钟，保证系统的协调工作。 1 2 ：2 四轮转向控制器已实现的基本功能 。 在进行此课题研究之前，基于d s p 的四轮转向控制器己具备以f 基本功能： l 、具备三种工作模式：前轮转向、全轮转向和斜行转向，能够进行模式切 换，并能保证模式切换时过渡平稳。 换，并能保证模式切换刚过渡甲稳。 长安大学硕士学位论文 2 、具有开机自检功能，当有不合系统要求的情况发生时，能够检查出错误 的位置所在，并将相应的错误代码显示出来，以便操作人员及时检查并排除错误。 3 、具有紧急制动功能，即当有错误发生时，如转角超出最大转角范围，或 者超出所要求的转角，能够紧急制动进行错误检查和排除操作。 4 、在转向过程中进行模式切换时，系统具有回正功能。也就是说，从一个 模式切换到另外一个模式的过程中，系统应该从初始转向状态回正到直线行驶的 状态，经过回正过程后各个车轮应该处在零转角的位置，方向盘应该处于中位， 然后才能进行另外一种模式下的转向操作。 1 2 3 国内现有四轮转向控制器存在的问题 目前，基于d s p 的四轮转向控制器仅实现了如上所述的几种基本功能，而这 些基本控制功能的实现远远满足不了实际工程的需要。国内现有四轮转向控制器 存在的问题主要有： 1 、仅采用数码管对系统的部分故障进行在线显示，且l e d 显示器的8 段数 码只能显示故障代码；没有故障自动报警装置，这将导致一旦有故障发生不能及 时通知工作人员，系统的安全性得不到保障； 2 、四轮转向控制器不能对系统进行运行状态监视，系统的转向模式、方向 盘转角等主要参数无从知晓，给人员操纵带来了不便。 3 、为了避免人员到达作业环境十分恶劣的地方去作业，须采用遥控技术， 而国内现有的四轮转向控制器不能与主控制器间进行远距离数据通信( 通信距离 1 0 k r a ) ，导致主控制器无法远程监控四轮转向控制器。 1 3 课题提出的背景及目的 自2 0 世纪3 0 年代，第一个四轮转向专利在日本被批准后，四轮转向技术就 引起了研究人员的关注。起初人们关心的是四轮转向对车辆灵活性的改善作用， 在原有车辆基础上加装四轮转向系统可以使车辆的转弯半径很小。随着车辆动态 稳定性技术和底盘技术的发展，研究人员逐步发现，四轮转向技术对车辆的动态 稳定性具有明显的改善作用，于是四轮转向作为一种新型的主动安全技术进入了 实用化阶段。 四轮转向的主要优点是：高速时采用同相位转向能够改善车辆的操作稳定 性；低速时采用逆相位转向能够减小车辆的转弯半径，使车辆行驶更加灵活。于 是从日本政府颁发的第一个关于四轮转向的专利证书，到上个世纪七十年代末， 1 0 长安大学硕士学位论文 四轮转向技术开始受到重视，八十年代中后期，四轮转向技术已经取得了可喜的 成绩。1 9 8 5 年日本汽车公司推出了世界上第一套用于轿车的四轮转向系统，并 把它命名为“高性能主动悬挂( h i g hc a p a c i t ya c t i v i t y c o n t r o l l e d s u s p e n s i o n ) ，简称h i c a s 。进入上世纪九十年代，随着电子工业的发展，使得 电子技术广泛应用于提高车辆的总体性能上，尤其是改善车辆操纵稳定性方面， 加上现代控制理论的融入，计算机仿真技术在车辆操纵稳定性分析领域的应用， 使得四轮转向技术更加成熟。到目前为止，四轮转向技术已经成为改善操纵技术 稳定性的主要手段之一。 目前，四轮转向技术已经广泛应用于工程机械车辆。由于工程机械车辆工作 场地狭窄，要求转弯半径小，机动灵活，而且工程机械车辆上大多采用的是液压 控制系统，这样使得控制变得方便、安全、转向性能稳定。从目前现状看来，进 口的工程机械采用四轮转向技术屡见不鲜，可是国内对这一技术的研究几乎还处 于空白。基于对工程机械转向系统的基本要求，同时兼顾经济性和实用性的要求， 设计并研究殴轮转向控制器有着极其现实的意义。 本课题是在四轮转向控制器已实现基本控制功能基础之上进行研究，使四轮 转向控制器具备在线监视及远程通信功能。