毕业设计（论文）-ARM系统在汽车制动测试系统中的应用修改.doc

摘摘 要 要 汽车的制动性能是汽车性能的重要指标之一 是汽车检测中的重要项目 目前制动性能检测有台架法和路试法 台架法虽然被广泛使用 但是由于其检 测结果不能完全反应汽车实际制动过程中的运动变化 存在一定的缺陷 而路 试法能确切的检测汽车道路行驶制动的性能 随着计算机技术的飞速发展 越 来越多的融入先进技术的便携式道路制动性能测试系统被研制出来 本文介绍了GB7258 2004 机动车运行安全技术条件 对路试法检测制动性 能的测试标准和测试内容的规定 分析了行车制动的过程 提出了测试各运动 量的测试方法 基于这些测试方法设计了一种基于路试法检测汽车制动性能的 测试系统 该系统采用目前先进的嵌入式软硬件技术 设计了采集和处理试验 数据的ARM系统 ARM系统部分以ARM7内核的微处理器LPC2294为核心 扩 展了键盘 液晶显示 试验数据存储 USB接口等硬件模块 通过A D和定时 器捕获等功能接口 采集来自ARM系统前端的非接触式传感器的车速信号和制 动踏板力信号 处理后的数据可以在液晶上显示出来 存储在数据存储单元 同时也可以通过USB接口将采集和计算的各种数据传送到上位机中 设计了上 位机上对制动性能分析与评价软件 它可以绘制出制动过程中的速度 时间等曲 线 并对制动性能做出评价 关键字 关键字 汽车 制动性能 ARM UC OS 目目 录录 引引 言言 1 1 1 设计要求设计要求 4 2 2 汽车制动性能测试方法汽车制动性能测试方法 4 2 1制动过程分析 4 2 2测试标准与测试内容 5 2 2 1 制动距离检测行车制动性能标准 5 2 2 2 充分发出的平均减速度检验行车制动性能标准 5 3 3 系统硬件部分设计系统硬件部分设计 6 3 1系统硬件部分总体设计 6 3 2 传感器信号调理 6 3 3ARM 微处理器 LPC2294 7 3 4系统电源电路 9 3 5复位晶振电路 9 3 6键盘扩展电路 10 4 4 系统软件部分设计系统软件部分设计 12 4 1系统软件总体设计 12 4 2ARM 微处理器与上位计算机串行通信 13 4 3程序流程图 14 5 5 测试结果测试结果 14 6 6 总结总结 15 参考文献参考文献 16 引引 言言 汽车的制动性能是汽车性能的重要指标之一 是汽车检测中的重要项目 目 前制动性能检测有台架法和路试法 台架法虽然被广泛使用 但是由于其检测 结果不能完全反应汽车实际制动过程中的运动变化 而且台架测试中通常以车 轮制动力的大小和左右车轮制动力的差值来评价汽车的制动性能 在台架实验 中 一般不对这个制动过程的踏板力 制动力和制动时间的关系进行记录 这 对于制动系统没有故障且无迟滞现象的多数汽车是合理的 但是对于制动时有 明显迟滞现象的汽车 台架检测合格的汽车 实际上不一定合格 另一方面 在台架上检测时 前后轴为静载荷 不变化 而在路面测试时 由于惯性的作 用 前后轴载荷会发生变化 而这种变化会影响到制动效果 因此台架检测汽 车的制动性有一定的局限性 存在一定的缺陷 而路试法能比较准确的反映汽车制动的实际过程 但同时也要求路试法检测 设备具有很高的实时性和高速数据处理能力 随着计算机的飞速发展 越来越 多的融人先进技术的便携式道路制动性能测试系统被研制出来 国标路试法制 动性能的检测项目做出了规定 根据 GB7258 2004 规定 路试法检测汽车制动性 能的检测项目 制动距离 充分发出的平均减速度 制动踏板力 制动时间 这些检测的数据采集和处理 要求的实时性和精度都非常高 而且需要很多扩展 功能 为满足汽车的制动性能检测的要求 本文设计了基于 ARM 的汽车制动性能 检测系统 一 汽车制动性能检测技术发展 一 汽车制动性能检测技术发展 一一 制动控制系统的历史制动控制系统的历史 最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力 