（计算机系统结构专业论文）车载空调控制系统开发.pdf

h j 。、：； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：蔓篁日期：年月 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：i 区导师签名： 套歌 日期：年月日 。 “ 摘要 摘要 随着国内汽车行业的高速发展，汽车空调越来越受到汽车制造商的重视。现 在国产汽车的汽车空调控制器普遍采用手动机械控制方式，大大落后于国际水平， 限制了汽车工业的发展。随着汽车电子技术的不断发展，车载信息系统己经越来 越广泛的应用到汽车工业中，并逐渐向智能化、数字化方向发展。车载信息系统 是用于对汽车行驶过程中的各种信息状态进行采集、显示以及存储的一套控制系 统。现代车载信息系统设计的主要发展方向为：一方面为驾驶员对汽车状态的了 解提供尽可能丰富的交流界面，另一方面又可以为相关实验人员对汽车行驶后的 各种信息状态的分析提供数据依据。 本文设计了一种以m 6 8 芯片为基础的车载空调控制系统。m 6 8 h c 0 8 是 m o t o r o l a 公司在9 0 年代末推出的一种高性价比的8 位单片机系列。该系列具有功 能强、速度快、功耗低、价格便宜、稳定性高等特点。随着集成电路i c 技术的提 高，m o t o r 0 1 a 公司引入了闪存技术，并使用了模块化设计方法，设计生产了新一 代m 6 8 h c 0 8 单片机。笔者采用该系列芯片中的m c 6 8 h c 9 0 8 g z l 6 芯片，内置有 1 6 k b 用户闪存。通过对用户的需求分析，得出该系统具有如下功能：通过传感器 采集车内外温度信息；使用c a n 总线接收与发送车速，发动机转速和发动机水温 等信息；通过i o 模块接收用户的按键命令和显示各外部设备的工作情况；通过压 缩机控制模块让空调压缩机工作或停止工作；通过电动机驱动模块控制内外气循 环电机，水阀电机和模式电机的转动；通过对应的外围电路控制风机转动与否及 转动的档位。此外，该系统还提供自动、手动和除霜等三种工作方式供用户选择， 并能在这三种工作方式之间进行切换。 系统经调试后能正常运行，并实现了要求的各项功能。本文所设计的系统成 本较低，生产工艺和制造设备简单。同时可在此基础上开展更加深入的研究工作。 关键词：汽车空调，c a n 总线，a d 转换，m 6 8 h c 0 8 单片机 山 夕 a b s t r a c t a sm er a p i dd e v e l o p m e n to ft 1 1 ed o m e s t i ca u t o m o b i l es e c t o r ，a u t o m o b i l e a i r c o n d i t i o 血ga c t sm o r ea t t e n t i o n 舶m t h o s em a n u f a c 懈h o w e v t 1 1 ec o n 胁lo f 。 n l ed o m e s t i ca i rc o l l d i t i o l l s i nm ev e l l i c l ei sm a l l i p u l a t e di nm ew a yo f 叩e r a t i l l gt l l e m e c h a l l i c a ld 嘶c em 籼a l l y ，删c hi sf j 盯b e l o wm e i 1 1 t 锄a t i o n a ls 伽1 d a r d sa n dh e n c e c o n s 乜面1 1 st l l ea u t o m o b i l ei 1 1 d u s 仃y t r i g g e r e db ym eg r o w mo fe l e 吣n i ct e c h ， i i 怕皿a t i o ns v s t e mi 1 1t l l ev 出d ei s 、7 i r i d e l y 印p l i e di i l 卸t o m o b n ei n d u s 町a 1 1 di sn o w f o r g h l gi n 也ed i r e c t i o no fn e l l i g 训z i i l g 趾dd i 百t i z i n g 埘e 醣m a t i o ns y s t 镪i s ak i i l do f c o n 虹d ls v s t e i nw l l i c hc o l l e c t sm ev 撕o u ss t a t e sw h e nm ev e _ h i c l ei sn 】1 ：1 1 1 i n g ，p r o c e s s e s 也e i i la i l dd i s p l a y s 孤ds t o r e s 1 er e s u l t s 1 1 1 e r ea r e 押。