abs电子控制单元硬件电路设计.doc

一. 引言现在越来越多的人开始注意与人身安全密切相关的设备，如ABS、安全气囊等。汽车制动防抱死系统，简称为ABS，是提高汽车被动安全性的一个重要装置。有人说制动防抱死系统是汽车安全措施中继安全带之后的最大进展，是提高汽车制动安全性的又一重大进步。ABS有的四大优点：1. 加强对车辆的控制。装备有ABS的汽车，驾驶员在紧急制动过程中仍能保持着很大程度的操控性，可以及时调整方向，对前面的障碍或险情做出及时、必要的躲避。而未配备ABS的车辆紧急制动时容易产生侧滑、甩尾等意外情况，使驾驶员失去对车辆的控制，增加危险性。 2. 减少浮滑现象。没有配备ABS的车辆在潮湿、光滑的道路上紧急制动，车轮抱死后会出现车辆在路面上保持惯性继续向前滑动的情况。而ABS由于减少了车轮抱死的机会，因此也减少了制动过程中出现浮滑的机会。 3. 有效缩短制动距离。在紧急制动状态下，ABS能使车轮处于既滚动又拖动的状况，拖动的比例占20左右，这时轮胎与地面的摩擦力最大，即所谓的最佳制动点或区域。普通的制动系统无法做到这一点。 4. 减轻了轮胎的磨损。使用ABS消除了在紧急制动过程中抱死的车轮使轮胎遭受不能修复的损伤，即在轮胎表面形成平斑的可能性。大家留心就会发现，在道路上留下长长刹车痕迹的是未装备ABS的车辆，而装备了ABS的车辆，只会留下轻微的刹车痕迹，并且是一小段一小段的，明显减少了轮胎和地面的磨损程度。二. ABS的基本工作原理ABS通常都由控制装置和ABS警示灯等组成。在不同的ABS系统中，制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往不同，电子控制装置的内部结构和控制逻辑以及车轮转速传感器、制动压力调节装置都不尽相同。在常见的ABS系统中，每个车轮上各安装一个转速传感器，将有关各车轮转速的信号输入电子控制装置。电子控制装置根据各车轮转速传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定，并形成相应的控制指令。制动压力调节装置主要由调压电磁阀组成，电动泵组成和储液器等组成一个独立的整体，通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连。制动压力调节装置受电子控制装置的控制，对各制动轮缸的制动压力进行调节。ABS的工作过程可以分为常规制动，制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大等阶段。在常规制动阶段，ABS并不介入制动压力控制，调压电磁阀总成中的各进液电磁阀均不通电而处于开启状态，各出液电磁阀均不通电而处于关闭状态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态，而各制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的输出压力而变化，此时的制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同。在制动过程中，电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时，ABS就进入防抱制动压力调节过程。例如，电子控制装置判定右前轮趋于抱死时，电子控制装置就使控制右前轮刮动压力的进液电磁阀通电，使右前进液电磁阀转入关闭状态，制动主缸输出的制动液不再进入右前制动轮缸，此时，右前出液电磁阀仍末通电而处于关闭状态，右前制动轮缸中的制动液也不会流出，右前制动轮缸的刮动压力就保持一定，而其它末趋于抱死车轮的制动压力仍会随制动主缸输出压力的增大而增大；如果在右前制动轮缸的制动压力保持一定时，电子控制装置判定右前轮仍然趋于抱死，电子控制装置又使右前出液电磁阀也通电而转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制动波就会经过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器，使右前制动轮缸的制动压力迅速减小右前轮的抱死趋势将开始消除，随着右前制动轮缸制动压力的减小，右前轮会在汽车惯性力的作用下逐渐加速；当电子控制装置根据车轮转速传感器输入的信号判定右前轮的抱死趋势已经完全消除时，电子控制装置就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液电磁阀转入关闭状态，同时也使电动泵通电运转，向制动轮缸泵输送制动液，由制动主缸输出的制动液经电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的制动压力迅速增大，右前轮又开抬减速转动。