具体应实现的功能如下： 1 、为提高四轮转向系统的安全性，四轮转向控制器必须能够进行运行状态 监视，故障自动报警，以便工作人员及时地调整参数及排除故障。 2 、具备良好的人机交互界面，该控制器能将四轮转向系统的相关信息以图 形、汉字、曲线等多种形式直观集中地显示出来，达到系统工作状态、主要参数 和故障信息的实时显示。 3 、四轮转向控制器能够与主控制器间进行实时的数据通信，主控制器按照 内置程序将相互独立的各子系统有机的结合起来进行综合控制，可达到系统之间 的协调和优化，从而实现远程监视和远程控制。 要使四轮转向控制器实现上述扩展功能，则必须对该控制器的显示模块及通 信模块进行深入地分析和研究，而这正是本文研究的核心内容。 1 4 本课题研究的主要内容 为实现四轮转向控制器的扩展功能，本课题主要做了以下几项工作： 1 、收集整理与国内外四轮转向控制研究现状相关资料，明确课题研究方向； 2 、选择适合长期在恶劣环境下可正常可靠她工作的显示器，将有关四轮转 睦安大学碗十学位论文 向系统的重要信息直观形象地显示出来，实现系统状态在线监视和故障报警； 3 、收集和整理c a n 总线技术相关资料，论证在四轮转向控制器中使用c a n 总线实现其数字信息传输和处理的可行性和优越性，并研究了基于c a n 总线的工 程机械分布式控制系统； 4 、完成四轮转向控制器显示模块及通信模块的硬件设计； 5 、完成四轮转向控制器显示模块及通信模块的软件设计； 6 、进行相关的仿真及实验研究，证实该控制器的优越性和可推广性。 7 、最后在总结本课题研究结果的基础上，提出了进步完善的设想。 1 2 长安大学硕士学位论文 第二章四轮转向控制器显示的研究 为了简化操作，人机合一，四轮转向控制器应具备良好的人机界面和交互方 式。近年来，现代科学技术的发展日新月异，方便实用性已成为现代人生活和工 作更为关注的话题。与此同时，电子产品越来越向智能化、小型化、人性化、低 功耗等方面发展。而平板型显示器的兴起，为上述要求的实现提供了可能。显示 器总体上是向大信息量、平板化、彩色化、低压、微功耗，实时显示化方向发展。 但是，显示器种类繁多，各具特色，所以他们各自的发展目标不同，各自有其不 同的用途、领域。在当前的平板型显示设备中主要有l c d ( 液晶显示) 和l e d ( 发 光二极管显示) 两种，l e d 由发光二极管基本单元组成，只能显示数字、字母和 符号；而l c d 可以显示较为复杂的匿形，如今液晶显示器正以其显示直观、便于 操作、价格低的特点逐渐被许多厂商用作其设备的显示器。 为直观形象地显示四轮转向系统转向过程中的各项参数、工作模式及故障信 息等，在本四轮转向控制器设计中选用液晶显示器作为控制器的显示模块。 2 1 液晶显示器简介 液晶显示器是现令最有发展前途，并已成熟的平板显示器。液晶显示( l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ) 器独具的低压、微功耗特性使它可以直接与大规模集成电路 组合开发出一系列具有便携显示功能的产品。未来液晶显示将会更加深入人类生 活的所有领域，满足人类的各种需要。目前，液晶显示器在工程机械中的应用也 越来越普遍，使人机之间更加亲和，更加和谐。 2 1 1 液晶显示器的优异特性 综合比较各类显示器，液晶显示器确实具有很多独到的优异特性： l 、低压、微功耗：极低的工作电压，只要2 v - r 3 v 即可工作，而工作电流仅 几个微安，这是其他任何显示器无法比拟的。只有低压、微功耗的显示器才可能 深入人间的每个角落，伴随人们生活和工作。在电压和功耗上，液晶显示正好与 大规模集成电路的发展相适应。从而使液晶与大规模集成电路结成了孪生兄弟。 2 、平板型结构：液晶显示器的基本结构是有两片玻璃基板制成的薄形盒。 这种结构最利于用作显示窗口，而且它可以在有限的面积上容纳最大量的显示内 容，显示内容的利用率最高。此外，这种结构不仅可以作得很小，如照相机上所 用的显示窗，而且可以作得很大，如大屏幕液晶电视及大型液晶广告牌。 