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哈尔滨工程大学 硕士学位论文 汽车节能装置控制器设计 姓名：林挺清 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：张仁忠 20050201 哈尔滨l ：程人学硕十学位论文 摘要 本文针对城市公交车行驶过程中频繁启动、制动的特点，提出在汽车上 加装汽车节能装置，并详细地讲述了该装置的工作原理。 本课题应用汽车电子控制技术设计了汽车节能装置控制器的硬件电路， 该硬件电路由数据采集模块、数据通信模块、控制模块组成。 控制器的软件设计包含三个部分：单片机程序、上位机应用程序、U S B 设备驱动程序。单片机程序结构由中断服务程序和主循环程序组成。中断服 务程序实现采集数据信号、接收通信数据的功能。主循环程序实现发送通信 数据以及控制汽车节能装置工作的功能。上位机应用程序主要实现串口通信、 U S B 接口通信和数据处理的功能。U S B 设备驱动程序是采用D r v i e r S t u i o 工 具开发的。该驱动程序主要实现U S B 设备( P D I U S B D1 2 ) 端点1 的中断传 输和端点2 的批量传输。 整个控制器的软硬件实现的功能为：采集压缩机压力数据、汽车速度数 据、汽车制动踏板的位置和油门踏板的位置数据，并根据这些数据控制汽车 节能装置中的电磁阀和电磁离合器的切合。 关键词：汽车节能装置；端点：设备驱动程序；U S B 哈尔滨J 一群人学硕十“学位论文 A b s tr a c t A i m i n ga tt h eb u si nc i t yo f t e na p p l y i n gt h eb r a k ea n ds t a r ti n gu p ，t h i st h e s iSb r i n g sf o r w a r dv i e w p o i n tw h i c hjSo ne q u i p p i n g t h ee c o n o m ye n e r g ye q u i p m e n to l b u s t h iSt h e s iSn a r r a t e sw o r kp r i n c i p l eo ft h i Se c o n o m ye n e r g ye q u i p m e n t T h i St a s kd e s i g n st h eh a r d w a r eC i r c u i to ft h ec o n t r o l l e ro ft h e e c o n o m ye n e r g ye q u i p m e n t t h i Sh a r d w a r ec i r c u i ti Sc o m p o s e do ft h e m o d u l e sw h ic ha r ed a t ag a t h e rm o d u le ，d a t at r a f f i em o d u e ，c o n t r o l m o d u l e T h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o l l e ro fe c o n o m ye n e r g ye q u i p m e n ti S m a d eu po ft h ep r o g r a mo fS C M ，a p p l i c a t i o no fP C ，d e v i c ed r i v e r o fU S B T h ep r o g r a mo fS C Mc o n s t i t u t e so fI S Ra n dm a i np r o c e d u r e ， T h eI S Rg a t h e r sd a t as e m a p h o r ea n dr e c e i v ec o r r e s p o n d e n c ed a t a ，t h e m a i np r o c e d u r es e n d sc o r r e s p o n d e n c ed a t aa n dc o n t r o lt h ee c o n o m y e n e r g ye q u i p m e n to fb u s t h ea p p l i c a t i o no f P Cc a r r i e so u ts e r i a l c o m m u n i c a t i o n U S B c o m m u n i c a t i O na n dd a t ap r o c e s s i n g t h ed e v i c e d r iv e ro fU S Bi Sd e v e l o p e db yu s i n gD r v i e r S t u i o t h i Sd e v i c ed r i v e r c a nc o m et r u et h ei n t e r r u p td