ABS通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复而将趋于防抱车轮的滑动率控制，在峰值附着系数滑动率的附近范围内，直至汽车速度减小至很低或者制动主缸的常出压力不再使车轮趋于抱死时为止。制动压力调节循环的频率可达320HZ。在该ABS中对应于每个制动轮缸各有对进液和出液电磁阀，可由电子控制装置分别进行控制，因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节，从而使四个车轮都不发生制动抱死现象。制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大这三个阶段会在每秒内循环26次，直至没有车轮抱死的顾虑。早期的系统控制速率是相当低的，然而随着电子元件的发展，控制速率可以提高，但是因为液压太低的关系，这个作用就抵消了。此外，控制频率太高，可能会造成前、后轴的共振而损坏零件。尽管各种ABS的结构形式和工作过程并不完全相同，但都是通过对趋于抱死车轮的制动压力进行自适应循环调节，来防止被控制车轮发生制动抱死。汽车上安装的液压或气压制动器，称为常规制动装置。这种装置在紧急刹车时往往将车轮完全抱死，使车轮滑移(拖印)，从而使汽车制动停车距离相对延长，并伴有制动跑偏、侧滑和失去转向能力等危及行车安全的现象发生。 常规制动系统的正常工作，是ABS系统工作的基础。若常规制动装置发生故障，ABS系统失效。若ABS系统发生故障，常规制动装置仍会正常工作，只是没有防止车轮抱死的功能而已。 图31三、ABS的理论分析3.1制动时车轮的受力分析 1.地面制动力(FB)如 图31所示，M为制动器中的摩擦力矩，VF为汽车瞬时速度，FB为地面制动力,G为车轮垂直载荷，C乙为地面对车轮的反作用力，r为车轮滚动半径，VR为车轮圆周线速度(VR=r)，Fs为侧向力,为车轮角速度,为侧偏角。当汽车使用车轮制动器制动时，由于制动盘(鼓)与制动蹄摩擦衬片之间的摩擦作用，形成了摩擦力矩M，此力矩与车轮转动方向相反。车轮在M的作用下给地面一个向前的作用力，与此同时地面给车轮一个与行驶方向相反的切向反作用力FB，这个力就是地面制动力，它是迫使汽车减速或停止的外力。由力矩平衡原理可得到：FB=M/r2.制动器的制动力(F) 若把车轮架离地面，这时阻止车轮转动的便是制动器的摩擦力矩M。由图1可知： 图32F=M/r 制动器制动力是由制动器的参数决定的，并与制动踏板力(即制动时液压或汽压压力)成正比。3.地面制动力，制动器制动力与轮胎道路附着力的关系如图32所示为不考虑制动过程中附着系数值变化的地面制动力FB、制动器制动力F以及轮胎与道路附着力F三者的关系。由图可知，当驾驶员踩制动踏板的力较小，制动器摩擦力矩M较小时，车轮只做减速滚动，并且随着M的增加，F和FB也随之成正比增长，且在车轮未抱死之间，FB=F，此时F可全部转化为地面制动力，但FB不可能超过F，即：FBF=G乙或地面最大制动力FBmax为FBmax=F当制动器压力(制动踏板力)增大到某一值，FB达到F值，即地面制动力达到最大值(FBmax)时，车轮即开始抱死不转而出现抱死拖滑现象。当再增大制动器的压力时，F随M片的增长仍按直线关系上升(见图2中虚线上升段)。但是，FB已达F值，因此FB不再随制动器制动力的增加而增加。 由上述分析知，要想获得好的制动效果，必须同时具备两个条件，即汽车具有足够的F，同时又要有附着系数较高的路面提供足够的FB。3.2滑移率(S)与最佳制动状态 1.滑移率的定义及其表达式所谓滑移率，是指车轮在制动过程中滑移成份在车轮纵向运动中所占的比例，用S表示。