这时的车辆的质量比较小 速度比较低 机械制动虽已满足车辆制动的需要 但随着汽车自质量的增加 助力装置对机械制动器来说已显得十分必要 这时 开始出现真空助力装置 随着科学技术的发展及汽车工业的发展 车辆制动有 了新的突破 液压制动是继机械制动后的又一重大革新 20 世纪 80 年代后期 世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱制动系统 ABS 的实用和推广 ABS 集微电子技术 精密加工技术 液压控制技术为一体 是机电一体化的高技术 产品 它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性 防抱装置一般包括三 部分 传感器 控制器 电子计算机 与压力调节器 传感器接受运动参数 如 车轮角速度 角加速度 车速等传送给控制装置 控制装置进行计算并与规定 的数值进行比较后 给压力调节器发出指令 二二 制动控制系统的现状制动控制系统的现状 传统的制动控制系统只做一样事情 即均匀分配油液压力 当制动踏板踏下 时 主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路 并通过一个比例阀使前 后平衡 而 ABS 或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要时对油液压 力进行调节 目前 车辆防抱制动控制系统 ABS 已发展成为成熟的产品 并在各种车辆 上得到了广泛的应用 但是这些产品基本都是基于车轮加 减速门限及参考滑 移率方法设计的 另外 由于编制逻辑门限 ABS 有许多局限性 所以近年来在 ABS 的基础上 发展了车辆动力学控制系统 VDC 结合动力学控制的最佳 ABS 是以滑移率为 控制目标的 ABS 它是以连续量控制形式 使制动过程中保持最佳的 稳定的 滑移率 理论上是一种理想的 ABS 控制系统滑移率控制的难点在于确定各种路 况下的最佳滑移率 另一个难点是车辆速度的测量问题 它应是低成本可靠的 技术 并最终能发展成为使用的产品 因此 发展鲁棒性的 ABS 控制系统成为关键 现在 多种鲁棒控制系统应用 到 ABS 的控制逻辑中来 除传统的逻辑门限方法是以比较为目的外 增益调度 PID 控制 变结构控制和模糊控制是常用的鲁棒控制系统 是目前所采用的以 滑移率为目标的连续控制系统 另外 也有采用其它的控制方法 如基于状态空门及线性反馈理论的方法 模糊神经网络控制系统等 各种控制方法并不是单独应用在汽车上 通常是几 种控制方法组合起来实施 如可以将模糊控制和 PID 结合起来 兼顾模糊控制 的鲁棒性和 PID 控制的高精度 能达到很好的控制效果 三三 制动控制系统的发展制动控制系统的发展 今天 ABS ASR 已经成为欧美和日本等发达国家汽车的标准设备 车辆制动 控制系统的发展主要是控制技术的发展 一方面是扩大控制范围 增加控制功 能 另一方面是采用优化控制理论 实施伺服控制和高精度控制 在第一方面 ABS 功能的扩充除 ASR 外 同时把悬架和转向控制扩展进来 使 ABS 不仅仅是防抱死系统 而成为更综合的车辆控制系统 在第二个方面 一些智能控制技术如神经网络控制技术是现在比较新的控制 技术 已经有人将其应用在汽车的制动控制系统中 ABS ASR 并不能解决汽车 制动中的所有问题 因此由 ABS ASR 进一步发展演变成电子控制制动系统 EBS 这将是控制系统发展的一个重要的方向 四四 全电路制动全电路制动 BBW BBW BBW 是未来制动控制系统的 L 发展方向 全电制动不同于传统的制动系统 因为其传递的是电 而不是液压油或压缩空气 可以省略许多管路和传感器 缩短制动反应时间 其主要包含以下部分 a 电制动器 其结构和液压制动器基本类似 有盘式和鼓式两种 作动器是电 动机 b 电制动控制单元 ECU 接收制动踏板发出的信号 