胁l d si i l i t sd e v e l o p i i l 吼t f o r o n eh a l l d ，av i di n t e r f a c ei sp r o v i d e df o rm e “v e r sw h ow a n tt 0o b t a i nt l l ec u r r 咖 s t a t e so ft l l ev e h i c l e st i m e l y f o rt 1 1 eo t h m es t a t e ss t o r e di n 廿l es y s t e ma r en l e f o u n d a t i o n sf o rt h ea 1 1 a l y s i so ft e d m i c i a i l s 1 1 1 i sp a p e rp r o p o s e san e wd e s i 萨o fa i rc o n d i t i o nc o n t i o ls y s t 锄b a s e do n 也e m 6 8 h c 0 81 1 1 i c r o c o i 心0 1 1 砌c hi sas 耐e so fh i g h - p e r f b 衄a 1 1 c e8 - b i t 觚c r o c o n 仃o l l e r s r e l e a s e db vm o t o r 0 1 ai nm e1 9 9 0 s n e s ei i l i c r o c o m o u e r sh a v em ec h a r a c t e r i s t i c so t 。 p o w e 僦c t i o n ，r a p i ds p e e d ，s m a l lp o w e rc o i l s 珊叩t i o n ，1 0 w 砸c ea i l dh i 曲s t a b i l 岖 a st 1 1 ei ct e c h 0 1 0 9 yd e v e l o p e d ，m o t o r 0 1 ai i 岫d u c e df l a s h a n dm o d u l a rd e s i 印a i l d t l m s ，an e wg e n e r a t i o no fm 6 8 h c 0 8c 锄ei n t 0b e i l l g 1 1 1 m ep a p t h ea u t h o r c o n c 呲a t e so nm e 出po f m c 6 8 h c 9 0 8 g z l 6 w h o s eu s e rf l a s hi sa s1 鹕ea s1 6 k b a m o n gi t sf 姗i l y b ya 1 1 a l y z i n gt h en e e d s 丘o ml l s e r s ，w ec o n c l u d em a tt l l es y s t e m h a sm ef 0 1 1 0 w i n g m a i l l 劬c t i o n s ：i 1 1 i l e r 锄do u t e rt e l ：n p e r a _ c u r e sc 0 1 1 e c t i o nn l r o u g hs e l l 驴r s ，s e n d i n ga n d r e c e i v i i l gi n f o m a t i o ns u c ha s c a rs p e e d ，e 1 1 百n e 蛐gs p e e d a n de n 罂n ewa 嗽 t a 踯e r a t u r e ，b yu s i n gc a nb l l s ，a c c c p 缸g u s e r sk e y - p r c s s i l l gc 伽 1 i i ：l a n d s a i l d d i s p l 唧n gw o 航gp a r 锄e t e r so fo u t e r d 嘶c e sb y 加m o d u l e ，c o n 舡0 1 1 i i l gt 1 1 e a i r - c o n d i t i o n i n gb ym ec o m p r e s s o rm o d l l l e ，c 0 n h d l l i n gi n o u ta i rl o o p i i l gm o t o r ，w a t e r v a l v em o t o ra n dm o d em o t o rb ym o t o r 越v i i l gi n o d u l e ，c o 劬r o l l i n gm ef 狃n 1 0 t o ra n d i t s t l 】m i n gs c a l