（车辆工程专业论文）基于嵌入式系统的自动变速器控制技术研究.pdf

摘要基于嵌入式系统的自动变速器控制技术矽f 究 摘要 自动变速系统的应用是车辆发展的趋势，也是提高车辆使用性能，改善车辆动力 性和经济性的有效措施。自动变速器电子控制单元( t c u ) 是自动变速系统的主要器 件，是研究开发自动变速系统的关键。本课题主要从硬件设计、软件设计以及开发手 段三个方面对自动变速器电子控制单元展开了研究，基于“系统功能集成化”和“功 能电路模块化”的设计思路，开发了融合a m t 、c v t 并兼顾a t 和d c t 的控制要求的 适应性与扩展性较强的控制单元，控制单元具体应用可根据不同被控对象要求通过硬 件模块的不同组合来实现。 本文所作的研究工作主要包括： 1 、t c u 硬件电路的模块化设计，主要包括主控单元，接口和驱动电路的设计； 2 、电路可靠性设计，研究如何提高系统的抗干扰能力，增强系统的稳定性； 3 、操作系统的选取移植，选取合适的实时操作系统，并针对所选取的处理器进 行操作系统的移植； 4 、控制软件设计，基于所选取的实时操作系统和系统的功能要求，完成控制软 件的编写； 5 、系统开发流程的优化，研究在t c u 实测之前，在试验室条件下采用硬件在环 仿真技术完成对硬件电路和控制软件调试工作，以验证硬件可靠性和软件功能性； 6 、针对一种无级变速器的无级变速单元完成t c u 的台架试验。 关键词：自动变速器，电子控制单元，嵌入式操作系统，硬件在环仿真 a b s t r a c t 基于嵌入式系统的自动变速器控制技术研究 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mi sn o wo n eo fd e v e l o p m e n tt r e n d s i nt h ea u t o m o b i l e t e c h n i q u e ，w h i c hi sa l s oa ne f f e c t i v ew a y t oi m p r o v et h ev e h i c l e s e c o n o m i c a la n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s t c ui st h em a i na n d k e y d e v i c eo ft h ea u t o m a t i o n t r a n s m i s s i o ns y s t e m i nt h i sp a p e rt h er e s e a r c hw o r ka b o u tt c ui sm a i n l ym a d eu po ft h r e e a s p e c t si n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n di t sd e v e l o p m e n tm e t h o d b a s e do n t h ed e s i g ni d e ao fi n t e g r a t i o n a ls y s t e mf u n c t i o na n dm o d u l a rf u n c t i o n a lc i r c u i tt h et c u d e s i g n e di nt h i sr e s e a r c h e dc a nb eu s e dt oc o n t r o la m t ，c v t ，a ta n dd c tw h i c hi sg o o d a ta d a p t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y t c uc a nb eu s e dt oc o n t r o ld i f f e r e n to b je c t sb yt h e d if f e r e n tc o m b i n a t i o no fm o d u l a r i z e dc i r c u i t t h ed e t a i lo ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： t h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g nf o rt h eh a r d w a r eo ft c u i sc a r r i e do u t i ti n c l u d e st h e d e s i g no fm a i nc o n t r o lu n i t ，i n t e r f a c ea n dd r i v e rc i r c u i t 2 t h er e l i a b i l i t yd e s i g nf o rc i r c u i ti sr e s e a r c h e dt oe n h a n c et h ea