控制制动器制动 接收 驻车制动信号 控制驻车制动 接收车轮传感器信号 识别车轮是否抱死 打 滑等 控制车轮制动力 实现防抱死和驱动防滑 c 轮速传感器 准确 可靠 及时地获得车轮的速度 d 线束 给系统传递能源和电控制信号 e 电源 为整个电制动系统提供能源 与其他系统共用 系统一旦出现故障 立即发出信息 确保信息传递符合法规最适合的方法是 多重通道分时区 TDMA 它可以保证不出现不可预测的信息滞后 TTP C 协议 是根据 TDMA 制定的 第三是抗干扰处理 车辆在运行过程中会有各种干扰信 号 如何消除这些干扰信号造成的影响 目前存在多种抗干扰控制系统 基本 上分为两种 即对称式和非对称式抗干扰控制系对称式抗干扰控制系统是用两 个相同的 CPU 和同样的计算程序处理制动信号 非对称式抗干扰控制系统是用 两个不同的 CPU 和不一样的计算程序处理制动信号电制动控制系统首先用在混 合动力制动系统车辆上 采用液压制动和电制动两种制动系统 五五 结论结论 现代汽车制动控制技术正朝着电子制动控制方向发展 全电制动控制因其巨 大的优越性 将取代传统的以液压为主的传统制动控制系统 同时 随着其他 汽车电子技术特别是超大规模集成电路的发展 电子元件的成本及尺寸不断下 降 汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统 汽车主 动式方向摆动稳定系统 电子导航系统 无人驾驶系统等融合在一起成为综合 的汽车电子控制系统 未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统 各种控制 单元集中在一个 ECU 中 并将逐渐代替常规的控制系统 实现车辆控制的智能 化 但是 汽车制动控制技术的发展受整个汽车工业发展的制约 有一个巨大的 汽车现有及潜在的市场的吸引 各种先进的电子技术 生物技术 信息技术以 及各种智能技术才不断应用到汽车制动控制系统中来 同时需要各种国际及国 内的相关法规的健全 这样装备新的制动技术的汽车就会真正应用到汽车的批 量生产中 1 1 设计要求设计要求 采用 ARM 系统构建一个路试法的汽车制动性能测试系统 检测项目有 制 动距离 充分发出的平均减速度 制动踏板力 制动时间 这些检测的数据采 集和处理 要求的实时性和精度都非常高 而且需要很多扩展功能 为满足汽车的 制动性能检测的要求 现代汽车制动系统的发展趋势 2 汽车制动性能测试方法汽车制动性能测试方法 2 1 制动过程分析制动过程分析 图 2 1 图 2 1 是汽车制动过程中制动踏力板 速度 减速度 距离随时间变化的理 想曲线 如图 2 1 a 驾驶员接到紧急制动信号 由于驾驶员有个反应过程 不可以立即采取行动 需要经过时间才开始踩制动踏板 这段时间叫驾驶员 1 t 反应时间 它包括驾驶员发现障碍 识别障碍并作出决定 脚从油门踏板换成 制动踏板的时间 以及消除制动间隙时间 这一般时间为 接下来驾驶3 0s1 员持续踩下制动踏板 踏板力不断增加 一直到达最大值 这段时间踏板力增 大时间 如图 2 1 从脚踩下制动踏板 到汽车开始减速需要经过时 b tb 12 t 间 这些主要用于消除制动的一些间隙 减速度从 1 点开始持续增加 到最大 值的 2 点 此后减速度保持不变 持续制动到 3 点 汽车停止在 3 点 这段时 间称持续制动时间从 时间内 由于汽车并未产生减速 这段时间内 汽 1 t 21 t 车基本上保持匀速运动 从 1 点以后 由于有减速度 速度一直减小直至停止 如图 2 1 通过以上的制动分析可知 本系统测量的制动过程是制动踏板c 被踩下到汽车完全停止住 故汽车的制动是 这段时间汽车驶过的距 32221 ttt 离就是制动距离 如图 2 1 d 2 2 测试标准与测试内容测试标准与测试内容 2 2 12 2 1 制动距离检测行车制动性能标准制动距离检测行车制动性能标准 制动距离是指汽车在规定初速度下急刹车 