a t at r a n s f e ro fe n d p o i n t1a n dt h eb u lk d a t at r a n s f e ro fe n d p o i n t2 t h ew h o l ec o n t r o l l e rf u n c t i o ni Sa sf o l l O W S ：g a t h e r i n gt h ed a t a o ft h ep r e s s u r eo fc o m p r e s s o r ，t h es p e e do fb u s ，t h el o c a t i o no fb r a k e p a d d l ea n dt h el o c a t i o no fa c c e l e r a t o rp e d a l c o n t r o l l i n gt h em o t j o n o fe l e c t r o m a g n e t i s mv a l v ea n dt h em o t i o no fe l e c t r o m a g n e t i s mc l u t c h K e yw o r d s ：e c o n o m ye n e r g yd e v i C e ：e n d p o i n t ；d e v i c ed r i v e r iU S B 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经证明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨I 程人学硕f j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及背景 当今地球资源( 包括石油和森林资源) 日趋枯竭并受到破坏，按目前的全 世界石油资源的开采速度和消费量计算，再过三十多年全球石油资源就将耗 尽。汽车工业厂商大量使用以下技术来节省能源和有效利用现有地球资源： 采用轻型铝合余材料、减轻汽车的重量、降低汽车行驶阻力、降低燃油消耗、 采用电子喷射和电子控制系统，从而提高了能源的利用率和汽车的经济性能 和动力性能。从节约资源、资源再生以及环境保护与改善出发，能源的有效 利用有很重要的意义，本课题从一个全新的角度来考虑能源的有效利用。 在城市的公交车运输中，由于公交车经常停靠车站、躲避行人、以及遇 到红灯等因素，因而汽车经常制动。当汽车进行制动时，驾驶员踩下制动踏 板，此时汽车的动能通过制动机构的摩擦而最终转换为热能，而这部分热能 最终会损失掉，也即汽车动能损耗掉了。本课题正是基于这种现实问题提出 的，怎么样把这部分能量储存起来? 能量储存有多种方法，本课题采用的方 法是：在汽车制动时，把汽车的动能转换为储气桶中的高压气体的势能。 1 2 课题的主要研究内容 城市公交车行驶的特点是启动、制动频繁。当公交车具有了一定的速度 时就具有了一定的动能，目前的制动方法一般是经摩擦生热使公交车减速或 停车。这不仅造成极大的能源浪费，而且摩擦件的消耗也很大。本课题在公 交车上加装一种装置，该装置主要由3 4 个空气压缩机、储气桶、电磁阀、 电磁离合器以及单片机控制电路等组成的机电一体化集成系统。在单片机的 控制下，将汽车巨大的动能转化成高压气体的势能实现汽车减速或停车，同 时自动实现将汽车巨大的动能保存起来，当汽车需要再加速时，用储存在储 气桶中的高压气体势能驱动汽车。从而实现了公交车能量回收再利用，达到 哈尔滨工样人。7 ：硕1 ：学位论文 了节能的效果。 众所周知，汽车在启动或加速时单位距离耗能最大，此时燃油燃烧效果 最不好而且噪音最大。当汽车加装了本课题设计的汽车节能装置后，在汽车 加速或重新启动初期，利用存储的高压气驱动汽车，此时不需要燃烧燃料， 这对于降低汽车尾气对环境的污染、减小环境噪声有十分明显的效果，说明 该装置同时还是一个环保装置。设计该装置需要满足以下条件： ( 1 ) 该装置存储能量的大小有比较宽的范围； ( 2 ) 该装置不能影响原车的制动系统，操作中不给驾驶员增加额外负担； ( 3 ) 该装置操作过程中不能给乘客增加乘车的不舒服感； ( 4 ) 该装置实用，便于安装、维修； ( 5 ) 该装置价格合理，使用者能有较大的经济效益。 11 3 汽车节能装置工作原理及工作过程简介 本课题设计的汽车节能装置主要由三部分组成：检测部分、控制部分、 执行机构。检测部分包括曲轴位置传感器、速度传感器、集成压力传感器。 执行机构包括双向可控电磁阀、电磁离合器。控制部分主要由A T 8 9 C 5 1 及其外围芯片构成。 该装置功能实际上是将制动时本应由摩擦来消耗掉的汽车动能改由气体 的势能来消耗，汽车启动时可借助储气桶内气体储存的高压内能来进行启动。 当汽车速度到达一定值( 如2 0 k m h ) 时，再改由汽车发动机来驱动汽车。 在描述该装置的制动及启动过程之前，先来简单介绍一下此装置的结构， 如图1 1 所示。 此装置主要由电磁离合器、压缩机和储气桶三部分组成，其中D C L A 为 电磁离合器，D C 卜A 为压缩机吸气阀，D C F B 为储气桶进气阀，D C F - C 为储气桶 出气阀，Z Y F A ，Z Y F B ，Z Y F C 为储气桶内部的三个自由阀。