b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g a n dt h es t a b i l i t yo fs y s t e m 3 b a s e do nt h es e l e c t e dm i c r o p r o c e s s o r ，t h es e l e c t i o na n dm i g r a t i o no fe m b e d d e d r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) i sa c c o m p l i s h e d 4 t h ec o n t r o ls o f t w a r ei sd e v e l o p e db a s e do nt h es e l e c t e dr t o sa n dt h ef u n c t i o n a l d e m a n d so fs y s t e m 5 i no r d e rt oo p t i m i z et h ed e v e l o p m e n tf l o wo ft c u ，i nt h el a bt h er e l i a b i l i t yo f h a r d w a r ec i r c u i ta n dt h ef u n c t i o nc o n t r o ls o f t w a r ei sv e r i f i e db ym a k i n gu s eo fh a r d w a r e i nt h el o o ps i m u l a t i o n ( h i l s ) t e c h n i q u eb e f o r et h et c ui st e s t e di nt h er e a lc o n d i t i o n 6 t h eb e n c ht e s tf o rt c ui sf i n i s h e da i m e da tt h eu n i to fc o n t i n u o u s l yv a r i a b l e k e yw o r d ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n , e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，e m b e d d e dr t o s ， i l h i l s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：蔓壅! 墨硒年6 月“日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 芬东f 盈 沙g 年6 月拍曰 硕上论文 基于嵌入式系统的自动变速器 空制技术研究 1 绪论 电子技术、自动化技术与汽车技术结合，给汽车工业带来了勃勃生机。目前，汽 车电控技术的集成化程度越来越高，且不断向智能化发展【1 1 。车辆自动变速技术是汽 车电控技术的一个重要组成部分，当今车辆自动变速技术的研究主要集中在四个方 向：液力自动变速器，即a t ；无级变速器，即c v t ；电控机械式自动变速器，即 a m t ；双离合器式自动变速器，即d c t 。 1 1 研究的意义与背景 变速器在其电控单元的控制下可以按照最佳换挡规律和最佳换挡时刻进行换挡， 从而提高了汽车的经济性、动力性、操纵稳定性和乘坐舒适性，同时降低了污染。但 是目前作为变速器的核心技术电控单元，只被国外几家汽车厂商掌握，对电控单 元的研究，有利于提高汽车的国产化率，增强国产汽车的竞争力，有着广阔的市场应 用前景。 本课题为江苏省汽车工程重点实验室开放基金资助项目，并和相关企业合作开展 研究，由合作企业方提出设计要求，在此基础上双方协商进行裁减、扩充和交换信息， 完成整个控制器各功能模块的定义和设计，并以c v t 为试验测试对象，完成台架试 验，具有很好的实用前景。 1 2 自动变速器控制技术研究动态 1 2 1 硬件设计现状与发展趋势 当前，“系统功能集成化”和“功能电路模块化”成为汽车电子系统开发设计的 新理念和发展趋势【3 1 。“系统功能集成化是要求电子控制系统具有一定的通用性， 以变速器的控制单元为例，控制器不仅可以控制a m t ，还要能满足c v t 、a t 以及 d c t 的控制要求，从长远看这种设计思想可以降低开发成本；“功能电路模块化”是 指将电子控制系统中实现不同功能的电路进行模块化设计，如将主控模块，信号处理 模块、驱动模块分离设计，这样不仅可以减少开发周期，还可以提高系统的再升级能 力和抗干扰能力 4 1 1 。 在电子元气件方面由于半导体技术的进步，汽车电控系统从传感器、功率驱动器 i 件到微控制器，都得到了飞速发展。 