从脚接触制动踏板至汽车停时汽车 驶过的距离 制动稳定性要求 机动车的任何部位不允许超出规定宽度的实验通道的边缘线 表 2 1 是 机动车运行安全技术条件 路试法测试行车制动性20047258 GB 能对制动距离和制动稳定性要求 表 2 1 制动距离与制动稳定性要求 汽车类型制动初 速度 hKm 满载制动距离要 求 m 空载制动距离要 求 m 实验通道宽 度 m 三轮汽车200 5 2 5 乘用车50 0 20 0 19 2 5 总质量 的低速 Kg3500 货车 300 9 0 8 2 5 其它总质量 的汽车Kg3500 50 0 22 0 21 2 5 其它汽车 汽车 列车 30 0 10 0 9 3 0 2 2 2 充分发出的平均减速度检验行车制动性能标准充分发出的平均减速度检验行车制动性能标准 充分发出的平均减速度充分发出的平均减速度 3 1 其中 MFDD 92 25 22 be eb ss vv 实验车制动初速度 0 vhKm 0 8 实验车速 b v 0 vhKm 0 1 实验车速 e v 0 vhKm 实验车速从到之间车辆行驶距离 b s 0 vb v m 实验车速从到之间车辆行驶距离 e s 0 v e vm 3 3 系统硬件部分设计系统硬件部分设计 3 1 系统硬件部分总体设计系统硬件部分总体设计 从制动性能测试系统的功能要求出发 设计了如图 3 1 的测试系统 包括微 处理器 信号输人 键盘驱动电路 液晶显示 接口 数据存储等模块 图 3 1 微处理器采用芯片 其核心是 它是一款基于 16 32 位 既可以执ARM2294LPC 行 32 位的 指令 也可以执行 16 位指令 支持实时仿真和跟踪的ARMThumb 内部有 16 静态和 256的 有高速CPU2294LPCKBRAMKBFlash ROM 接口 8 路 10 位 转换器 CI 2 DA 3 2 传感器信号调理传感器信号调理 图 3 2 车速传感器与踏板开关信号处理电路图 如图 3 2 踏板开关信号经过光电隔离后在经过SIGNALSWPOW 反向后输入到的外部中断 1 引脚 速度传感器的速度脉冲信0474HC2294LPC 号经过光电耦合后经过反向后输入到的定时器SIGNALVEL 0474HC2294LPC 捕获引脚 光耦输出端使用的电源经过 DC DC 模块隔离的 这0 1CAP0505B 样就实现了踏板开关信号 速度信号与信号输入端的隔离 2294LPC 如图 3 3 踏板力传感器输出的信号是 0 12V 的电压信号 而的2294LPC A D 口的模拟电压输出范围是 0 3 3V 实现这一电压转换使用两级运算放大器 是实现 图 3 3 踏板力传感器信号处理电路 3 33 3 ARMARM 微处理器微处理器 LPC2294LPC2294 LPC2294 是基于一个支持实时仿真和跟踪的 16 32 位 CPU 并带有 256 k 字节 嵌入的高速 Flash 存储器 128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位 代码能够在最大时钟速率下运行 对代码规模有严格控制的应用可使用 16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30 而性能的损失却很小 由于LPC2292 2294的144脚封装 极低的功耗 多个32位定时器 8路10位 ADC 2 4 LPC2292 LPC2294 路CAN PWM通道以及多达9个外部中断使它们 特别适用于汽车 工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线 LPC2292 2294 包含76 使用了外部存储器 112 单片 个GPIO口 由于内置了宽范围的 串行通信接口 它们也非常适合于通信网关 协议转换器以及其它各种类型的 应用 LPC2294主要特征 16 