标号为D C F 的表示 是可控的电磁阀，它在没有加电的情况下仍是自由阀，Z Y F 表示自由阀。将 储气桶分成4 个小桶的目的是为了储气和放气过程中筒内压强的变化梯度尽 量小些，由于Z Y F A ，Z Y F B ，Z Y F C 只有在一定的压差下才能打开，也就是说 两小桶之间的压差只在很小的范围内变化，这样就很巧妙的解决了单桶储气、 哈尔滨J ：榉人学硕十学位论文 I I I I I I 供气带来筒内压强变化过大的问题，从而使制动及启动过程的动作尽量平缓， 减少因加速和减速给乘客带来的不舒适感。 1 3 ，1 制动过程简介 剀1 1 汽车节能裟置工作原理图 当接收到制动信号时，在正式进入到制动状态前，应该对系统进行制动 初始化。实际上，制动过程实际是就是一个普通压缩机的工作过程，所以首 先应该将D C F A ，D C F B 断电，使之工作在自由阀状态，D C F C 在制动过程中 始终应该吸合防止高压气体从输出端排出。待完成以上工作后D C L A 电磁离 合器方通电吸合，进入到制动状态。制动过程中控制系统监视是否有启动信 号及监视储气桶内压强值是否超过储气桶的储气压强上限。如有启动信号则 转入到启动方式，如超过压强上限则系统报警，同时转入到其它的制动方式。 工作状态一切正常时，当活塞运动到上止点附近，D C F B 在内外压差作 用的情况下打丌，储气桶储气( 需要指出的实际压缩机的工作原理比较复杂， 要注意的问题也较多，如压缩过程中腔内气体温度的变化，气体的脉动，阀 门孔径的大小等因素都会对气体的压缩产生很大的影响。但其不在本论文的 讨论范围之内，有兴趣的读者可以看吴业正的往复式压缩机数学模型及应 用) 。活塞运动到回程阶段时，压差不足以打开D C F B ，此时D C F B 闭合。 活塞运动到一定位置后腔内产生负压，D C F A 打开，气体重新充满腔内，压 哈尔滨I 。栏人学硕七学位论文 i ii iI I ；i i i i i ；i ；i ；i ；i i ；i i i i ；i ；i i ；i i i i i ；i ；i i i i i i ；i ；暑 缩机继续重复压缩过程。当系统通过速度传感器进A N 检测到汽车的速度为 零时，D C L - A 电磁离合器释放。 1 3 2 启动过程简介 在启动过程中储气筒将内部的高压气体的势能重新转换为汽车的动能。 此时压缩机的作用如同发动机，启动的过程比制动的过程稍微要复杂些。初 始化时首先通过I ) C F C 丌启一段时间来给汽车一个启动力矩。在执行启动程 序的过程中，如果检测到储气筒内的压强值低于设定值，则汽车转入到其它 的启动方式，检测到制动信号则进入到制动模式。 给出启动力矩后当活塞运动到下止点时，曲轴位置传感器给出下止点信 号，控制部分使D C F A 通电，使其进入到电磁阀工作状态。开启D C F A 的目 的是使腔内压强同外界保持一致，减少运动到上止点的阻力，提高系统的运 行效率。当活塞运动到上止点时，D C F A 断电工作在自由阀状态，与此同时， D C F C 放出储气桶内的高压气体并持续一段时间( 此时间为何值时启动效率 最大由实验测得) 。当活塞再次运动到下止点时又重复上述过程。在加速过 程中，系统不断的检测以中断形式进入的速度，压力信号。速度到达设定值 时，或桶内压强过小时则转入正常的启动方式，并给出警告信号。 1 4 课题的预期结果 本课题介绍的汽车节能装置具有一定的特点，该装置中的电磁阀和电磁 离合器的动作不仅要依赖机械传动机构，而且要依赖控制电路的控制。因此， 需要设计一个工作可靠的、抗干扰性能强的控制器是本课题的一个主要任务。 针对汽车节能装置的工作原理，本人设计的控制器由数据采集模块、控 制模块、数据通信模块等组成。控制器的数据采集模块实现采集压力数据、 汽车速度数据、油门踏板位置数据和制动踏板位置数据。控制模块控制压缩 机电磁阀和电磁离合器的切合。数据通信模块实现与上位机通信，它把复杂 的数据传输至上位机处理。 哈尔滨肼 人学硕L 学位论文 1 5 本章小结 本章讲述了课题的来源和背景、课题的主要研究内容以及汽车节能装置 的工作原理。最后讲述了汽车节能装置控制器的总体设计。 哈尔滨【：科人学硕七学佗沦文 第2 章汽车节能装置控制器硬件设计 2 1 总体设计 2 1 1 总体方案 按照汽车节能装置系统的要求，考虑到成本因素。所设计控制器的总体 方案可分为为以下几大模块。 1 控制模块 由于设计要求系统能随车采集信号，主控制模块应当是以单片机为核心 的一个单片机最小系统。由于M C S 一5 l 系列单片机具有扩展性强等特点，本 系统采用A T M E L 的A T 8 9 C 5 1 单片机。该型号单片机内部集成了4 K 8 的电可擦 除f l a s hm e m o r y 程序存储器，并且采用C M O S 工艺，功耗低，非常适合嵌入 式应用场合。外部扩展3 2 K B 的数据存储器，即可满足数据容量要求。 为了适合系统的便携性要求，必须设计数据的掉电保护电路；同时在设 计中考虑系统的功耗问题，以适应电池供电的状况。 