长安大学硕士学位论文 目前已经开发出了用塑料基片制成的液品显示器。这种器件薄如纸，并可弯 曲，从而进一步的降低了使用空间。 3 、被动型显示：液晶显示器本身不能发光，它靠调制外界光达到显示目的。 即它不像主动型显示器那样靠发光刺激人眼实现显示，而是单纯依靠对外界光的 不同反射形成的不同对比度来达到显示的目的。所以我们称其为被动型显示。 虽然被动型的显示本身是不发光的，因此在黑暗出不能看清，但在自然界中， 人类所感知的视觉信息中，9 0 以上是靠外部物体的反射光，而并非靠物体本身 的发光。所以，被动显示更适合人眼视觉，更不易引起疲劳。这个优点在大信息 量、高密度、快速变换、长时间观察的显示时尤其重要。 此外，被动显示还不怕光冲刷。所谓光冲刷，是指当环境光较亮时，被显示 的信息被冲淡，从而显示不清晰。对于黑暗中不能观看的缺点，只要配上背光源， 就可以克服。 4 、显示信息量大：与c r t 相比，液晶显示器没有荫罩限制，因此像素点可 以作得更小、更精细；与等离子显示相比，液晶显示器像素点间距离可任意小。 因此，液晶显示在同样大小的显示窗面积内，可以容纳更多的像素，显示更多的 信息。这对于制作高清晰度电视、笔记本式电脑都非常有利。 5 、易于彩色化：液晶本身虽然一般是没有颜色的，但它实现彩色化却很容 易，方法很多。一般使用较多的是滤色法和干涉法。由于滤色法的成熟，使液晶 的彩色化具有更精确、更鲜艳、更没有色失真的彩色化效果。 6 、长寿命：液晶材料是有机高分子合成材料，具有极高的纯度，而且其他 材料也都是高纯物质，在极净化的条件下制造而成。液晶的驱动电压又很低，驱 动电流更是微乎其微，因此，这种器件的劣化几乎没有，寿命很长。从实际应用 考查，一般使用中，除撞击、破碎或配套件损坏外，液晶显示器自身的寿命终结 几乎没有。 7 、无辐射、无污染：液晶显示器在使用时不会产生像c r t 使用中产生的软 x 射线及电磁波辐射，这种辐射不仅污染环境还会产生信息泄漏。而液晶显示不 会产生这类问题。它对于人身安全和信息保密都是十分理想的。 2 1 2s e d l 3 3 5 液晶显示控制器性能特点 大多液晶显示模块都实现了标准化和模块化，一般采用的控制器有 s e d l 3 3 0 1 3 3 5 、t 6 9 6 3 c 、s t 7 9 2 0 、s e d l 5 2 0 、h d 6 1 2 0 2 等，其中s e d l 3 3 5 是日本 s e i k d e p s o n 公司出品的一款液晶显示控制器，它是同类产品中是功能最强大的， 1 4 长安大学硕士学位论文 其特点主要是： 1 、具有高性能的接口电路：s e d l 3 3 5 等的接口电路由接口控制电路，数据 输入缓冲器，数据输出锁存器，指令寄存器及译码器，忙状态触发器以及时序控 制电路组成。 d s p 或单片机可以随时访问s e d l 3 3 5 而不需要判别其当前的工作状态， s e d l 3 3 5 即时地把d s p 送来的指令代码和参数或显示数据到位，或把显示数据送 上系统的数据总线供d s p 读取。 s e d l 3 3 5 接口电路也提供了一个忙状态信号b f ，该标志向d s p 表示当前 s e d l 3 3 5 驱动扫描时序的工作状态，b f = o 表示扫描时序处于当前行的显示数据传 完到下一行显示数据传送开始的这一段时间：b f = i 则表示扫描时序处于一行显 示数据传输时间内。正因如此，s e d l 3 3 5 可以全速接应d s p 的访问从而满足了系 统的实时控制。 在接口的控制电路内有两套时序电路，由s e l l ，s e l 2 信号决定使用那种时 序。当s e l l ，s e l 2 为0 时使用i n t e l 8 0 8 0 时序，当s e l l ，s e l 2 为l 时使用m 6 8 0 0 时序。 2 、丰富的软件功能：与另一种比较流行的液晶控制器t 6 9 6 3 c 不同，s e d l 3 3 5 大部分的系统设置是靠软件完俄的，而不是像t 6 9 6 3 c 靠硬件设置完成，这就提 供了一定的灵活性。