32位ARM7TDMI S微处理器 LQFP144封装 16 kB片内静态RAM和256kB片内Flash程序存储器 128位宽接口 加速器可 实现高达60MHz的工作频率 通过片内boot装载程序实现在系统编程 ISP 和在应用编程 IAP 512 字节行编程时间为1ms 单扇区或整片擦除时间为400ms EmbeddedICE RT和嵌入式跟踪接口使用片内RealMonitor软件对任务进行实 时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪 2 4 LPC2292 2294 个互连的CAN接口 带有先进的验收滤波器 多个串行 接口 包括2个16C550工业标准UART 高速I 2C接口 400 kbit s 和2个SPI 接口 8路10位A D转换器 转换时间低至2 44 s 2个32位定时器 带4路捕获和4路比较通道 PWM单元 6路输出 实 时时钟和看门狗 向量中断控制器 可配置优先级和向量地址 通过外部存储器接口可将存储器配置成4组 每组的容量高达16Mb 数据宽 度为8 16 32位 多达112个通用I O口 可承受5V电压 9个边沿或电平触发的外部中断引 脚 通过片内PLL可实现最大为60MHz的 CPU操作频率 片内晶振频率范围 1 30 MHz 2个低功耗模式 空闲和掉电 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒 可通过个别使能 禁止外部功能来优化功耗 双电源 CPU操作电压范围 1 65 1 95 V 1 8 V 0 15 V I O操作电压范围 3 0 3 6 V 3 3 V 10 可承受5V电压 图3 4LPC2294内部结构 3 43 4 系统电源电路系统电源电路 LPC2294 使用双电源 其内核 CPU 采用 1 8V 电压 I O 口使用 3 3V 电压 而 液晶显示模式使用 5V 电压 踏板力传感器和非接触式传感器使用 12V 电压供 电 故需为系统提供以上四种电压 本系统中电源部分采用 12V 电压输入 电 源转换电路如图 3 6 外部提供 12V 电源 经过两级 DC DC 转换可以得到 LPC2294 所需要的两种电压 第一级经过 L7805CV 将 12V 转到 5V 第二级则分 别使用 DC DC 模块 SPX1117M3 3 3 和 SPX1117M3 1 8 是将 3 3V 到 1 8V 图 3 5 系统电源电路 3 53 5 复位晶振电路复位晶振电路 复位是将微处理器初始化为某个确定的初始化状体 复位信号的产生电路有 很多种 最简单的阻容复位电路 但这种复位电路可靠性较差 不能保证任何 情况下都能对微处理器进行复位 图 3 7 是使用 SP708S 扩展的外部手动的复位 电路 SP708S 支持高 低电平两种复位方式 LPC2294 是采用低电平复位 选择 SP708S 的低电平复位引脚 7 与 LPC2294 的复位引脚连接 可以产生 200宽度ms 的复位脉冲 实现对 LPC2294 的复位 图 3 6 系统复位电路 LPC2294 在使用外部晶振时 微控制器仅支持 1 30HZ 的外部晶振 LPC2294 的振荡器可以在工作在从属模式和振荡模式 本系统外部晶振模式时 晶振电 路图如图 3 8 图 3 7 系统晶振电路 3 63 6 键盘扩展电路键盘扩展电路 特点 I2C串行接口提供键盘中断信号方便与处理器接口 可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键 可控扫描位数可控任一数码管闪烁 提供数据译码和循环移位段寻址等控制 8个功能键可检测任一键的连击次数 无需外接元件即直接驱LED可扩展驱动电流和驱动电压 提供工业级器件多种封装形式PDIP24 SO24 引脚图如3 8 图3 8 ZLG7290的引脚图 功能描述 a 键盘部分 