en l r o u 曲c o r r e s p o n d i n gc i r c u i t f u m l e rm o r e ，m e r ea r e m r e ed i 绿才曲t w o f k i n gm o d e s ，n a m e l yt 1 1 ea u t o ，m em 锄a 1a 1 1 dm ed e 丘o s t i n 舀f o r 廿1 ed i e i l t st 0 d h o o s ea n ds 、历t c h 1 1 1 es y s t 锄c a l lw o r kn o m a l l y ，a r e r 也ed e b u g g i i l gw o r ki sd o n e a n dm e 劬嘶o n s r e q u i r e da r ci n l p l e m e n t e d l o w - c o s t i r 培a n de a s y - m a l ( i n ga r et 1 1 ec h a r a c t 舒s t i c so fm e s y s t e ma 1 1 dm o r em n l l e rr e s e a r c h e sc 觚b ed e 印e i l e do ni t k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e 心c o n d i t i o i l ， c a nb u s ，a dc o n v e r s i o n ，m 6 8 h c 0 8 m i c r o c o n 仃o u e r 串 籼 p 一 、 目录 目录 第一章绪论1 1 1 汽车空调的发展1 1 2 国内外现状1 1 3 课题来源与研究内容2 第二章单片机与汽车空调技术3 2 1 单片机的结构3 2 1 1 硬件单元3 2 1 2c i s c 和r i s c 4 2 1 3 存储器结构5 2 2 单片机的发展趋势5 2 3 单片机的应用6 2 4 汽车空调的工作原理。7 2 5 汽车空调的特殊性9 2 6 本章小结1 0 第三章c a n 总线11 3 1c a n 总线的发展1 1 3 2c a n 协议层1 1 3 3 报文结构1 2 3 4c a n 总线技术优点1 4 3 5c a n 总线的应用1 4 3 6 本章小结1 6 第四章硬件设计1 7 4 1m 6 8 h c 0 8 芯片概述1 7 4 2 总体硬件结构18 4 3 电动机驱动电路18 4 4 温度反馈和电动机电压反馈电路1 9 4 4 1a d c 模块原理2 0 4 4 2a d c 模块寄存器2 1 4 5 压缩机控制电路2 3 4 6c a n 模块电路2 3 4 6 1 发送缓冲设计原理2 4 4 6 2 时钟系统2 7 4 6 3m s c a n 0 8 模块寄存器2 7 目录 4 7 掉电保护模块3 0 4 7 1 写操作。3 1 4 7 2 读操作3 2 4 8 串行外设接口模块3 3 4 8 1s p i 模块引脚_ 3 3 4 8 2 主控制模式3 4 4 8 3 从控制模式3 5 4 8 4 发送数据队列3 5 4 8 5s p i 模块寄存器3 6 4 8 6 真空萤光显示控制器3 8 4 9 本章小结3 9 第五章软件设计4 0 5 1 嵌入式软件的特点4 0 5 2 总体设计4 1 5 3 各功能子程序4 4 5 4 本章小结51 第六章系统验证5 2 6 1 烧写程序5 2 6 2 系统调试5 3 6 3 本章小结5 8 第七章总结一。5 9 致谢6 0 参考文献6 1 在学期间取得的研究成果6 3 枉 第一章绪论 1 1 汽车空调的发展 第一章绪论 汽车空调作为乘客乘坐汽车时舒适性的一种衡量标准已被世界各大汽车制造 商及用户所认可，人们越来越认识到汽车空调的重要性及好处。由于消费者对驾 驶环境的舒适性要求不断提高，汽车环境温度控制已成为汽车工程领域中最大的 挑战之一【l 】。完整的汽车空调系统能够对车内各参数进行自动调节，包括空气的湿 度、温度、风速、通风、清洁度等，并使车内的空气以一定速度及方向流动，给 乘客提供一个良好的小氛围，保证无论外界气候和条件怎样改变，乘客始终能处 于舒适的空气环境之中。乘车舒适性有了保证，司机才可能保持清醒的头脑、保 持清晰的视野、提高工作效率、减少疲劳驾驶以避免车祸，从而为乘客提供安全 保证。同时，对已有汽车空调系统进行相关优化，能改善和提高系统的工作性能。 由于微型计算机具有性能可靠、结构紧凑、响应快速、功能强大以及价格低廉等 优势，因而特别适于用作汽车智能控制系统的控制器。同时，计算机技术的发展 也为汽车实现智能化控制提供了可靠的技术支持。汽车计算机智能控制己经成为 该行业的一个主要发展方面。以单片机为核心的控制系统装置已被国内外众多公 司作为研究对象。简单的硬件和丰富的软件，能方便地满足多种功能。