车用传感器正在向智能化和集成化方向发展，传统的可变磁阻传感器( v r s ) ，山 于其体积和重量太，集成度低的缘故，逐渐被霍尔传感n ( h s ) 、各向异性磁阻式( a m r s ) 和巨磁阻式传感器( g m r s ) 所取代，同时传感器的精度和抗干扰能力得到提高：山 于新的技术工艺在电子器件中的应用，出现了许多集成功率芯片，使电路设计的更具 灵活性，也降低了开拄难度和电控系统的丌发成本”。目前霍尔和各向异性磁阻式传 感器已经在课题组所”展的汽车电予控制系统研究设计中得到了应用并取得了很好 的效果。 微控制器是车辆电控系统的梭心，随着对车辆各种性能要求提高，只有高速处理 能力和强大片上资源的3 2 位微处理器逐渐成为发展趋势p 】。 同时，a r m 公司针对汽车领鳗推出了新款a r m c o r t e x r 4 f 处理器可以大幅降 f 氏y - - 求汽车电了系统的开发成术与设h 时- aj 4 _ 删】，1 ：t 前包括莨e 凌、飞思卡尔、瑞 萨等午用电子厂商皆已推出新的制造工艺或是新的絮构的3 2 位牟用处理器；圈 l2l1 为目前各种位宽的微 孛制器在汽车中的戍用状况。木谍题组也已经丌展丁甚丁 3 2 他处理器的自动变速器电子控制唯元的设计与研究吼j 己成功应用与功率分流式 目三变速器的拄制中，其先进性已经得到了验证。 图1 21i 车用微处理器的应用状况 1 2 2 软件设计现状与发展趋势 据调查显示，一部汽车在软件上的花费将很快达到汽车总造价的1 0 。现在汽车 2 硕j l ：论文桀于嵌入式系统的白动变速器控制技术研究 的新功能主要是由软件实现的，目前，一部高档轿车可安装多达6 0 m b 以上的软件程 序，几乎所有功能都是由软件控制 8 1 。 目前在汽车软件设计领域存在的主要问题是车用控制软件缺乏重用性和兼容性。 在开发和管理新的控制单元软件时，存在重复的巨额开销，所以软件的模块化设计成 为发展趋势。 同时在汽车电控系统中采用嵌入式实时操作系统也成为发展趋势。国外，b o s c h 公司已经从传统的结构化设计方法转向基于e r c o s 操作系统实现的面向对象的开发 方法 9 1 。全球也已开始推行o s e k v d x 规范，国内的相关研究也取得了一些进展， 上海交通大学在m c 6 8 3 3 2 单片机平台上设计了适用于发动机控制系统的实时多任务 操作系统，浙江大学针对车用嵌入式系统的特点，进行了通用实时操作系统设计开发， 清华大学也开展了基于o s e k v d x 规范的车用操作系统的开发研究1 3 】，本课题组在 以前的汽车电子控制软件设计中也尝试使用了嵌入式实时操作系统【5 】。 1 2 3 系统开发模式发展动态 现代汽车电子系统开发流程是采用计算机辅助工具来进行的，可以支持从需求定 义直到最终产品应用的全过程。图1 2 3 1 就简要表达了这一流程的一体化综合开发、 仿真和测试的全过程，也称为v 型模式开发流程【1 4 15 1 ，这种开发模式可以归纳为四 个阶段。 图1 2 3 1v 型开发模式 ( 1 ) 图形化建模与离线仿真 在开发的初始阶段，通过辅助设计软件( 如m a t l a b ) 搭建图形化的模型、设计控制 算法进行离线仿真，初步验证控制算法。 ( 2 ) 快速原型控制和产品代码生成 1 绪论顾：l 学位论文 快速原型控制是将算法在实时硬件上运行并与真实被控对象连接，检验控制算法 原型在实时条件下的运行结果，经过验证后的算法，可以由模型自动生成产品级代码， 完成从模型到代码的转换【1 6 1 。 ( 3 ) 硬件在环仿真 生成的代码和控制器硬件的结合即完成了控制器产品原型，对于产品的测试采用 传统的方法，需要和真实被控对象联合试验，费用高周期长，同时很难完成极限状态 下的测试。通过硬件在环仿真，利用虚拟现实技术用被控对象的模型来代替被控对象 实物 2 8 1 ，可以大大缩短测试周期，降低开发风险。 ( 4 ) 参数标定和测试 e c u 安装在特定车型上时需要对控制参数进行修改，以匹配车型的变化，此阶 段是参数标定阶段。标定工作在过去被看作是独立的阶段，由独立部门来完成。但在 现代的开发流程中，在设计的早期与硬件在环仿真阶段就可以对参数进行初步标定， 从而减少后期的标定工作 17 1 。 目前，v 模式开发已经被国外厂商广泛的应用于实际产品的开发中，宝马利用这 种方法开发了新型的“分布式悬架控制系统”；在国内v 模式成为研究的热点，已经 被应用到a b s 控制器 1 8 】、高压共轨e c u 19 1 、燃料电池客车2 0 】等控制系统开发中。 1 3 课题主要研究内容 本课题在总结以前设计经验基础上，开发了融合a m t 、c v t 并兼顾a t 和d c t 的控制要求的适应性与扩展性较强的控制单元，着重研究以下几个问题： ( 1 ) 电控单元硬件电路设计：主要研究主控单元、接口和驱动电路的设计。 ( 2 ) 电路可靠性设计：研究如何提高系统的抗电磁干扰能力，增强系统的稳定性。 ( 3 ) 操作系统的选取移植：主要研究选取合适的实时操作系统，并针对所选取的处 理器进行操作系统的移植。 ( 4 ) 控制软件设计：主要根据系统的功能，完成针对a m t 的控制软件和无级变速 单元台架试验速比调节电机控制软件的编写。 ( 5 ) 系统开发流程的优化：主要研究在t c u 装车之前，在试验室条件下采用硬件 在环仿真技术对硬件电路和控制软件完成调试工作，以验证硬件可靠性和软件功能 性，缩短开发周期，降低开发成本。 4 硕 j 论文 幕于嵌入式系统的自动变速器控制技术研究 2t c u 硬件部分设计 2 1 自动变速器控制单元概述 自动变速器控制单元( 简称t c u ) ，需要进行信号采集、处理、计算，完成控制 等一系列功能。需要采集路面情况，驾驶员意图和汽车行驶状况根据制定的一系列 换挡规律，发出换挡控制信号，通过执行机构实现汽车自动换挡。 2 1 1 自动变速器介绍 自动变速器是汽车中最重要的部件之一，它的主要作用是对发动机的输出转矩 和转速进行调整，使汽车可以前后行驶，这些是汽车变速器的主要功能【19 1 。 为了实现“功能电路模块化”和“系统功能的集成化”设计思路，此次研究在 分析自动变速器的原理和组成时，按照被控对象作用及所需控制信号的类型对自动 变速器的不同构成进行了分解。 ( 1 ) 分离结合部件 分离结合部件联结发动机和传动系，其作用在于汽车起步时将发动机与传动系 平顺接合，使汽车平稳起步；在换挡时，将发动机与传动系迅速分离，减小换挡冲 击；在过载状态，通过渭转等避免零部件因过载而损坏。目前，普遍使用的分离结 合部件有摩擦式离合器和液力变矩器两种，同时国内外也开展了对车用磁粉离合器 的设计和研究工作 1 2 】。对分离结合部件的控制是t c u 硬件和软件设计的重点之一， 下表为不同分离结合部件的控制描述。 表2 1 1 1 分离结合部件的控制描述 驱动执行元件控制信号类型 典型硬件驱动电路 摩擦式离合器电磁阀或直流电机开关和p w m 信号开关型和h 型桥式驱动电路 液力变矩器开关和脉冲电磁阀开关和p w m 信号开关型驱动电路 磁粉离合器 电磁线圈p w m 信号开关型驱动电路 ( 2 ) 变速变矩机构 变速变矩机构通过改变动力传递路线( a m t 、a t 和d c t ) 或调节主从动件的工 作直径( c v t ) 得到不同的传动比，实现变速和变矩。a m t 和d c t 变速机构多采用 平行轴式齿轮结构，通过接合套和同步器移动实现不同齿轮组间的啮合与分离；a t 常采用行星齿轮机构，通过换挡离合器和制动器放松或固定行星齿轮机构某个元 2 t c u 硬件部分设计硕= l 二论文 件，实现传动比的改变；c v t 的无级变速机构主要由工作轮和传动带等组成，工作 轮的固定部分和可动部分间形成v 形槽，通过轴向移动主、从动工作轮的可动部分， 改变传动带和工作轮的啮合半径，从而改变传动比。对变速变矩机构的控制是t c u 系统设计的核心任务，下表是对不同变速变矩机构的控制描述。 表2 1 1 2 变速变矩机构的控制描述 改变传动比执行元件控制信号类型典型驱动电路 平行轴齿轮电磁阀或直流电机开关和p w m 信号开关型雨ih 型桥式驱动电路 行星齿轮机开关电磁阀开关开关型驱动电路 无级变速机直流电机开关和p w m 信号h 型桥式驱动电路 ( 3 ) 传感元件 传感元件为输入装置，包括传感器和信号开关装置，为控制单元提供连续变化 的电压电流信号和开关信号，汽车工作时传感元件提供油门开度、车速、发动机转 速、挡位、油温等信息。设计t c u 时充分考虑了不同类型自动变速器所需的传感 元件，设计预留了相应的i o 通道以满足不同数量及类型传感元件的信号采集要求， 下表是对传感信号的描述。 表2 1 1 3 传感信号描述 油门开度车速选挡杆位置制动命令发动机转速 信号类型模拟量脉冲量开关量开关量脉冲量 信号应用场合通用通埘通用通用通州 点火信号油温巡航命令离合器1 或主动轮转速离合器2 或从动轮转速 信号类型脉冲量模拟量开关餐脉冲量 脉冲量 信号应用场合通用通用通用 a m t 、d c t 或c v td c t 或c v t 喷油信号 油压 中间轴转速离合器1 或主动轮位置离合器2 或从动轮位置 信号类型脉冲量模拟量脉冲量模拟量模拟量 信号应用场合通用通用黼或d c ta m t 、d c t 或c v td c t 或c v t ( 4 ) 执行机构 执行机构按动力源可分为气动、液动和电动三种类型，通过驱动信号控制电磁 阀或直流电机等元件实现相应的动作，从表2 1 1 1 和表2 1 1 2 可以看出它们不同 应用场合和所需驱动信号。 2 1 2 控制单元功能需求 通过2 1 1 节中对变速器的分析，经过和合作方的协商，对控制单元的设计方 6 硕l 论文基于嵌入式系统的自动变速器控制技术研究 案进行了扩充和裁减，最终确定开发融合a m t 、c v t 并兼顾a t 和d c t 的控制要 求的适应性与扩展性较强的控制单元，进一步的具体应用可根据不同被控对象要求 通过硬件模块的不同组合来实现，整个控制系统框图如2 1 2 1 所示。 t c u 喷油信号 点火信号 图2 1 2 1 变速器控制系统框图 整个控制系统主要完成以下功能： ( 1 ) 自动换挡 采集各个传感器的信号，以实时在线的方式对车辆的运行状态进行判断。在需 要进行换挡等操作时，t c u 发出指令，通过电机、电磁阀等控制离合器、变矩器和 变速机构等自动完成换挡。 ( 2 ) 主油路油压控制 电子控制单元根据当前油压、节气门开度、油温和换挡等信号，计算需要的主 油路压力值，通过输出p w m 信号控制脉冲式电磁阀实现对当前压力的调节，其控 制系统原理如图2 1 2 2 所示。 7 一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一|一j|；!一一一|奚一桩一一一一一一一一 2 t c u 硬件部分设计硕士论文 图2 1 2 2 液压系统控制原理 ( 3 ) 与e m s ( 发动机管理系统) 数据交换 自动变速器电子控制单元与车上其他电子控制单元的通信，不仅可以协调其控 制，实现数据共享、降低整个系统的开发成本，而且可以提高控制性能 4 3 1 。 在本设计中，采用c a n 总线实现t c u 和e m s 的数据交换，e m s 将发动机转 速，节气门开度，车速等信号通过c a n 总线传递给t c u ，而t c u 将所需的转矩大 小传输至e m s ，从而实现发动机和变速器的整体匹配 1 3 】。 2 2t c u 硬件设计与方案分析 2 2 1 硬件单元设计要求 电子控制单元是自动变速器的核心部分，通常为一个多输入多输出的非线性系 统，待处理的信号较多、电路结构较为复杂，而且它的工作环境比较复杂，所以其 硬件单元应具有以下特点： ( 1 ) 功能性。 满足运算量大、实时性高的系统程序运行需求，使系统具有较快的响应速度； 具有足够的接口资源，可以处理从传感器接收的各种信号，并能向执行器输出各种 类型的驱动控制信号；具有c a n 或其它类型的总线接口，以实现与不同电子控制 单元间的信息交互。 ( 2 ) 工程性 电子控制单元要具有高度的灵活性和可靠性，可以在苛刻的车辆运行环境下工 作；具有较强的抗干扰能力，电磁兼容性满足国家及行业标准；控制器温度范围和 尺寸满足车用要求；具有调试接口，预留重要信号的测试点及升级和修改的接口。 ( 3 ) 性价比 在保证t c u 能达到各种功能性和工程性要求的前提下，尽量降低系统成本， 使系统具有较高的性价比。 图2 2 1 1 所示为此次设计的变速器电子控制系统软硬件框架。 硕：卜论文基于嵌入式系统的自动变速器控制技术研究 电子控制译元 一 软件 戍，1挫序 嵌入工弋操作系统 i 5 i ! 什驱动程序 ，| 0 硬件 a r m 微控制器l p c 2 2 9 4 外围电路 厂 jl l 采集信弓 殳 速 控制信号 - 雯过器信号 器 i 发动材l 信号 系 齿轮传动控制 离合器控；埘 1 驾驶员信号统或变矩器控制 图2 2 1 1 变速器屯子控制系统软硬件框架 2 2 2 设计方案的比较分析 本次设计对课题组已做的针对“变速器电控单元”研究进行总结和分析，发 现在已设计完成的硬件电路存在一些弊端，主要体现在： ( 1 ) 硬件的资源利用率不高 以前课题组开发的变速器电控单元，主要是基于“某一具体类型的变速器”来 开发，所以导致一些功能较强，接口丰富的微控制器的资源利用率不高，部分片上 资源和功能引脚闲置，造成一定的浪费。 ( 2 ) 硬件的可扩展性不强 已丌发的电控单元中，只能用于某一种类型变速器的控制，设计的硬件电路中 输入通道和输出通道都已固定，没有预留通道或是提供可扩展的接插口，所以系统 的扩展能力不足。在控制单元的后期调试中，若要增加控制参数或是输出控制量， 就必须重新设计制作新的p c b 板，这样无疑会增加开发成本，延长开发周期。 ( 3 ) 系统的升级能力不足 没有充分体现模块化的设计思想，将硬件单元的输入通道部分、输出通道部分、 主控单元设计布置在同一块p c b 板上，不利于系统以后对单独某个模块升级；没 有足够的r o m 和r a m 空间，随着软件复杂程度的增加，系统原有的存储空间可 能无法满足新的存储要求。 针对以上的一些问题，本次设计将吸收“开发板 的设计思路，采用“系统功 能集成化 和“功能电路模块化”的设计方法，开发融合a m t 、c v t 并兼顾a t 9 2 t c u 硬件部分设计 硕：仁论文 和d c t 的控制要求的适应性与扩展性较强的控制单元，控制单元具体应用可根据 不同被控对象要求通过硬件模块的不同组合来实现。具体设计时从微控制器的选取 入手，选用性能和扩展能力较强的控制器，充分利用微处理器的资源。按照功能将 整个电控单元分为主控模块、输入信号模块和输出信号模块，输入信号和输出信号 模块通过接插口和主控模块独立相连，这样既可以增强硬件的抗干扰能力，也可以 提高系统升级能力。在进行输入、输出信号模块设计时，也利用模块化设计思路， 对输入、输出信号按照信号类型进行分类，分开布置设计，以提高系统的电磁兼容 性，同时预留一些信号通道，供以后系统扩展之用。 2 2 3 硬件结构整体布置 1 0 根 电源模块 l 厂二二二- 一f l 一 兰异等= 当时：块 引j 蓐= i l 二一i1 ) 二 l 一一 i ，：- 二二= ；复位模块 l p c 2 2 9 4 卜一r 一 髓= 目削= z l 。i 内核 - 与一。