单片机对所采集到的模拟信号进行处理，从而通过开关量输出来控制压 缩机的电磁阀门和电磁离合器的动作。 2 数据采集模块 数据采集模块主要负责对模拟信号的采样。在该模块中，核心是模拟信 号的A D 转换。由于系统需要采集汽车的储气桶内的压力数据、制动踏板的 位置数据、车速、离合器切合位置和油门踏板的数据，因此需要多路数据采 集通道，本系统中采用A 1 3 C 0 8 0 9 芯片，此芯片具有8 个数据输入通道。 3 数据通信接口 由于单片机组成的系统对数据的处理能力相对较弱，同时为了对采集的 数据作进一步分析处理，该装置设计了与上位机通信的通信接口模块，采用 R S - 2 3 2 串行通信。因为考虑到所设计的电路板在今后更有通用性，由于U S B 接口即插即用方便快捷，快速数据传输的特点，所以设计了一个U S B 通信模 块。 哈尔滨l ：科人学硕+ 学位论文 4 数据存储模块 该汽车节能装置控制器需采集大量实时数据，8 9 C 5 1 白带的2 5 6 字节的 R A M 是远远不够的，必须扩展一片外部数据存储器。因此，此系统硬件电路 中需要扩展一个数据存储器，常用的数据存储器有静态存储器( S R A M ) 和动 态存储器( D R A M ) 。在单片机应用系统中，外扩的数据存储器都采用静念数据 存储器。 5 看门狗电路 单片机受到干扰后，单片机的程序可能弹飞到一个l 临时构成的死循环中 时，这个时候单片机必须进行复位， 。般的R c 复位电路往往不能保证单片机 安全可靠的运行，看门狗电路就是监视微处理器是否正常工作，如果单片机 应用系统工作不正常，程序跑飞，看门狗电路的输出端就会输出一个复位秒 冲，使得电路复位。 2 1 2 系统框架的确定 按照上述系统方案得到的系统框架如图2 1 所示。 整个系统实现的功能是，数据采集电路采集制动踏板的位置、油门踏板的 位置信号、空气压缩机的压力、离合器位置等模拟信号，而8 9 C 5 1 把这些信 号通过串行通信接口送入到上位机进行处理，上位机把处理的结果通过串行 通信接口输入到单片机中，单片机根据这些处理数据来控制压气机电磁阀门、 离合器的动作，因为U S B 接口通信的快速、即插即用等优点，因而扩展了U S B 接口通信，把U S B 接口通信是作为电路的扩展部分。并且考虑到数据传输速 度的问题，系统要求实时性高的特点，在今后的实际试验中，U S B 接口通信 可能成为一个必要的通信方式。 哈尔滨I + 样人学硕+ 学位论文 程序栩卜 一糯雌口川上姚 列酾嗡k 斗 一率髑黻口H 上位机 w a t c hd o gI ， J m 盱18 9 c 5 1 黍 羹 斗翻隙换L _ ， 量 l 控棚输出卜 2 2 单片机的选型 幽2 1 系统组成框图 单片机是整个控制系统的核心，因此单片机的选型很重要。在单片机的 发展过程中，I n t e l 公司扮演了重要角色。它由7 0 年代的M C S 一4 8 系列发展 到8 0 年代的M C S 一5 l 系列，8 0 年代后期的M C S 一9 6 9 8 系列，使单片机技术日 趋成熟和完善。 无论是哪一种位数的单片机，也无论哪一系列的单片机，都为新产品的 开发、应用系统的研制、智能控制器的研究等创造了极其有力的硬件环境。 町以说，由于世界各生产厂家生产4 位、8 位、1 6 位、3 2 位通用型单片机以 及衍生出的五花f 3 的系列及型号，使单片机技术的应用已达到了无7 L 不入 的地步。就国内1 5 、1 6 年应用实践而富，单片机使用量最大的是8 位单片， 应用范围最广的也是8 位单片机。 目前世界各生产单片机的公司多在努力提高时钟频率，以提高C P U 速度： 精简指令、多级流水线操作方式可提高指令的执行速度、扩大寻址能力。扩 大片内程序存储器和数据存储器容量。在结构上细致化、智能化、密切化， 哈尔滨I 程人学硕：l 学位论文 增加片内功能，尽量减少外部接芯片，提供与主机的接口，降低单片机的 功耗，提高宽电源的适应能力，增加高噪声容限。面向应用对象的多功能多 品种的增强型单片机将大大增加。 在单片机的选型上，考虑单片机本身的性能以及课题开发周期短的特性 点，本课题采用较为熟悉的M C S 一5 1 系列的单片机，以伟福仿真器作为开发工 具。 2 3 控制模块硬件设计 1 A T 8 9 C 5 1 单片机 A T 8 9 C 5 l 单片机是属于M C S 一5 1 系列的单片机，它是一种带4 K B 快闪可 编程可擦除只读存储器( F P E R O M ) 的低功耗，高性能的8 位C M O S 微控制器。 采用高密度，非易失性存储器制造技术，与工业标准的M C S 一5 1 指令集和输出 引脚兼容。由于将多功能8 位C P U 和快闪存储器组合在单个芯片中，为很多 嵌入式控制系统提供了一种灵活，高性能且价廉的方案。 a )特点： 与M C S 一5 1 微控制器产品系列兼容。 4 K B 可编程快闪存储器( F l a s hM e m o r y ) 。 存储器可循环写入擦除1 0 0 0 次。 数据保留时间：1 0 年。 全静态工作：0 H z 一1 6 M H z 。 1 2 8 8 位内部R A M 。 3 2 条可编程I o 线。 两个1 6 位定时器计数器。 5 个中断源和两个优先级。 