由于其性 能优良，检测、调试都非常方便，而且由于生产成本低廉，可促使生产设备的及 时更新，单片机己越发受到重视和欢迎。近年来，其性能不断提高，而其价格却 持续降低，不难看出单片机控制装置将迎来广阔的发展空间和前景。 1 2 国内外现状 就国外来说，2 0 世纪9 0 年代初，美德两国开发了完整的数字式车载信息系统， 可以更方便地服务于驾驶员的驾驶。而目前相关技术又得到进一步修改和完善。 当前在欧美等发达国家，车载信息采集系统作为驾驶室的重要行驶信息的存储和 显示装置，其技术指标均受到业界高度重视，并且研究人员仍在从事与汽车空调 的舒适性相关的研究。尽管目前国外的汽车空调控制技术领先于国内，但从汽车 空调模糊控制技术看，国外也只处于研究状态。我国汽车行业发展较晚，汽车空 p 电子科技大学硕士学位论文 调控制相当于发达国家六七十年代的水平，系统多采用简单的温度控制，人机交 互界面则是由手动阀门、拔杆等机械装置构成。我国自主研发的计算机空调控制 系统为数不多，这种局面为本项目的开展提供了较大的空间。 1 3 课题来源与研究内容 本论文的课题来源是与四川某公司合作的重卡车载空调系统项目，合作方要 求以m c 6 8 h c 0 8 单片机为基础，进行空调的软硬件设计。 本文设计了一种以m c 6 8 h c 0 8 芯片为基础的车载空调控制系统。通过与合作 方的交流，总结提炼出本系统的主要功能，并按照各项功能进行硬件，软件的设 计和测试。论文的主要内容如下： 1 )搭建电动机驱动电路，实现对水阀电机，内外气循环电机，模式电机 的软件控制。 2 1搭建c a n 总线通信外围电路，编程实现c a n 接收与发送车速，发动 机转速和发动机水温等信息。 3 )搭建温度采集电路，编程实现对车外温度传感器，车内温度传感器和 蒸发器传感器电压的读取和处理。 4 1搭建空调压缩机控制外围电路，编程实现对压缩机的开启关闭控制。 5 1搭建掉电保护电路，编程实现在掉电前对系统工作状态的保存。 6 )搭建键盘输入真空荧光显示外围电路，编程实现对输入输出控制芯片 的读写。 2 第二章单片机与汽车空调技术 第二章单片机与汽车空调技术 1 9 7 0 年微处理器问世之后，随后就出现了单片机。这是一种将处理器，程序 存储器，定时器，中断控制系统，数据存储器，时钟电路等模块集成在一块芯片 上的单片微型计算机。1 9 7 1 年英特尔公司生产了一款四位单片机4 0 0 4 ，到1 9 7 2 年，又生产了八位单片机8 0 0 8 。特别是从1 9 7 6 年9 月该公司的m c 8 4 8 单片机问 世后，在短短的十几年间，单片机经历了多次更新换代，大约每两三年就要经历 一次更新、集成度也增加一倍、功能增加一番。由此可知其发展已达到了如此惊 人的地步。作为微型计算机的重要分支，单片机的应用面很广，至今已发展了上 百种系列近千个机种。它已渗透到人们生产和生活的各个领域。微处理器如3 8 6 、 4 8 6 、5 8 6 ，在很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如6 8 h c 0 5 、8 0 5 1 等年 龄已有十多岁，产量仍是上升的。尽管目前单片机的品种很多，由于八位单片机 具有高性能价格比的明显优势，如8 0 c 5 1 系列的8 0 c 3 1 每片售价仅1 1 5 美元，预 计近几年内，八位单片机仍将占据是单片机中的主流地位。 2 1 单片机的结构 单片机是由中央处理器( c p 叨、只读存贮器( r o m ) 、读写存贮器( r a m ) 、输入 输出口( i o ) 等基本单元组成。此外，里面还有一个时钟电路，使单片机在进行运 算和控制时，都能有节奏地进行。另外，还有中断系统，当单片机控制对象的参数 到达某项需要加以干预的状态时，就传达给c p u ，c p u 将采取适当的应对措施。 2 1 1 硬件单元 中央处理器( c p 叻是单片机的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性，完 成对指令的解释和运算，为指令执行提供所必须的运算、逻辑和控制线路，协调 并控制单片机各部件执行程序的指令序列，使其有条不紊地进行。因此c p u 必须 具有取指令、分析指令和执行指令的功能。c p u 的功能可概括如下：能对指令进 行译码并执行规定的动作；可以进行算术和逻辑运算；能与存储器及外设交换数 据；提供整体系统所需要的控制。为此，需要如下硬件单元支持： 1 ) 时钟电路：时钟电路用于产生c p u 各部件的时钟单片机的时钟可以由两种方 3 电子科技大学硕士学位论文 式产生，一种是内部方式利用芯片内部的振荡电路。另一种方式为外部方式， 即利用外部振荡信号经过分频以后产生所需时钟。 2 ) 累加器( a c c ) ：是一个最常用的专用寄存器大部分单操作数指令的操作数取自 累加器，很多双操作数指令的一个操作数也取自累计器。