= = ：星一 功率驱动i i o 光电l 【i 一 = 医i ：串口 电路l 厂1 隔岗l 寸_ 1 输出通道 虚线方框内为l p c 2 2 9 4 微处理器芯片 图2 2 3 1t c u 硬件框架 微处理器是整个控制单元的核心组成，对于它的选取有以下的原则 2 9 】： 足够的运算速度和内存单元； 丰富的片上资源，包括i o 通道，通信接口等； 具有成熟的开发工具和开发平台： f i i j j i ：1 - 论文幕于嵌入式系统的自动变速器控制技术研究 抗干扰的能力和可靠性强，结构尺寸小，成本低。 考虑以上的因素，本设计最终选用了基于a r m 体系的飞利浦3 2 位微控制器 l p c 2 2 9 4 。 l p c 2 2 9 4 的特性可以概括如下【1 1 】： 3 2 位a r m 7 t d m i s 核微处理器，l q f p l 4 4 封装； 1 6 k b 静态r a m ，2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器，通过片内b o o t 装载程序 可以实现在系统编程( i s p ) 并f l 在应用编程( i a p ) ； 。 4 个互连的c a n 接口，2 个工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口和2 个s p i 接口； 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 9 s ； 2 个3 2 位定时器，分别带4 路捕获和匹配通道，6 路p w m 输出，实时时钟 和看门狗； 多达1 1 2 个通用i o 口( g p i o ) ，支持9 个外部中断，可配置中断优先级和向 量地址，通过片内p l l 可实现最大6 0 m h z 的c p u 频率。 l p c 2 2 9 4 将强大的功能高度集成一块芯片内，大大减少了外围器件，其自身的 功耗也较低，具有较强的抗干扰能力和较高的可靠性【堋。 2 3 电源模块设计 此次设计的硬件单元需要多个不同压降的电压源，包括+ 1 8 v 、+ 3 3 v 、+ 5 v 、 1 2 v 、1 5 v 。由于电子控制单元所在的车辆工作环境恶劣，安全、高效、稳定的 电源是其正常工作的基础，此次设计将电源作为独立的模块进行了设计。 2 3 1 1 5 v 和+ 5 v 电源 给调理电路供电的1 5 v 电源和给各种i c 芯片及保护电路等供电的+ 5 v 电源 分别由电源模块h z d l 0 1 2 d 1 5 和h z d 0 5 1 2 d 0 5 提供，电路原理如图2 3 1 1 。 附2 e l ，= m r v m - v “ c 0 1 d +vh十v叫t 。艳。= - v o l a t c o m * v m+ v c a a f ”爵4 w 盔隘 压臣：匝磁 图2 3 1 1 1 5 v 平1 1 + 5 v 电源电路 2 t c u 硬件部分设计硕二i = 论文 h z d 系列是d c d c 模块电源，工作温度5 5 , - - - , 8 5 。c ，可以满足工业级要求。其 中h z d l 0 表示额定功率为1 0 w ，1 2 d 1 5 表示将输入+ 1 2 v 转换为双路1 5 v 输出， 1 2 d 0 5 表示将输入+ 1 2 v 转换为双路5 v 输出。为了减小纹波，提高电源质量，分 别给模块电源的输入和输出加了电容滤波。 2 3 2 + 1 8 v 和+ 3 3 v 电源 + 1 8 v 和+ 3 3 v 电源分别给微处理的内核和i o1 2 1 供电，本设计选用低压差的 线性电源l d o ，电路原理如图2 3 2 1 。 + 5 v 1 0 k 轴 c 卜_ = 一| * 一 o y 图2 3 2 1 + l - 8 v 和+ 3 3 v 电源电路 l d o 选用了国家半导体l m l l l 7 3 3 v 、1 8 v 两个独立线性电源芯片，输出电 压可以满足电子控制单元的需要。电路中l m l l l 7 输入旁路电容为4 7 心的钽电容， 增强对纹波的抑制；输出电容使用了o 1 心的钽电容，用于提高了回路的稳定性和 瞬态响应。 2 3 3 1 2 v 电源 1 2 v 电源用于给传感器和驱动模块供电，电路原理图如图2 3 3 1 。 t nt m ，r 1 1 图2 3 3 1 1 2 v 电源电路 设计采用三端固定式稳压器l m 7 8 1 2 和l m 7 9 1 2 ，l m 7 8 1 2 输出电压+ 1 1 5 v 硕士论文 基于嵌入武系统的自动变速器拎制技术研究 + 1 2 5 v ，最大输出电流1 5 a ，l m 7 9 1 2 输出电压1 1 5 v 一1 2 5 v ，最大输出电流1 5 a 。 2 4 控制单元电路设计 2 4 1 最小系统 控制单元最小系统由微控制器、时钟电路和供电电源组成，设计电路的原理如 图2 4 1 1 。 l p c 2 2 9 4 芯片需要+ 1 8 v 和+ 3 3 v 两组电源，使用的是2 3 2 节中设计的电源。 在本系统中选用频率为1 1 0 5 9 2 m h z 的晶振，根据芯片说明，电容值为3 0 p f ，与晶 振并联的电阻是为了更容易快速起振。图中并联的两组电容在电路板的设计中分别 布置在v 1 8 和v 3 3 引脚与地之间，起电源滤波作用。