其定义表达式为：S=VF-VR/VF100%其中S为制动时车轮滑移率，VF为实际车速，VR为车轮滚动时圆周速率。 由上式可知:当汽车的实际车速等于车轮滚动时的圆周速度（VF=VR）时，滑移率为零(S=O)，车轮为纯滚动；当VR=O时，S=l00%，车轮完全抱死而作纯滑 (移)动；当0S100%时，车轮既滚动又滑动。2.附着系数与滑移率的关系在实际制动过程中，附着系数()是经常变化的，它的大小随着滑移率的变化而变化。实验测定，当滑移率为15%一30%的范围内时，车轮具有最大的纵向附着系数，即可产生的地面制动力最大，制动距离相对最短，制动效果最佳。 由实验还可知，当车轮处在纯滚动状态时，侧向附着系数最大，此时汽车保持转向和防止侧滑的能力最强。随着滑移率的增加，与制动过程方向稳定性有直接关系的侧向附着系数却急剧下降。当S=100%时，车轮抱死滑动，侧向附着系数变得极小，轮胎与路面之间的侧向附着力接近于零，车轮将完全丧失抵抗外界侧向力作用的能力。此时，稍有侧向力干扰(如路面不平产生的侧向力，汽车重力的侧向分力，侧向风力等)，汽车就会产生侧滑而失去稳定性。3.最佳制动状态由上述分析，汽车制动时，若能将滑移率(S)控制在最大附着系数所对应的滑移率范围内，即S为15%-30%时制动效果最佳。此时，不仅车轮的纵向附着系数最大，因而汽车获得的最大的地面制动力最大，制动停车距离相对最短；而且车轮的侧向附着系数也较大 (侧向附着系数约为最大侧向附着系数的50%一 75%)，所以可使汽车获得转向和防止横向侧滑所需要的侧向附着力，从而保持制动时的稳定性。 汽车在运行中，普通轮胎与道路的附着系数变化很大，在结冰道路上为0.1，在干混凝土道路上为0.8。在变化范围如此大的道路条件下行驶，要使制动接近或达到最佳制动状态，单纯靠驾驶员操作控制是不可能实现的，只有机电一体化的防抱死制动系统(ABS)，通过电子控制器(ECU)，车轮速度传感器和液压调节器，对制动压力进行瞬时控制(每秒约10次)，从而使汽车的实际制动过程接近于最佳制动状态成为可能。四. ABS计算机基本控制系统期望值车辆系统作动系统D/A转换控制器传感器A/D转换 图41 典型计算机控制系统汽车防抱死制动控制系统是一个典型的计算机控制系统，它由上图所示的框图所构成，其核心部分是控制器，它一方面要负责将传感器信号通过A/D转换或数字输入DI将信号采集道计算机的内存中去进行分析处理，另一方面要将控制命令通过D/A转换或数字输出去驱动作动系统，而控制器内部CPU通过软件编程来实现各种控制算法，所以控制器是控制系统的关键，它的实现取决了所选取的计算机的类型。相对于ABS系统，对基于车轮加、减速度门限值的控制方式而言，输入控制器的信号是速度脉冲，它由传感器采集感应出正弦信号，经过模拟电路的滤波整形修正为标准的系列方波信号，然后通过单片机的定时/计数器端口或数字输入端口输入到单片机内存中去，也可以将方波信号通过频率/电压变换变为连续模拟电压信号后再通过单片机的A/D转换端口采集到单片机的内存中去。单片机内部的微处理芯片将输入的各个轮速信号按一定的算法进行计算，如计算车辆参考速度和车轮角减速度，根据这些值的大小确定出相应的控制命令，即压力增加、压力减小及压力保持，然后将控制信号通过数字输出端口DO输出，经过模拟电路的驱动功率放大就可以直接驱动电磁阀，进而控制制动压力。同时输出的信号中还包括警告指示等。ABS系统是一类涉及车辆安全的系统，为保障这一系统的可靠性，控制器本身还有一套附加的安全检测系统，一般附加一个CPU专门用于安全检测，它对工作CPU进行监测。例如微处理器的功能检查：1.ROM区数据和RAM区数据输入输出的A/D转换的检查，I/O口的检查；2.电磁阀的检查，使电动机转动判断是否正常；3.电动机检查，使电动机转动判断是否正常；4.确认各轮速传感器采集的信号是否合适正常；5.电源电压的检查，当电压低于或高于工作电压允许的范围时，安全电路则向CPU送信息，所有这些故障都可以向CPU发送输入信号，由CPU经过处理后，再发出相应的故障代码，便于诊断和寻找故障。就目前而言，实现汽车的控制系统一般采用单片机计算机，在开发阶段也有采用通用微机的，采用微机在于可以利用微机强大的软、硬件资源以及网络功能实现复杂控制算法、高效的编程手段以及高速的运算速度。