s e d l 3 3 5 - ：的软件功能非常强。一共有1 4 条指令且多数指令 都带有若干参数。参数值由使用者根据需要而设置。 d s p 访问s e d l 3 3 5 首先将指令代码写入指令缓冲器( a = 1 ) ，随后将该指令所 需的参数按顺序通过数据输入缓冲器( a = 0 ) 写入相应的功能寄存器内。s e d l 3 3 5 指令代码既有功能位设置的功能，又是参数寄存器的选通码。除了s l e e p i n 指令， c s r d i r 指令，c s r r 指令和m r e a d 指令外，所有的指令的执行都将在其参数的输 入完成后。一条新指令写完后，s e d l 3 3 5 将在旧指令参数组运行完成后更新指令 参数。指令参数可以不必一次都写入，d s p 可吐通过写入新指令代码结束最近写 入的指令设置。此时已写入的新参数将与余下的旧参数一起组合成新参数组。指 令参数虽可不必一次全部写入，但写入的顺序不能改变。 3 、四位数据并行发送，撮大驱动能力为6 4 0 * 2 5 6 点阵。 4 、具有休闲工作模式：s e b l 3 3 5 在该工作模式下，控制部将中止包括振荡 器在内的所有逻辑部件，此时s e d l 3 3 5 的功耗最低，仅为百十微瓦。 5 、具有较强的管理显示存储器的能力，图形和文本方式混合显示：s e d l 3 3 5 拥有一个内部字符发生器，具有1 6 0 种5 * 7 点阵字体的字符。能分区管理6 4 k 的 长安大学硕士学位论文 显示存储器，可以同时管理三个或四个显示区，并能同时管理自定义字符发生器。 显示区可根据其数据的性质可具有两种特性： ( 1 ) 文本显示特性：拥有该特性的显示区专用于文本显示使用。在该显示 区内的数据均被认为是字符代码。这个字符代码作为字符发生器地址的一部分实 现对字符发生器的寻址，已取得相应的字符字模数据，送至液晶显示驱动系统显 示。 ( 2 ) 图形显示区：拥有该特性的显示区专用于图形方式显示使用。在该显 示区内的数据均被认为是8 点位的显示数据，直接送入液晶显示驱动系统显示。 控制部能够同时管理三个或四个显示区。每个显示区都拥有自己的特性。 s e d l 3 3 5 以第一显示区和第二显示区为主显示区，第三显示区和第四显示区为辅 显示区。在控制单屏结构液晶显示驱动系统时，s e d l 3 3 5 等可以分别或同时使用 第一、第二和第三显示区。在控制双屏结构液晶显示驱动系统时，s e d l 3 3 5 等需 要组合使用第一、第二和第三显示区。s e d l 3 3 5 控制双屏的能力较差，所以内置 s e d l 3 3 5 控制器的液晶显示器大都为单屏结构。 这里所说的显示区的概念不是液晶显示屏上物理位置，而是表示在显示r a m 里占用的空间。三个显示区实际上对应的是同一个液晶屏上相同的物理位置，它 们是通过叠加显示于液晶屏上。三个显示区也叫做三个图形层。这样的三层图形 结构在实际中是很有用处的，可很直观的显示各种较为复杂的图形。比如第一层 可显示文字，第二层可以显示图形，第三层显示坐标，这样对一个图层的改动不 会影响其它图层。 6 、极强的作图功能：s e d l 3 3 5 控制器的c p s d i r 指令是用来规定光标地址指 针自动移动的方向。该指令有四个参数：4 c 4 d 4 e 4 f ，分别表示光标地址指针 修改的四个方向，这样就具有了根强的作图功能，这也是很多液晶控制器所没有 的。 2 1 3 液晶显示器的选择 在本四轮转向控南4 器设计中采用深圳松山( s u n s o n ) 电子有限公司生产的一 款内嵌s e d l 3 3 5 控制器的液晶显示器c a 3 2 0 2 4 0 b 。