l p c 2 2 9 4 引脚9 2 通过跳线 可以选择与+ 3 3 v 或地相连，使l p c 2 2 9 4 处于正常或i s p 工作状态。同时将引脚1 3 和1 6 上拉至+ 3 3 v ，这样系统复位后将从片内f l a s h 程序存储器启动程斟4 7 1 。 图2 4 1 1 电子控制单元最小系统 为了充分利用微处理器的片上资源，有利于以后系统功能升级，将暂且没有被 利用的功能引脚通过接插口引出，对一些具有复用功能的引脚设计了跳线接口，通 1 3 2 t c u 硬件部分设计 硕士论文 过对寄存器的配置和硬件跳线实现同一引脚不同功能间的转换，采用了上述的设计 思路后整个电控单元的片上资源分配如表2 4 1 1 所示。 表2 4 1 1 片上资源分配 功能描述引脚数功能可否配置配置方案 a d 转换通道 80 四路脉冲捕获通道和四路g p i o 脉冲捕获通道 8 四路a d 转换通道 开关量采集输出 8 5- 存储器扩展总线、s p i 、1 2 c 总线和四路a d p w m 输出 6一个r s 2 3 2 串口 外部中断通道 2 j t a g 调试接口 6 r s 2 3 2 串口2两路p w m 输出通道 c a n 总线接口 2 2 4 2 复位电路 由于a r m 芯片对电源的纹波、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面 有更高的要求。本设计中采用专用微处理器电源监控芯片以提高系统的稳定性，设 计的电路原理如图2 4 2 1 。 图2 4 2 1 电源监控与夏位电路原理图 复位电路使用微处理器监控器m a x 7 0 8 t ，其具有系统上电、掉电及供电电压 监控功能；m a x 7 0 8 t 的复位门限为3 0 8 v ，适用于3 3 v 芯片电源监控。 图中的葱接了手动开关，可以进行手动复位，方便在控制单元试验开发阶段 对处理器进行控制。7 4 h c 1 2 5 将复位信号分成两组，用于l p c 2 2 9 4 控制器和j t a g 1 4 坝l 论上 基十嵌入_ = 系统的白，变速器挖制拙术冗 调试同时复位。 2 4 3 仿真调试电路 l p c 2 2 9 4 包含e m b e d d e d l c e 逻辑单元，e m b e d d e d l c e 逻辑提供对片内调试的 支持。对目标系统进行调试需要一个主机柬运行调试软件和e m b e d d e d l c e 协议转 换器，从而对目标系统上的a r m 7 t d m i s 内核进行访问4 ”。 目2 431e m b e d d e d l c e 峒试环境方框幽 e m b e d d e d l c ei 办议转换器采用了j t a g 仿真器，其价格比较便直，连接比较方 便，通过现何的j t a g 边界扫描口与a r m 内核通信，它无需目标存储器，属丁二完 伞非插入式( 即不使用片上资源) 调试。 ；0fj b一i 【划2 432j t a g 仿真器与电路敝接头1 u 路 l p c 2 2 9 4 的e m b e d d e d l c e 管脚是i o 口p 13 1 p 12 6 的复片j 功能。此殴计将 p 13 1 p 12 6 配置为调试端口，所以在v s s 和p 12 6t c k 管脚之间连接个弱偏 胃47 k f 2 电阻。 2 5 信号调理电路设计 2 5 1 模拟信号输入通道设计 模拟信号输入通道的作用是在被接入a d 通道前，对模拟信号低通滤波，以消 除高频干扰。此次共设计了四路模拟信号通道，其中一路用作扩展，其余三路用作 对节气门传感器，油温和油压传感器信号进行调理。 此次使用了低通滤波器设计软件f i l t e r l a b 设计了s a l l e n k e y 结构增益4 即= 1 的二阶低通滤波电路。截止频率是滤波电路至关重要的参数，对于低通滤波电路来 一系 2 t c u 件m 抒蚀* l t i 随其选取应基于有用直流低频信号和高频干扰信号的信号分巾睛况来考虑，具体柬 说应以不损失有用信号中晟高频率，s m a x 成分，不放行二f 扰信号中的最低频率 厶m i n 成分为重点依据，既：x m m x m a x t 通常n 应取3 5 或 以上数值，爿能获得比较理想的滤波效果。节气门的变化频率正比于驾驶员踏压油 门踏板的频率，有个上限厶m a x ，根据实际经验最后低通滤波器截止频牢工选择为 i o o h z ，片jf h t e r l a b 进行参数设计，再将各电容、电阻取为标准值后实际截止频率 为1 0 2 h z ，其频率响应如图2 5l 1 a h2 5 1i 慨通滤波频率响应 二路作感器的输出为o 5 v 的电压信号，而l p c 2 2 9 4 的a i d 转换通道的删量 范幽为0 3 3 v ，所以滤波前进行了分压。 重放选用的是具有较高| 土价比的精密运 放o p 2 7 g 。