同时累加器还用来存 放算术运算指令的运算结果。 3 ) 算术逻辑运算单元( a l ：a u j 的功能十分强大，它不仅可以进行逻辑与，或 和异或等逻辑运算，还可以进行加减等算术运算。除此之外还可以进行停机跳 转等操作。 4 ) 程序计数器( p c ) ：是程序的字节地址计数器，内容为将要执行的指令地址。指 令寄存器指定r o m 地址，取出来的指令经译码，产生一定序列的控制信号， 以执行指令所规定的操作。 5 ) 程序状态寄存器( p s w ) ：指示指令执行后的状态信息供程序查询和判别用。如， 通过相关位可判断运算结果是否进位，是否溢出等。 6 ) 程序存储器( r o m ) ：用于存放程序和表格常数。 7 ) 数据存储器( 洲) ：用于存放程序运行时使用到的数据，可随机访问。 2 1 2c i s c 和i u s c 长期以来计算机性能的提高往往是通过增加硬件的复杂性来获得。即采用复 杂指令集计算机( c o m p l e xl 1 s t m c t i o ns e tc o m p m 哪结构【2 1 。为了软件编程方便和提 高程序的运行速度，硬件工程师采用的办法是不断增加可实现复杂功能的指令和 多种灵活的编址方式，甚至某些指令可支持高级语言语句归类后的复杂操作。为 实现复杂操作，微处理器除了向程序员提供类似于各种寄存器和机器指令的功能 外，还通过存储在只读存贮器( r o m ) 中的微程序来实现其极强的功能。然而，随 着计算机技术和半导体工艺的发展，越来越复杂的c i s c 机器便逐渐暴露出难以克 服的缺点。 第一，c i s c 机器所包含的位数众多的指令其使用频率并不均衡。大量运行程 序的统计数字表明常用指令的条数仅占指令总数的1 0 屹o ，而且多数是操作比 较简单的指令，诸如传送、比较、转移和加法指令等。 第二，微程序设计限制了机器速度的进一步提高。 第三，c i s c 结构不利于先进设计技术的采用尽管超大规模集成电路l s i ) 技 术现在已达到很高的水平，但也很难把c i s c 的全部硬件做在一个芯片上。 4 h l 第二章单片机与汽车空调技术 与一般的c p u 相比，上世纪8 0 年代出现的精简指令集计算机( r e d u c e d 1 1 1 s t n l 嘶o ns e tc o m p u t 神采用少量、简单、固定的硬连线控制逻辑替代微码以实 现减少指令系统，保证短周期、单周期执行指令。所谓精简并不是简单的减少， 而是保留那些经过验证能够提高机器性能的指令。指令系统经过精简后，计算机 体系结构自然趋于简单合理，从而提高了运算速度。r i s c 处理器的简单性还可节 省芯片面积，用于实现更大的寄存器堆、高速缓存器等，从而提高机器的性能。 r j s c 处理器使用的晶体管数相对较少，便于采用先进的半导体工艺。 2 1 3 存储器结构 按结构形式，单片机分为以下有两种基本的结构形式： 1 ) 普林斯顿结构：也称冯诺伊曼结构，是一种将程序指令存储器和数据存器合 并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器 的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司的8 0 8 6 和 m c s 5 1 就采用了此结构。 2 ) 哈佛结构：这是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理 器( c p u ) 首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址， 然后到相应的数据存储器中读取数据，进行下一步操作，通常是执行。程序指 令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，目前较多的单 片机采用改进的哈佛结构，如m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 芯片的程序指令是1 4 位宽度，而数据是8 位宽度。 2 2 单片机的发展趋势 综观近三十年的发展过程，单片机正进一步向着c m o s 化、低功耗、小体积、 大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等方向发展【3 1 。单片机今后的发展趋势 体现在以下几个方面： 1 ) 微控制器的处理器仍以c i s c 为主，但正向着r i s c 演化。在传统微控制器领域 内，仍以当初英特尔确立的哈佛体系结构和复杂指令集系统为主。有少数厂商 生产具有精简指令集的计算机，但仍保留分离存储的哈佛结构，而不是采用程 序和数据相合并的冯诺依曼存储结构。 2 ) 提升指令执行速度。通过提高八位振荡器的频率或减少机器周期所含的振荡器 周期数均可提升指令执行速度。