但作为研制的最终产品，无一例外都是采用单片机作为控制器的核心。所谓单片机就是一块硅晶片上把CPU、ROM、RAM中断控制，定时/计数器，I/O以及A/D转换计算机部件和电路集成在一起的智能器件，只需外接直流电源及时钟脉冲发生器就能工作。单片机在控制领域又称微控制器（Microcontroller），由于单片机体积小，重量轻，高可靠性，价格低廉，使用方便，因此十分使用于开发汽车电子控制系统。早期的汽车控制系统采用八位单片机，目前已经过渡倒十六位，有些系统如发动机管理系统已开始采用32位微机。目前防抱死系统采用较多的单片机是摩托罗拉(Motorola)、英特尔(Intel)及西门子(Simens)16位单片机。当今16位嵌入式微控制器以打开了市场，随着技术的积累和工业控制的细致化、智能化、结构密集化，要求嵌入式系统有更高的处理速度和寻址能力，更好的电磁兼容性能，支持多任务系统。目前推出的16位单片机就是按照这些发展趋势的要求而设计的。在速度上，新型16位微控制器现在可以达到20MIPS的处理速度，如此高的处理速度不仅仅因为时钟速度的提高，更主要的式来源于结构上的流水线设计。结构上的改变可以在相同的时钟速度情况下大幅度提高实际处理速度。而适中的时钟速度对于降低芯片和应用系统设计压力、提高电磁兼容和抗干扰性能、减小功耗等都是有利的。在寻址能力上，各大公司的产品都达到了24位的线性地址空间规模。在寻址方式上，支持间接寻址、扩展寻址、相对寻址和位寻址。五. ABS电子控制单元硬件设计5.1 ABS控制单元单片机的选择控制器的硬件一般采用单片机作为它的核心部件，所谓单片机就是将中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM/EPROM)、定时器/计数器和一些输入/输出(I/O)接口电路集成在一块芯片上的微型计算机，又可称为微控制器(MICROCONTROLLER)。它的特点是控制功能强，体积小，功耗小，成本低，所以它广泛应用于汽车电子控制系统中。选择单片机应根据实际情况，一般要求有合理的性能价格比，在满足性能要求的前提下采用较低位的单片机，最大限度地利用单片机的资源。控制器的核心便是单片计算机。选用单片机要充分利用各种外部端口的资源，同时要利用内部的存储器、中断，充分发挥它的运算速度，主要要考虑CPU的运算速度、内外部存储器以及输入、输出端口资源等。CPU运算速度取决于主频及内部、外部数据总线的位数，目前16位的单片机的主频可以达到50MHz，另外与CPU的结构有很大关系，在常规的累加器结构中通常数据计算都是通过累加器来进行的，移进移出数据，将导致计算放慢，而寄存器寄存器结构的CPU操作可以在内部寄存器之间进行，大大加快计算速度。CPU的时间一般消耗在数学运算过程中，特别式32位的浮点数计算，计算时间成倍的增加，一般情况下应避免采用浮点数计算，因为ABS系统要求计算频率非常高，一般5毫秒到10毫秒之间，CPU要完成各种计算，例如加减速度、参考滑移率等等，这种计算都是实时完成的。一般CPU的逻辑操作，如移位、输入、输出的操作都耗时较少。所以采用实际有效的控制算法是减少CPU耗时的关键。当然32位CPU要比16位CPU性能好，运转速度快，但价格相应要高的多。另外采用汇编语言要比采用高级语言，如C语言、PL/M语言，要快的多，但编程效率低。所以选择CPU速度要综合考虑。同样的CPU类型其内、外部数据与程序存储器也是多样的。控制器要根据需要选择不同的内、外部存储器，同时编程时要提高内存利用率，多用通用的变量，少定义专用的变量，以节省内存。目前ABS系统的程序容量一般在8K32K之间，内存数据储存器在256个字节以上。进入90年代，已大批量使用带有ROM、EPROM、EEPROM、FLASH EEPROM和一次写入(OTP型)的单片机。绝大多数的批量产品不再使用总线外引式的单片机。它真正符合了单片机的小型、简单、可靠、廉价的设计初衷。输入输出端口要充分地利用，如果使用不足则浪费了资源，外部总线8位的单片机I/O资源太少，无法用于ABS系统，外部总线16位的单片机一般可以满足ABS系统的要求，有些系统集成了防滑控制系统，16位总线也基本能满足要求。