设计中采用i5 v 肚电，使其具有较高的电压输入范r 阿和噪声抑制能j 输出端接有i ； 4j l - - 极管，将输出i 叫：钳制在3 3 v 以内，电路原理如图2 512 c 图2 5 12 低通滤波屯路原理凹 2 5 2 脉冲信号输入通道设计 脉冲信号采集电路由脉冲信号调理电路和l p c 2 2 9 4 的捕获模块组成。l p c 2 2 9 4 1 6 硕二i ：论文 綦十嵌入式系统的自动变速器控制技术研究 的捕获功能简化了电路设计，不再需要外接专门的定时计数芯片，其2 个3 2 位定 时器可以分别对4 路脉冲信号进行捕获，通过设定捕获控制寄存器使能捕获功能及 捕获事件的类型。非常方便对转速传感器输出的脉冲方波信号进行采集和测算【2 引。 传感器输出的方波信号容易受到干扰而存在尖脉冲，引起捕获单元的计数误 差，所以脉冲信号调理电路中使用了光电隔离器，将转速信号中混入的毛刺等干扰 信号都阻断在隔离器的另一端。选择光电耦合器要考虑的因素主要有正向驱动电流 i f ，传输速率n p , z 等。变速器电子控制系统中三路转速传感器输出的脉冲信号的频 率范围在0 5 0 0 0 h z 以内，属于低频信号，传感器的最大负载电流i o = 1 5 m a ，电 路中光耦的输入端作为传感器的负载。设计采用了n e c 的p s 2 8 0 1 作为光电隔离器 件是，p s 2 8 0 1 4 有4 个通道，方便对多路脉冲进行隔离。p s 2 8 0 1 输出信号上升时 间t r 和下降时间t f 在5 9 s 左右，对于低频信号影响较小。同时为了与l p c 2 2 9 4 的i o 口电压兼容，p s 2 8 0 1 输出端上拉电压为+ 3 3 v 。设计的电路如图2 5 2 1 所示。 a r m 5c a p 0 一 9 e mc a 8 s e r t l 广4 0 ki 1 0 c 0a n 7 广毒地 a r m 2 3c a p ll l f a nc a 6 s e t 山 r _ 州l1 2 5 5 也 , 蛆r m 2 5c a p 2 l 。j 1 3 c oa n a l _ j s e a 血 广删i 1 4 e n lc a a r m 3 2c a p 3 1 1 5 c 0a n 3 广毒地 e 】时c a s e r t l 一i 1 6 c oa a a1 广* k 图2 5 2 1 转速信号调理电路原理图 2 5 3 开关信号输入通道设计 变速器控制系统中有较多的开关控制信号，如挡位信号、制动信号、模式选择信 号等，设计中使用l p c 2 2 9 4 部分g p i o 口采集开关信号，这些信号中常常会夹杂一些 毛刺等干扰信号，在被接入处理器引脚前对信号进行了光电隔离，采用了和脉冲量信 号输入通道相同的设计电路。 2 6 功率驱动电路设计 2 6 1 开关型信号驱动电路 变速器控制中需要的开关型控制信号很多，包括对换挡电磁阀、离合器开关电 磁阀等执行器的控制，设计中用l p c 2 2 9 4 部分g p i o 作输出口产生控制信号。 微处理器的输出信号较弱，无法直接驱动执行器需要进行功率放大，所以设计 l7 2 t c u 硬件部分设计 硕士论文 了功率驱动电路，其由三个部分组成：光耦驱动电路、光电隔离电路和功率放大电 路。 ( 1 ) 光耦驱动电路 根据l p c 2 2 9 4 的静态特性，g p i o 输出电流i o = 4 m a ，驱动光耦的能力较弱， 为了可靠的驱动光耦，选用了三态输出总线驱动器7 4 h c t 2 4 4 ( i o l - - 2 4 m a ，i o h = 1 5 m a ) 增强其驱动能力，7 4 h c t 2 4 4 的输入级为t t l 电平，其高电平的门限庖压为 + 2 v ，l p c 2 2 9 4 的i o 输出高电平为+ 3 3 v ，可以满足驱动要求。 图2 6 1 1 光耦驱动电路 ( 2 ) 光电隔离电路 为了防止后级强电及其干扰信号通过i o 口进入微处理器，影响其工作，通常 采用光电隔离的办法，使微处理器与强电部件不共地，中断干扰信号的传导。设计 中选用4 n 2 5 作为隔离光耦，其电路原理如图2 6 1 2 。 7 图2 6 1 2 光电隔离电路 4 n 2 5 的内部结构如图2 6 1 3 ，选用它的原因主要是基于以下两方面的考虑： 输入与输出逻辑关系可配置 可以通过上拉电阻或下拉电阻对输入与输出逻辑关系进行调整，提高设计灵活 性，此次采用下拉电阻设计方案，只有光耦导通时它所控制的m o s f e t 管才导通。 高性价比 l r 硕j 二论文基于嵌入式系统的自动变速器拎制技术研究 4 n 2 5 的传输速率为2 0 0 kb i t s ，单片芯片价格1 5 元，具有较高的性价比，而 且其封装体积也较小，有利于电路的设计。 图2 6 1 34 n 2 5 内部结构 ( 3 ) 功率放大电路 功率放大电路的实质是用小电流小电压信号控制大电流大电压，设计的电路原 理如图2 6 1 4 。 零欧电隔 等口劢 u 8 l c a a d - 晾io l r r l 书 h n 汀 h o 1 ” u n v b 4 v c cv 8 厂一 e o ml o 图2 6 1 4 功率放大电路 开关器件选用了场效应管m o s f e t ，与传