如飞利浦公司将1 2 z 的8 0 c 5 1 从一个机器周 5 电子科技大学硕士学位论文 期所包含的振荡器周期数由1 2 改为6 ，便获得两倍速度，华邦公司将周期数 由1 2 改为3 ，便获得四倍速度。当前，八位微处理器的频率大都可以达到 3 3 心z 4 0 删z 。因此，指令执行速度可从原来的1 m i p s 提升至1 0 m i p s 。但目 前指令执行速度提高到5 0 m i p s 以上的均是r i s c 指令的八位微处理器。 3 ) 集成大容量片上f l a s h 存储器，以实现i s p 和i a p 。近年来，八位微处理器纷 纷采用f l a s h 存储器，这已成为一种趋势。因为它具备集成密度高、技术更先 进、价格低廉的特点，并能取代p r o m 、e p r o m 【4 】、o t p 和e e p r o m 等。i s p 技术 是指即使微处理器焊接在电路板上，仍可直接对其进行擦除和程序烧录。i a p 技术是指在结构上将f l a s h 映像为两个存储体，当用户程序在其中一个存储体 上运行时，在后台可对另一存储体实时烧录新的程序，完成后，将控制转到更 新的程序上执行。 4 ) 普遍使用混合信号集成技术。用c m o s 工艺技术将模拟和数字电路集成于同一 芯片的技术已经成熟，这有力地减少了片外的附加器件，也提高了产品性能， 缩短了产品的上市时间。如一个芯片上可同时集成1 2 位a d 、8 x 8 硬件乘法、 上电复位掉电检测及u s b 和c a n 总线接口。 5 ) 使用低电压、低功耗、低价位、少腿芯片。降低工作电压可以减少功耗。所以 市场上已出现多电压供电的微处理器。c p u 可以工作于1 5 v 2 5 v ，而i o 端 口工作于3 3 v 5 v 。要实现低功耗，应尽量将片外器件集成在同一芯片上， 以便同时暂停、同时休眠或部分运行。 2 3 单片机的应用 单片机按应用范围分为通用型和专用型。专用型是针对某款特定产品而设计 的，如用于洗衣机的单片机。通用型单片机有总线型和非总线型或者8 位和1 6 位 之分。总线型设有并行数据总线、地址总线和控制总线的引脚，以便扩展外围器件。 非总线型没有总线引脚，芯片体积小，如需扩展可通过i o 端口。因此非总线型更适 用于中小系统。现在单片机的应用日趋广泛深入。在家用电器、智能仪器仪表和 军事设备的智能化【5 】及实时过程控制等方面，单片机都扮演着非常重要的角色，具 有广阔的市场前景。 1 家电领域 目前，国内各类家电设备已普遍采用单片机控制，并取代传统的控制电路， 并集成为单片机控制系统。例如电冰箱、洗衣机、电饭煲、电视机、空调、微波 6 第二章单片机与汽车空调技术 炉、摄像机、录像机及其它音像视频设备控制器。 2 办公自动化领城 现代办公室中所广泛使用的通信、信息产品多数都使用了单片机。如通用计 算机中的磁盘驱动、键盘译码、打印机、复印机、绘图仪、传真机、电话等。 3 商业营销领域 在商业销售系统中已广泛使用的条形码阅读器、电子称、柜员收款机、商场 保安系统、仓储安全监测系统、冷冻保鲜系统、空气调节系统等，目前均已采用 单片机构成的专用系统。这种系统有明显的抗电磁干扰、抗病菌等高可靠性能的 保证。 4 工业自动化 在工业过程控制、工业控制器、过程监测以及机电一体化控制等系统中，除 了一些小型工控机之外，大多是由单片机为主导的单机或多机网络系统。例如工 业使用的机器人控制系统就是由中央处理器、行走系统、擒食系统、感觉系统等 子系统组成的多机网络系统。 5 集成智能传感器与智能仪表 传统的控制电路，如各种电气测量仪表、变送器，目前普遍使用单片机集成 系统以替代传统的测量系统，这使得测量系统具备各种智能化功能，例如数据处 理、存储、判断、查找、语音功能和联网。传统传感器与单片机相结合可构成新 的智能化传感器。它可将传感器初级变换之后的电量作进一步变换、处理，输出 能够满足远距离传送所要求的数字信号。如将压力传感器和单片机集成一个微小 型压力传感器，将其随钻机送至井下，就可向工作人员报告井底的压力状况。 6 汽车电子与航空航天电子系统 嵌入式系统的网络化在单机式控制器问世之后有了快速发展：7 0 年代用于过 程控制，8 0 年代用于飞机制造，9 0 年代应用于汽车工业【6 】。通常这些电子系统中的 动力监测控制系统、通信系统、自动驾驭系统、运行监视器以及集中显示系统等 都要组成冗余的网络系统。 2 4 汽车空调的工作原理 汽车空调作为非线性的人工系统【刀，其基本功能是用人为的方法调节车厢的温 度，使其降低或升高，从而营造使人感到舒适的温度环境。一般汽车空调系统由 采暖系统和制冷系统这两部分组成。图2 1 为汽车空调制冷循环图。 7 电子科技大学硕士学位论文 冷 凝 器 图2 1 汽车空调制冷循环 制冷系统主要由膨胀阀、压缩机、冷凝器( 含冷凝风机) 和蒸发器( 含蒸发风机) 组成。其制冷原理是利用液态的制冷剂吸收外界热量从而产生冷效应。