它由3 2 0 * 2 4 0 点阵构成，具有 高分辨率( 点型为0 3 3 m m * o 3 3 r a m ) 、接口方便( 5 v 或3 3 v ) 、设计简便( 内嵌 s e d l 3 3 5 控制器) 、高对比度f s t n 、高可靠性、功耗低( + 3 3 v 供电) 、价格便宜 等优点，常用于各种设备显示前端及大型机械显示模块中。基于3 2 0 * 2 4 0 点阵的 显示器具有多种扩展功能供用户选择，大大方便了用户，提高了系统的集成度与 乏安大学硕士学位论文 实用性。 2 2 四轮转向控制器系统监视 四轮转向控制器应能对四轮转向系统转向过程中的主要参数、运行状态及故 障进行实时监视，将各种信息以图形、汉字、曲线等方式显示于液晶显示屏上。 2 2 1 参数检测 四轮转向系统转向过程中，四轮转向控制器通过霍尔传感器检测方向盘转角 及四轮转角信息，检测到的5 路模拟信号经四轮转向控制器内置a d 转换器转换 为数字信号，经主处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内置程序处理后，将结果显示于l c d 屏 中。为实现实时显示，控制器每隔一段时间对参数进行一次刷新。 操作人员可根据所显示的方向盘与四轮参数信息对方向盘进行操纵，以达到 理想的转向效果。从而减轻操作人员劳动强度，改善系统操纵性能。 2 2 2 故障自检 为使四轮转向系统安全运行，用霍尔传感器检测转向系统各机械部位的状 态，荐通过四轮转寓控制器内置程序判断系统运行是否正常，一旦出现故障，立 即显示，并声光报警，当面临危及人身和设备安全的重大事故时，除声光报警外， 还应自动熄火停机，从而大大提高了系统的可靠性。为确保系统在故障发生时第 一时间作出反应，四轮转向控制器每隔一段时闻进行一次故障自检。 四轮转向系统在转向过程中，出现的故障大致有以下几类： 1 、方向盘超出中位：通常方向盘的标准中位位置应为5 1 2 ( 经a d 转换后的 数字信息) 。实际中，绝对的中位位置几乎不存在，允许存在一定的偏差，偏差 应在1 1 之内，即中位位置应在5 0 1 5 2 3 之间，如四轮转向控制器采样得到的方 向盘位置超出此范围，则认为系统工作不正常，即方向盘超出中位。 2 、左轮偏转过大：四轮转向车辆处于直线行使状态时，其左轮位置应为5 1 2 ； 车轮向右偏转时，其位置小于5 1 2 ，在正常情况下，向右偏转极限位置为5 0 1 ； 车轮向左偏转时，其位置大于5 1 2 ，在正常情况下，向左偏转极限位置为5 2 3 。 所以当左轮偏转位置超出5 0 1 5 2 3 范围时，则认为左轮偏转过大。 3 、右轮偏转过大：四轮转向车辆处于直线行使状态时，其右轮位置也应为 5 1 2 ；车轮向右偏转时，其位置小于5 1 2 ，在正常情况下，向右偏转极限位置为 5 0 1 ；车轮向左偏转时，其位置大于5 1 2 ，在正常情况下，向左偏转极# 艮位置为 5 2 3 。所以当右轮偏转位置超出5 0 1 5 2 3 范围时，则认为右轮偏转过大。 长安大学硕士学位论文 2 2 3 工作模式监视 工作模式监视可使操作人员快速而准确地知道四轮转向车辆的转向模式，并 可以根据具体的路况和工况来选择工作模式。四轮转向车辆可以工作在三种模式 下：前轮转向、全轮转向、以及斜行转向。 l 、前轮转向：它是一种常用的转向方式，此时，前外轮的弯道行驶半径大， 驾驶员易于用前外轮是否避过障碍来估计整机的行驶路线。 2 、全轮转向：即前后轮同时偏转的转向方式，往往用于对机动性有特殊 要求或机架特别长的机械。此时，前后轮的偏转方向相反。 3 、斜行转向：即前后轮偏转方向相同的一种转向方式。斜行时，能从斜向 靠近或者离开作业面。而且在斜坡上斜行作业时，能提高其横向稳定性。 这三种模式下的转向可以细分为：前轮转向( 包括左转和右转) 、全轮转向 ( 包括左转和右转) 以及斜行转向( 包括左转和右转) 。其转向示意图如下所示。 