可编程全双工串行通信通道。 低功耗的闲置和掉电模式。 b ) 片内数据存储器的分配： A T 8 9 C 5 1 单片机片内数据存储器( R A M ) 单元共有2 5 6 个，低1 2 8 B ( 0 0 H 一7 F H ) 是真T F 的R A M 区，高1 2 8 B ( 8 0 H F F H ) 为特殊功能寄存器( S F R ) 区。在低1 2 8 B 9 哈尔滨一l ：裎人学硕十学位论文 区中，O O H 一1 F H 地址为四组工作寄存器区。其余的存储空间是这样分配的。 2 0 H 一2 F H 地址单元中，可用位地址寻址方式访问各位，这些地址单元主 要用来存放各种程序运行标志，在本系统中，用作油门踏板启动的标志、制 动踏板制动的标志、中断程序执行的标志。 3 0 H 一5 9 H 地址单元，主要用来存放一些程序数据；在本系统中，主要用来 临时存放储气桶中压力数据、汽车速度数据、油门踏板数据、制动踏板数据； 6 0 H 一7 F H 地址单元，是用来作为堆栈使用。 c ) 片外存储器扩展和接口电路的地址分配： 片外扩张数据存储器地址范围：0 0 0 0 H 一7 F F F H ； 第一片8 2 5 5 可编程并行I O 接口片选地址：9 0 0 0 H 一9 F F F H ； 第二片8 2 5 5 可编程并行i l O 接口片选地址：A O O O H A F F F H ； A D C 0 8 0 9 模数转换芯片的片选地址：B O O O H B F F F H 。 对于电磁离合器、电磁阀的控制，是通过开关量信号的输出来进行控制 的，因此在电路中扩展了8 2 5 5 芯片，8 2 5 5 是I n t e l 公司生产的可编程的并 J ：I O 接口芯片，它具有3 个8 位的并行I O 口，8 2 5 5 与M C S 一5 1 的接L - 1 电 路如图2 2 所示。 日r 广“m I曩。 = 1 _ ” ”M= C 1 n F 矿i 肿1 11 P i 。 a 咒玎_) ，H 广卅：k H 肿 打l =二 ， 嚣器； aa 4 + i L嫡垤H I哥鲁i 睦 aa 口o矿 Ha 葡I 广 do可丌 I 撼tl 】蛰”： aa 口 粹 菇埘翌嗵 趸 面 孙lE 甩 打列 图2 2 开关最控制接口屯路幽 0 哈尔滨1 程大学硕七学f i 7 ：论文 2 4 数据存储器和程序存储器的扩展 1 ) 数据存储器 A t 8 9 C 5 1 单片机内部有2 5 6 字节R A M ，在实际应用中，仅靠片内R A M 往往 不够用，必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器有静念存储器( S R A I ) 和动态存储器( D R A M ) ，在单片机应用系统中，外扩的数据存储器都采用静态 数据存储器。 本系统中扩展大容量的数据存储器芯片6 2 2 5 6 ，采用线选法，也即是采 用A T 8 9 C 5 1 芯片P 2 7 引脚作为6 2 2 5 6 的片选，6 2 2 5 6 为2 8 引脚封装，其与 8 9 C 5 1 接口电路如下图2 3 所示。 6 2 2 5 6 的片选信号输入线C E 与8 9 C 5 l 的高位地址线P 2 7 相连接，低电平 有效，因此，本系统中外部数据存储器的地址范围为0 0 0 0 H 一7 F F F H 。 耻王_ ! U 二 雌 D 口j L 潞书 面虑 丽w d D O口0 D 1 O l D jO j D 30 3 D a D j0 j D 60 6 D 70 7 O E L t 图2 3 数据存储器扩展电路图 2 ) 程序存储器 程序存储器一般采用E 2 P R O M ，E 2 P R O M 是电擦除可编程只读存储器，其突 哈尔滨I 。程人学硕士学位论文 I I I I 出优点是在线擦除和改写，无需像E P R O M 那样必须用紫外线照射才州+ 擦除， 较新的P R O M 产品在写入时能够自动完成擦除。 本系统采用E 2 P R O M 为A T 2 8 C 2 5 6 ，具有容量3 2 K 的存储空阳J ，其突出优点 是能够在线擦除和改写，无需像E P R O M 那样必须用紫外线照射才能擦除。 E 2 P R O M 产品在写入时能自动完成擦除，不再需要专用的编程电源，不可以 赢接用单片机系统的5 V 电源。 由于A T 2 8 C 2 5 6 存储容量为3 2 K ，因此，A T 2 8 C 5 6 的选通信号需要采用 8 9 C 5 l 芯片的P S E N 引脚来对它进行选通，当P S E N 引脚低电平有效，即可以 渎出外部存储器A T 2 8 C 5 6 中的指令码，下图为的本系统中A T 8 9 C 5 l 与 A T 2 8 C 2 5 6 的接口电路，如图2 4 所示： d n 2 5 模数转换电路 图2 4 程序存储器扩展电路幽 A D 转换器的种类很多，目前应用较为广泛的主要有以下几种类型：逐次 逼近型、双积分式转换器、一式A D 转换器和V F 转换器。逐次逼近式 A D 转换器在精度、速度和价格上都适中。是最为常用的A D 转换器。