首先，当 低压低温液态制冷剂进入用于冷却车内空气的蒸发器后，制冷剂加热并在定压下 气化。由于制冷剂气化时，管内空气温度低于管外空气温度，因此制冷剂将自动 吸收车内空气中的热量，使车内空气温度降低，产生冷效应。随后，气化的制冷 剂通过压缩机而被压缩，变成温度高于外部空气的高温高压气体。此时，制冷剂 通过车外的冷凝器将热量释放，制冷剂放热后就成了高压液态冷凝剂。最后，经 过节流阀，再次恢复到低温低压的液体态。所以，当空调制冷时，须启动压缩机 使制冷剂循环，才能降低车内温度。 采暖系统由风机、暖风散热器和暖水阀组成。汽车行驶时，发动机会产生巨 大的热量，因此一般小型汽车空调都用发动机的余热供暖。发动机冷却水经过暖 水阀流进暖风散热器，从而使通过暖风散热器的空气升高温度。所以，当空调供 热时，须开启暖水阀。 汽车空调系统总成采用的是冷暖全合一型，系统风道系统如图2 2 所示。 车内 图2 2 冷暖合一空调 8 茁发器 第二章单片机与汽车空调技术 内外循环电磁阀负责控制内外循环风门。当内外循环电磁阀闭合时，空调将 处于内循环工作状态，这时只有车内回风才能进入空调风道。当内外循环电磁阀 开启时，空调将处于外循环工作状态，这时不仅车内回风能进入空调风道，车外 的空气也能进入空调风道，即在进行制冷或加热处理前，空气是车外新鲜空气和 车内回风的混合体。 鼓风机调速电路负责控制鼓风机，其作用是推动空调风道里的空气流动。在 全合一型空调中，它也具备暖风散热器风扇和制冷蒸发器风扇的作用。所以鼓风 机的速度将直接影响到暖风散热器和制冷蒸发器的对流散热速度，因而也将直接 影响车内空气温度的调节速度。由于空调风道仅有这一个鼓风机，因此无论是哪 个出风口，其风速的大小均由这唯一的鼓风机控制。制冷蒸发器和制冷压缩机连 接，压缩机电磁阀负责控制压缩机。压缩机电磁阀闭合时，压缩机启动工作，蒸 发器便能从流过的空气中吸收热量，使空气降温。 暖水电池阀负责控制暖风散热器。当暖水电磁阀吸合时，发动机冷却水流经 暖风散热器，这样便可通过发动机的余热进行热交换，对经过散热器的空气加热。 混合风门电机负责控制混合风门开度。混合风门控制流经暖风散热器和蒸发 器的空气总量，也就是控制两种空气的混合程度。 风向风门电机负责控制风向风门。风向风门控制空调的出风方式，也就是使 处理后的空气从下吹风口、前吹风口或除霜风口吹出。 综上，整个汽车空调控制系统通过六个受控装置来完成控制，其分别是鼓风 机调速电路、内外循环电磁阀、压缩机电磁阀、混合风门电机、风向风门电机和 暖水电磁阀。 2 5 汽车空调的特殊性 汽车空调和一般建筑空调相比，有其特殊性。首先，汽车是个移动的物体， 外界气候条件的剧烈变化造成车外热负荷变化大，这使得难以制定标准的车外设 计参数。其次，由于汽车车厢内乘员密度高，人体热量大，这对制冷能力提出更 高的要求。汽车空调的开启与乘员进入车厢往往是同一时间，乘员要求一进入车 室，就能在短的时间内感受到效果。而在空调开启之前，车身在的蓄热量或蓄冷 量却很大。这些因素导致汽车空调所承载的负荷大，要能快速降温或升温。所以， 汽车空调的制冷或采暖能力应强于建筑空调。此外，汽车是高速运动的物体，与 外界的对流热交换量大，但车身难以隔热，玻璃车窗所占面积较大，车厢内得热 9 电子科技大学硕士学位论文 量或失热量也大。如果长时间将汽车直接暴露在太阳下或风雪中，进入车厢的热 负荷或冷负荷要比普通房间大得多。在夏季，若汽车长时间处于烈日下，车内温 度会升到5 0 度以上。汽车所使用的环境也很严酷，这些环境因素往往使车上电子 装置的性能恶化，以致不能完成规定的功能甚至损坏，出现可靠性故障。因此汽 车空调控制系统与普通控制系统相比，有其特殊要求。 1 对温度和湿度环境的要求。车辆外部的环境温度最高可达5 0 ，最低达一4 0 ，但车内部件的工作环境却因其位置不同而相差极大。 2 对振动冲击环境的要求。汽车各部件必须承受由路面不平而引起的较大振 动和冲击。 3 对电气环境的要求。汽车电源瞬时电压及波动等将形成较坏的电气环境。 2 6 本章小结 本章首先从结构和发展趋势方面介绍了单片机知识，然后简要概述了单片机 的应用，然后介绍了汽车空调的原理及其特殊性。 l o 第三章c a n 总线 第三章c a n 总线 现场总线技术已发展成为现代工业自动化技术中的热点。控制器局域网 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，是国际上应用最广泛的现场总线之一【8 】。c a n 是一 种多主方式的串行数据通讯总线【9 】，基本设计规范要求，有高抗电磁干扰性，快速 的位速率并且能够及时检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到l o 千米时， c a n 提供的数据传输速率仍能高达5 0 k b p s 。作为一种可靠性高【l o 】、技术先进、成 本合理、功能完善的远程网络通讯控制工具，c a n 已被广泛应用到各种控制领域。 