ZLG7290可采样16个按键或传感器可检测每个按键的连击次数其基本功能如 下 1 键盘去抖动处理 当键被按下和放开时可能会出现电平状态反复变化称作键盘抖动若不作处理 会引起按键盘命令错误 所以要进行去抖动处理以读取稳定的键盘状态为准 2 双键互锁处理 当有两个以上按键被同时按下时ZLG7290只采样优先级高的按键优先顺序为 S1 S2 S64 如同时按下S2 和S18 时采样到S2 3 连击键处理 当某个按键按下时 输出一次键值后如果该按键还未释放该键值连续有效就 像连续压按该键一样 这种功能称为连击连击次数计数器RepeatCnt 可区别出 单击某些功能不允许连击如开 关或连击判断连击次数可以检测被按时间以防 止某些功能误操作如连续按5 秒经入参数设置状态 4 功能键处理 功能键能实现2 个以上按键同时按下来扩展按键数目或实现特殊功能如PC机 上的Shift Ctrl Alt键典型应用图中的S57 S64 为功能键 图3 9 ZLG7290的原理图 图 3 10 键盘扩展电路 4 4 系统软件部分设计系统软件部分设计 4 14 1 系统软件总体设计系统软件总体设计 系统软软件部分主要由系统层 驱动层和应用层组成 系统层设计首先是 进行嵌人式操作系统内核的移植 再对内核扩形成一个简单 高效的操作系统 驱动层是在系统层上开发硬件驱动程序 它是实现应用层对硬件使用的接口 应用层设计是在操作系统的基础上进行任务设计 如数据采集任务 数据处理 任务 通讯任务 显示任务和键盘扫描任务 件部分总体设计 图 4 1 系统软件部分总体设计框图 软件部分主要由系统层和应用层组成 系统层设计首先是进行嵌入式操作系 统内核的移植 再对内核扩展形成一个简单 高效的操作系统 应用层设计是 在操作系统的基础上进行数据采集任务 数据处理任务 通讯任务 显示任务 和键盘扫描任务的设计 系统层以免费 成熟的 C OS II 操作系统内核为基础进行扩展 根据 C OS II 的 体系结构 它的移植包括 OS CPU H OS CPU A ASM OS CPU C C 三个文件中的代码进行移 植 以及对与之应用设置相关的 OS CFG H INCLUDE H 两个文件中的代码进行移植 在 C OS II 提供的任务调度内核的基础上通过设计驱动程序模块 操作系统 的 API 函数 系统的任务 任务调度模块等模块对操作系统内核进行扩展 通 过设计实现 LCD 和 USB 设备的接口函数 建立驱动程序模块 使操作系统 API 函数和底层硬件分离开 操作系统的 API 函数部分主要是设计图形用户接口 GUI 函数 建立系统 API 函数库 系统任务设计液晶显示屏刷新任务 按键 扫描任务两个基本任务 并随操作系统的启动而运行 4 24 2 ARMARM微处理器与上位计算机串行通信微处理器与上位计算机串行通信 将ARM微处理器采集的车速 轮速等数据通过串行通信的方式传递给上位计 算机 并由上位 计算机中己编制好的Visual Basic6 0程序进行数据计算 以 实现对汽车制动性能的 评价 串行通信的控件属性设置方法如下 在VB窗体上 布置一MSComm控件 作为串行通信的 通道 将属性窗口中的CommPort属性值修 改为2 将RTHreshold属性设为1 即只要外界传送 任何字符串 随即引发事件 实现数据在ARM微处理器与上位计算机之间的传输 部分串行通信程序代码如下 long UARTEnable long I Port long I DataRate long I DataBits long I StopBits long I Parity long I EvenParity unsigned rhar puePtr unsigned char HwBaseAddress 硬件的基地址 long I Rates 12 115200 76800 57600 38400 28800 19200 14400 9600 4800 2400