选用 逐次逼近式A D 转换器A D C 0 8 0 9 作为该部分电路的A D 转换器件，其通用性 及价格都很适合本课题。其特点是： 哈尔滨I 。桎大学硕十学何论文 逐次逼近寄存器； 转换时间( 正。= 5 0 0 K H Z ) ：1 2 8uS ； 无需外部进行零点和满度调整； 8 位分辨率； 三态输出，可与微处理器直接接口； 输入输出T T L 兼容； 8 路模拟开关，可直接接8 个模拟量； C M O S 工艺： 功耗：1 5 M W ； 转换精度：0 4 。 A D 芯片与C P U 连接后，其工作过程大体都要经过三个步骤： ( 1 ) C P U 发出指令，启动A D 芯片工作； ( 2 ) 判断A D 转换是否结束。因为A D 转换需要时间，不可能马上得到 转换的结果，A D 芯片都有一根专门的信号输出线表示转换是否结束。如 A D C 0 8 0 9 是E O C 引脚作为表示转换结束的信号输出线。微控制器判断转换是 否结束可采用中断法，也即C P U 启动A D 芯片工作后，即可转而处理其它任 务( 如执行主程序) ，一旦A D 转换结束，则由A D 芯片发出转换结束信号作 为中断请求，C P U 响应中断后便读入数据。 ( 3 ) 当判定转换已经结束时，由C P U 从A D 芯片读入转换结果。 A D C 0 8 0 9 共有八路模拟输入端，能够完成对八路输入的分时A D 转换，其 2 3 2 5 三只引脚A D D C 、A D D B 、A D D A 接入经锁存器7 4 L S 3 7 3 锁存后输出的地 址，它的不同取值可选通八路模拟输入，起到模拟开关的作用。1 0 引脚C L K 接入时钟信号，该时钟信号是通过A T 8 9 C S l A L E 引脚经过二分频得到，通过 该时钟信号控制A D C 0 8 0 9 的工作步骤。 A D C 0 8 0 9 A L E 与A D C 0 8 0 9 S T A R T 连在一起，在A D C 0 8 0 9 锁存通道地址的 同时，启动并进行A D 转换，E O C 引脚通过非门取反后接入A T 8 9 C 5 1 的外部中 断输入引脚I N T I ，当转换结束后，E O C 返回高电平到A T 8 9 C S l I N T l 引脚并使得 C P U 程序执行中断程序。D O - D 7 为八位数字信号的输出端，接单片机P O 口， 以输出转换好的数据。本系统中，A T 8 9 C 5 1 与A D C 0 8 0 9 的接口采用的是中断 哈尔滨r 料人学硕十学位论文 方式，当用中断方式传送数据时，E O C 线作为C P U 的中断请求输入线。C P U 相应中断后，在中断服务程序中使0 E 线或为E N A B L E 引脚变为高电平，以提 取A O 转换后的数字量。 本系统的模数转换电路如图2 5 所示。 2 6 看门狗电路 m l Ha w 27 nq H ) n a w +1 ， 口口 na H 埘a 日71 D q 1 I 口 L 1 寺 挺 墟 砸 n L ， 厂L 弋j I 弋 模数转换电路图 单片机控制部分本身的可靠性，系统中增加了X 2 5 0 4 5 器件。 X245由美国Xicor公司生产，兼有看门狗定时器、复位定时器和EEPROM 三种， 4 5 具体操作方法如下： (1电复位 电并且超过一个阈值电压时，X 2 5 0 4 5 的内部复位电路将会提供 一个2 0 0 m s 的复位脉冲，让处理器能够正常复位。 (2压监测 中，X 2 5 0 4 5 监测V C C 端得电压下降，并且在V C C 电压跌落到 哈尔滨一1 稃人学硕十学位论文 阈值电压之F 时会产生一个复位脉冲，这个复位脉冲一直有效，卣到V C C 降到1 v 以下，如果V C C 在降到阈值电压后上升，则在V C C 超过阈值电压 后延时约2 0 0 m s 复位信号消失，使得微处理器得以继续工作。 ( 3 ) 看门狗定时 看门狗定时器电路监测W D I 的输入来判断微处理器是否是正常工作。在 设定的定时时间内，微处理器必须在W D I 引脚产生一个由低到高的电平变 化，否则X 2 5 0 4 5 将产生一个复位信号。X 2 5 0 4 5 的和A T 8 9 C 5 1 的接口电路 如图2 6 所示。 根据系统的原理图的电路原理，当系统被正常上电( + 5 V ) 后，X 2 5 0 4 5 的内部复位电路将会提供一个约为2 0 0 m s 的复位脉冲电压，除了X 2 5 0 4 5 的 复位电路外，并在系统电路中增加了上电复位的电路，该上电复位是通过外 部复位电路的电容充电来实现的。这样整个电路只要接通电源就完成了系统 的复位初始化。 2 7 串行通信部分 图2 6 看门狗电路图 系统设计考虑到汽车速度数据、储气桶压力数据等信号的复杂性以及单 片机处理数据速度较慢等因素，必须考虑到单片机和上位机进行数据传输， 单片机通过采集数据，通过串行通信把采集到的数据传输给上位机，由此， 哈尔滨J 一群人学硕J ：学位论文 ；j 嗣冒_ 皇i i ；i i i i i ；i i i i i i 宣i ；i i | i _ h i t i l i i 置i ；i i i i i ；i 苗i i i 宣i 苗苗；i 宣 我们增加了串行通信部分。 