针对ABS系统控制，要求单片机具有控制功能强、处理速度快、体积小、成本低等特点，本文中设计的是基于亿恒科技的C164CI及C505CA双CPU 结构的ABS控制器硬件电路。5.2 CPU的特点及系统的总体布置ABS控制器框图见图51， 采用双CPU结构，控制器包括输入、输出、诊断、通讯网络、系统电源管理五个大的模块及辅助模块。图51 ABS控制器系统框图CPU是整个系统的心脏，它的性能决定了控制器性能的优劣。目前绝大多数产品都采用16位单片机。本文中选用的忆恒C164单片机是一款非常优秀的16位单片机，高性能CPU结合功能丰富的外设，每秒可执行1250万条指令，其功能结构图如图52。在CPU时钟20MHz时具有下面的性能特点。l 带有4级流水线高性能16位CPU。80ns最小指令循环时间，大多数指令仅需1个循环，即两个CPU循环。16位乘16位需400ns（20个CPU循环），32位除16位需800ns（20个CPU循环）。在20MHz时处理能力达到10MIP；多级高带宽内部数据总线；带有多级可变的寄存器池的基于寄存器设计；支持单循环上下文切换；16位数据/程序线性地址空间（冯 诺以曼结构）；l 带有自动堆栈上溢/下溢探测的系统堆栈缓存；带高效率的用于控制的指令集；位、字节子数据类型；灵活的有效的寻址模式；具有直接寻址6K字节的增强的逻辑位操作，可用于外设控制和用户定义标志；在运行时的硬件陷阱用于识别例外情况；HLL支持旗语操作和有效的数据访问；图52 C164功能结构图l 电源管理特点；可编程的系统减慢功能（SDD）；灵活的外设管理（单独关闭）；在睡眠模式时通过外部中断唤醒功能；可编程系统频率输出l 集成在片存贮器。64K字节在片可编程FLASH或掩膜ROM存储器；2K字节内部RAM（IRAM），用于变量寄存器池、系统堆栈和代码；2K字节在片高速扩展RAM（XRAM），用于变量、用户堆栈和代码；4K字节在片数据FLASH/EEPROM用于non-volatile变量；l 外部总线接口。独立或复用总线配置；段分配和片选信号产生；8位或16位数据总线；5个可编程地址空间的总线循环特征选择；l 16位优先级中断系统。可达33个中断节点带有独立的中断矢量；在内部程序执行时，240/400ns中断等待时间；快速外部中断；l 8通道外设事件控制器（PEC）。中断驱动的单循环数据传递；传递计数选择；消除中断请求的存储和恢复系统状态的过载；l 智能在片外设子系统。8通道10位A/D变换器，带有可编程转化时间（最小7.76 s）、自动扫描模式、通道注射模式；GPT1三个16位定时器/计数器最大分辨率为fcpu/8；GPT2两个16位定时器/计数器，最大分辨率为fcpu/4；具有独立时钟源的两个捕捉/比较单元，灵活的PWM发生器；同步/异部串行通道（USART）、带有波特率发生器、奇偶校验、错误检查；带有可编程数据长度和移位方向的高速同步串行通道；带有15个信息体的CAN模块（2.0 B标准）；实时时钟；可编程时间间隔的监测定时器（看门狗定时器）；用于系统初始化的程序引导装载器；l 59个IO引脚具有位寻址功能。输入模式具有三态；可选择输入门槛方式（不是所有引脚都有此功能）；可互补输出或开漏输出模式；可编程口驱动控制（快/减少边沿）l 不同的温度范围。070C -4085C -40125C；l 忆恒CMOS。低能耗的CMOS技术，包括休闲、睡眠、掉电模式；l 80引脚MQFP封装。0.65mm引脚间距，表面裸装技术。C505CA是一款高性能的8位单片机，C505CA单片机在通用型C505A单片机的基础上增加了CAN控制接口，是C500系列单片机最基本的CAN控制型单片机。其功能单元见图53。采用了强化C500 CPU核，具有1K字节XRAM和8个数据指针；片内ROM为32K字节，316位定时/计数器，88位A/D转换器，Watchdog定时器、串行I/O接口和多个并行I/O接口。C505CA单片机可广泛应用于工业控制和汽车中的智能传感器。