转 ( a ) 前轮左转 ( b ) 前轮右转 ( c ) 全轮左转( d ) 全轮右转 ( e ) 斜行左转( f ) 斜行右 图2 1 转向示意图 长安大学硕士学位论文 第三章四轮转向控制器通信的研究 近年来，随着信息技术的飞速发展以及控制、计算机、通信、网络等技术的 融合，信息交换已经渗透到机械工业领域的各个层次，从现场设备层到控制管理 的各个层次，传统的r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 通信标准已经远远不能满足工业现场的通 信需要。现场总线由于其所具有的开放式、数字化、多点通信以及造价低廉等特 点，正越来越受到各个领域的青睐。c a n 总线以其所具有的可靠性、灵活性和实 时性，特别适合于工业现场设备的互联，再加上有众多的产品支持，在短期内获 得了广泛的应用。本课题研究的四轮转向控制器通信的实现正是基于c a n 总线 的。 3 1c a n 总线简介 3 1 1c a n 总线优异特性 c a n ( c o n t r o l l e rm e an e t w o r k ) 即控制器局域网，属于总线式串行通信网 络，主要用于各种设各监测及控制。c a n 最初是由德国b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代初期为了解决现代汽车中的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种 串行数据通信播议，当时，由于清费者对于汽车功能的要求越来越多；雨这些功 能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同 时意味着需要更多地连接信号线。提出c a n 的动机就是为了解决现代汽车中庞大 的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是他们设计了一个单一 的网络总线( 即c a n 总线) ，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。这样就形成 了汽车电子控制网络。由于其设计合理、具有较强的实用性，推出后，不仅在汽 车工业中广泛应用，在工业自动化、智能建筑、医疗设备等诸多领域获得了长足 的发展。目前已由i s o t c 2 2 技术委员会批准为国际标准i s o l l 8 9 8 ( h 2 部分，通 讯速率 1 m b s ) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( h i 部分，通讯速率 ，直到 系统恢复正常，报警灯也就随之熄灭。 4 4c a n 通信模块硬件设计 草 图4 5 系统指示模块接口电路 4 4 1 总线收发器p c a 8 2 c 2 5 0 2 5 1 简介 p c a 8 2 c 2 5 0 是c a n 协议控制器和物理传输线路之间的接口。此器件提供对总 线的差动发送和接收功能，如在i s 0 1 1 8 9 8 标准中描述的，它们可以用高达 1 m b i t s 的位速率在两条由差动电压的总线电缆上传输数据。该器件可在额定电 源电压是1 2 v 的c a n 总线系统中使用，可以在汽车和普通工业应用上使用。 p c a 8 2 c 2 5 0 的主要特性如下： l 、和“i s 0 1 1 8 9 8 ”标准完全兼容； 2 、高速( 可达) l t b i t s ； 3 、在汽车环境中，对总线提供瞬变保护； 4 、斜率控制以降低射频干扰； 5 、差动接收器具有宽共模范围，有很强的抗电磁干扰( e m i ) 的能力； 6 、热保护； 长安大学硕土学位论文 7 、对电源和地的短路保护； 8 、低电流待机模式； 9 、一个未供电的节点不会干扰总线； 1 0 、至少可挂1 1 0 个节点。 总线收发器p c a 8 2 c 2 5 6 引脚功能见表4 - - 2 。p c a 8 2 c 2 5 0 遥过串行数据输出线 t x 和串行数据输入线r x 连接到收发器，收发器通过由差动发送和接收功能的两 个总线终端c a n _ h 和c _ l 连接到总线电缆。输