在进行串行通信的线路连接时，通常要解决两个问题：是计算机与外设 之间要共同遵守的某种约定，这种约定称为物理接口标准，包括电缆的机械 特性、电气特性、信号功能及传送过程的定义，它属于I s ( ) SO S I 七层参 考模型中的物理层，它是链路层提供透明的位流传输实体，规定了传送数据 位的物理硬件规则，E I AR S 一2 3 2 、R s 一4 2 2 、R S 一4 8 5 标准所包含的接口电 缆及连接器均属于此类。 R S 一2 3 2 C 标准是美国电子工业协会E I A ( E 】e c t r o n i cI n d u s t r i e s A s s o c i a t i o n ) 与B E L L 等公司一起开发的1 9 6 9 年公布的通信协议。它适合于 数据传输率在0 2 0 0 0 0 b s 范围内的通信。字母R s 表示R e c o m m a n d e d S t a n d a r d ( 推荐标准) ，2 3 2 是识别代号，C 是标准的版本号。 R s 一2 3 2 C 标准最初是为远程通信连接数据终端设备D T E ( D a t aT e r m i n a J E q u i p m e n t ) 与数据通信设备D C E ( D a t aC o m m u n i c a t i o nE q u i p m e n t ) 而制定 的。但目前更广泛的应用于计算机与终端或外设之间的近端连接。这个标准 对串行通信接口的有关问题，如信号功能、电气特性和机械特性都作了较明 确的规定。由于通信接口与设备制造厂商都生产与R S 一2 3 2 c 兼容的通信设 备，因此它已成为微机串行通信接口中广泛采用的一种标准。 ( 】) E I AR S - - 2 3 2 C 与T T L 的电平转换 E I AR S 一2 3 2 c 使用正负电压来表示逻辑状态，而T T L 是以高低电平表 示逻辑状态，因此，为了能够同计算机接口或终端的T T L 器件连接，必须在 E I AR s 一2 3 2 c 与T T L 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的 方法可以用分立元件，也可以用集成电路芯片。 目前较广泛的使用集成电路转换器件，如M C1 4 8 8 、S N7 5 1 5 0 芯片可完 成T T L 电乎到E I A 电平的转换，而M C1 4 8 9 、S N7 5 1 5 4 芯片可实现E I A 电平 到T T L 电平的转换。 由于M C l 4 8 8 1 4 8 9 要求使用1 5 V 高压电源，不太方便，现在常用的R s 一2 3 2 c T T L 转换芯片是M A X2 3 2 或I C L 2 3 2 。I C L 2 3 2 内部有电压倍增电路和 转换电路，只需+ 5 V 电源便可实现F T L 电平与R S 一2 3 2 C 电平转换，使用起来 十分方便。一个I C L 2 3 2 芯片可连接两对收发线，从而完成T T L 和E I A 双向 电平转换，其中，T T L C M O S 电平O V 5 V ，R S 一2 3 2 C 电平一l O V + I O V 。 6 哈尔滨J ：榉人学硕1 j 学位论文 ( 2 ) 其它电器参数 R S 一2 3 2 c 终端一侧的旁路电容C 不应超过2 5 0 0 p F ( 包括电缆电 容在内) 。 丌路电压V 。1 i 能超过2 5 7 。 R S 一2 3 2 的驱动电路必须能承受电缆中任何导线短路，而不会导 致有关设备的损坏。 1 C L 2 3 2 可以实现T T L 电平和R S 一2 3 2 电平之间的转换。由于在实际应用 中，器件对电源噪声很敏感，因此V C C 必须要对地加I ”F 去耦电容，另外， 为提高抗干扰能力，又添加了四个取同样数值的1uF 电容，在连接时它们要 尽量靠近器件。I C L 2 3 2 芯片7 、8 引脚按入到上位机，9 、1 0 引脚接单片机 R X D 、T X D 引脚，实现与单片机的连接。 r C L 2 3 2 与A T 8 9 C 5 l 的接口电路如下图2 7 所示： 面“瞎 2 8U S B 接口部分 图2 7 串口通信接r n 电路图 在考虑到今后电路板设计的通用性、系统要求高速数据传输速率，本课 题所设计电路板作为一个通用控制板使用，在整个电路中加入了U S 8 总线接 【J 电路，通用串行总线( U n i v e r s a lS e t i a lB u s ，简称U S B ) 作为。种崭新的 微机总线接口规范，成为最近几年在P c 领域广为应用的新型接口技术。U S B 哈尔滨I 一程人学硕士学位论文 i i i ；i i i i i ；i i ；i i i i i i i i ；i i i i i i ；i i iI iU i ；i i i i i ；i ；i i i i ；i i ；i i i i i i j i i i i ； 接I Z ! 通用性好、实时性强、传输方式多样、成本低、易于扩展且便于使用， 这些优点使它已经越来越广泛的应用于各种领域，U S B 设备也层出不穷。为 了跟上时代的发展，在这一课题中也设计了U S B 接口。 