3 1c a n 总线的发展 2 0 世纪8 0 年代初期，由于消费者对汽车功能的要求越来越多，同时这些功能 的实现又是基于电子操作的，这使得电子装置之间的相互通讯变得更加复杂，同 时也意味着需要更多的信号连接线。在此情况下，如果仍采用通常的布线方式， 即把电线一端与用电设备相连，另一端与开关相连，将不可避免地导致车上电线 数量急增，其质量将会占到整车质量的4 左右。另外，电控系统的使用固然能提 高轿车的动力性、舒适性和经济性，但随之带来的电路复杂性使车辆的可靠性降 低，也增加了维修的难度【1 1 1 。以上因素导致汽车电气技术改革的呼声日益高涨。 为此，德国b o s c h 公司【1 2 】提出了c a n 总线方案，并解决了汽车控制装置间的通信问 题。c a n 总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通 讯可靠性和实时性，而且简单实用，网络成本低廉。特别适用于汽车计算机控制 系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。 3 2c a n 协议层 c a n 通讯协议，主要描述设备之间的信息传递方式。0 s i 开放系统互连参考 模型将网络协议分为七层，由上至下分别为：应用层、表示层、会话层、传输层、 网络层、链路层和物理层。根据i s o o s i 开放系统互连参考模型，为了满足现场 设备间通信的实时性要求，c a n 规范只在数据链路层和物理层上进行了定义。在 数据链路层，c a n 特别定义了逻辑链路控制子层( l l c ) 和完整的媒体访问控制子层 电子科技大学硕士学位论文 ( m a c ) 。 逻辑链路控制子层( l l c ) 的作用范围包括：为远程数据请求以及数据传输提供 服务，确定由实际要使用的l l c 子层接收哪一个报文，为恢复管理和过载通知提供 手段。 m a c 子层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、故障界定、 错误检测和出错标定。总线上开始发送新报文的时间及开始接收报文的时间，均 在m a c 子层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是m a c 子层的一部分。 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。同 一网络的物理层，对于所有的节点是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是 有自由性。c a n 协议规范在物理层只定义了信号是如何实际地传输的，包括对位时 间、位编码、同步的解释，并没有定义物理层的驱动器和接收器的特性，以便允 许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 考虑到汽车中的特殊工作环境，c a n 协议对数据通信提供了如下保证： 1 数据通信的可靠性采用c r c 校验以及独特的数据信号表示方式【1 3 】，并具有 错误识别及自动重发功能。 2 数据通信的实时性数据传输速率高达l m b p s ，优先级高的数据享有占用总 线的优先权，并且该类数据可在1 3 4 u s 内得到传输。 第三章c a n 总线 图3 1 数据帧组成 2 远程帧：某个需要获得数据的总线节点可以借助于发送一个远程帧给 对应的节点，以请求对方发送数据给自己。远程帧由6 个不同的位( b i t ) 场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧结束。和数据 帧不同的是远程帧的t r r 位是“1 ”，这须由用户程序填充。远程帧 不存在数据场。远程帧的组成如图3 2 所示： 帧起始应答场 图3 2 远程帧组成 3 出错帧：任何单元一旦检测到一个总线错误就发送错误帧。出错帧由 两个不同的场组成，第一个场由错误标志叠加得到，紧随其后的是出 错界定符。错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志，一种是认 可错误标志。活动错误标志由“0 0 0 0 0 0 ”组成，认可错误标志由 “1 1 1 1 1 l 组成。一个检测到出错条件的“错误活动 节点通过发送 一个活动错误标志进行标注。同理，其他节点若同样也检测到出错条 件，则也发送出错标志。出错帧的组成如图3 3 所示： 图3 3 出错帧组成 4 超载帧：用以在先行的和后续的数据帧或远程帧之间提供附加的延 时。包括两个位场：超载标志和超载界定符。超载帧的组成如图3 4 所示： 1 3 电子科技大学硕士学位论文 3 4c a n 总线技术优点 图3 _ 4 超载帧组成 c a n 属于总线形式串行通信网络，采用了许多新技术及独