2 8 1U S B 简介 U S B ( U n i v e r s a lS e r i a lB u s ) 通用串行总线，是用于U S B 的外围设备 连接到主机的外部总线结构，其主要适用在中速和低速的外设。U S 8 是通过 P C I 总线或P c 的内部系统数据线连接实现数据的传输。U S B 同时又是一种 通信协议，它支持主系统( h o s t ) 和U S B 的外围设备( d e v i c e ) 之间的数据传 输。 U S B 接口是一种支持即插即用的新型串行接口。也有人称之为“菊花链 ( d a i s y - - c h a i n i n g ) ”，是因为在一条“线缆”上有链接1 2 7 个设备的能力。 U S B 要比标准串行口快得多，其数据传输可达每秒4 M b1 2 M b ( 而老式的串行 口最多是每秒1 1 5 K b ，在最新的U S B 2 0 规范中速率更高) 。除了具有较高的 传输率外，它还能给外围设备提供支持。 需要注意的是：这不是一种新的总线标准，而是电脑系统接驳外围设备 ( 如键盘、鼠标、打印机等) 的输入数出接口标准。到现在为止，电脑系统 接外围设备的接口还无统一的标准，如键盘的插口是圆的，连接打印机要用9 针或2 5 针的并行接口，鼠标则要用9 针或2 5 针的串行接口。U S B 能把这些不同 的接口统一起来，仅用一个4 针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用 菊花链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。U S B 正在取代当 前P C 上的串口和并口。 ( 1 ) U S B 标准发展状况 U S B 是在1 9 9 4 年底康柏、I B M 、M i c r o s o f t 等多家公司联合制定的，但是 真到1 9 9 9 年，U S B 才真正被广泛应用。自从1 9 9 4 年1 1 月1 1 同发表了U S BV O 7 以后，U S B 接口经历了六年的发展，发展到了1 9 9 8 年的U S B l 1 和现在的2 0 版本。 由于U S B I 1 所规定的最大传输速率只有1 2 M b p s ，所以康柏、惠普、I n t e l 、 微软、N E C 以及飞利浦等几个公司又联合制定了U S 8 2 0 规范。U S B 2 0 将传输 哈尔滨f 一程人学硕士学伉论文 速率提升至4 8 0 M b p s ，合6 0 M B 秒，是U S B I 1 的最大传送速度1 2 M b p s 的4 0 倍，足以满足大多数外设的速率要求。而且U S B 2 0 可以向F 兼容，所有支持 U S B l 1 的设备都可以直接在U S B 2 0 的接口上使用而不必担心兼容问题，而 且像U S B 线、插头等附件也都可以真接使用。但是反之，U S B 2 0 的设备则不 可能在u S B l 1 上正常工作。 ( 2 ) U S B 优势 在U S B 方式下，所有的外设都在机箱外连接，连接外设不必在打丌机箱： 允许外设热插拔，而不必关闭主机电源，做到真F 的即插即用，不必重新启 动计算机。 U S B 采用“级联”方式，即每个U S B 设备用一个U S B 插头连接到一个外设 的U S B 插座上，U S B 能智能识别U S B 链上外围设备的插入或拆卸。支持U S B 的产品只要将连接线接到电脑的U S B 插槽，电脑内部就会自动分配地址，不 需用户参照系统的硬件设定进行设置。 它可使多个设备在个端口上运行，速度也比现在的串行口或并行口快 得多，而且其总的连线在理论上说可以无限延长。 内置的电源供给。U S B 可消除某些外设对体积较大的电源适配器的需求， 因为它可识别一个设备所需的电力，并可自动把这一电力提供给这一设备( 最 高可达5 0 0 毫安) 。U S B 设备也可以使用外部电源。 U S B 端口的传输速率高达1 2 M b p s ，与一个标准的串行端口相比，大约快 出1 0 0 倍，与一个标准的并行端口相比，也快出近1 0 倍。换句话说，U S B 端 口的传输速率快于当前P C 平台上任何其它类型的端口。 2 8 2U S B 接口器件P D l U S B D l 2 的硬件电路 P D I U S B D l 2 是P H I L I P S 在U S B l 1 协议设备端使用最多的芯片之一，此芯 片是带有并行总线和局部D M A 传输能力的全速U S B 接口器件。片内继承了高 性能U S B 接口器件、F I F 0 存储器、收发器以及电压调整器，可与任何外部微 控制器微处理器实现高速并行接口( 2 M 8 S ) 。P D I U S B D l 2 的功能框如图2 8 所示： 喻尔滨二烈人学颂七学位沧文 冈 l “n “一l I 一 图2 8P D I U S B D l 2 的功能框 对P D I U S B D l 2 芯片的各个功能模块做以下说明： 1 ) 模拟收发器 集成的收发器接口可通过终端电阻直接与U S B 电缆相连。 2 ) 电压调整器 片内集成了一个3 3 V 的调