图53 C505功能单元图C505CA单片机主要特性如下：l 强化C500CPU核，与80C51/52单片机兼容；l 时钟频率：20MHz（指令周期：300ns）；l 片内ROM：32K字节（C505CA）；具有ROM保护功能；OTP型：C505CA-4E；l 片内RAM：1 K字节XRAM：C505CA；l 数据指针：816位；l 寻址范围：64K字节程序和数据存储器；l 定时/计数器：316位；T0、T1；T2；4通道比较/捕捉定时器CCU：CC0、CC1、CC2和CC3；PWM功能；l Watchdog定时器；l A/D转换器：810位（C505CA）；A/D转换输入端可作数据输入端（PI）；l 串行I/O接口：全双工串/同步接口USART；可编程波特率发生器；l 并行I/O接口：48位+2位；48位；P0、P1、P2和P3；2位：P4；l 中断：12个（4个优先级）；l CAN控制接口：TX/RX移动寄存器；位流处理器BSP；循环校验码CRC寄存器；出销管理逻辑EML；位定时逻辑BTL；智能存储器CAM/RAM；支持158字节报文；l 省电工作方式：慢速方法；空闲方法；软件掉电方式：可通INTO或RXDC端唤醒；l 快速上电复位。C505A单片机只有OTP型C505CA-4E一种。它的封装为44引脚P-MQFP封装。164CI为主控CPU，负责信号的采集、数据的运算、防抱动作的控制和部分诊断功能，505CA负责系统监控、部分故障诊断。双CPU互相监控，分工合作，增强系统的稳定性，保证控制的实时性和可靠性。系统硬件外围电路包括：1、电磁阀的电源管理及驱动输出模块，2、轮速信号的处理输入模块，3、诊断信号的处理模块，4、网络通讯接口模块，5、系统电源管理模块。下面分别加以介绍。ABS系统的主要的端口是输入与输出，其他即为辅助端口，输入端口主要是采集轮速脉冲，脉冲采用高速输入捕捉口来实现，利用它的中断功能即可以实现。C164CI共有8 路数输入捕捉，即CC16IOCC19IO和CC24IOCC27IO，本系统中采用CC16IOCC19IO捕捉口作为轮速采集输入口。对输出驱动则采用P1L即P1口的低8位，这个端口是双向输入/输出口，它的复用功能是电机控制端口，可以定义输出方式为开漏输出。8路A/D变换端口主要用于诊断功能，其他辅助功能采用相应的I/O端口来实现，串行口则用于诊断系统与PC机的串行通讯，高速同步串口则用于实现I2C通讯，即与E2PROM之间的通讯，CAN接口用于实现CAN总线通讯。5.3 电磁阀的电源管理及驱动输出模块CPU输出的信号最大不过十几毫安或几十毫安，而ABS/ASR的动作电流则为一至两安，所以每个输出信号要经过放大后才能驱动相应的阀。在ABS中，电磁阀是最重要的执行元件，它控制各制动分泵的制动压力。根据富康车和液压ABS电磁阀的特点，采用低端驱动的驱动模块驱动电磁阀。在这里可以采用达林顿驱动管及附加保护电路驱动电磁阀，也可以采用一些专用的驱动模块，如TLE5226、TLE6228等低端驱动模块。由于ABS电磁阀的进油阀和回油阀的阀线圈驱动电流不同，回油阀电流大约为进油阀电流的两倍。因此在本设计中，采用亿恒科技的TLE6228驱动电磁阀，其工作原理图见图54。图55 驱动示意图 图54 TLE6228原理框图TLE6228具有强大的自我保护功能，如过载、过压、限流、过热关断、ESD等，而且具有诊断输出功能。CPU输出采用上拉输出，使系统始终处于一个稳定的状态，只有在CPU输出启动信号和电源输出信号有效的情况下，电磁阀才有可能被驱动，驱动示意图见图55。电磁阀的电源管理和回流泵电机驱动输出采用亿恒科技的BTS442D2代替继电器。BTS442D2具有强大的自我保护功能，如过载、过压、限流、过热关断、ESD等，而且具有诊断输出功能，是代替继电器的理想器件。工作示意图见图56。图56 BTS442结构图5.4 轮速信号的输入处理模块 整个系统工作的信号来源于轮速传感器，轮速测定的准确与否决定了整个系统的控制质量。轮速传感器一般为电磁被动式，随着与车轮固定在一起的齿圈的运动，传感器中被感应出正比于轮速的正弦信号。齿圈的齿数一般为80至100齿，重型车轮的直径约为1米，所以车速仍为100公里/小时时，轮速信号的频率一般低于1000Hz。车辆环境是个充满干扰和各种杂波的环境，只有率除掉各种干扰，才能获得纯净的信号。由于需要获取的信号频率低于1kHz，所以前级采用RC低通滤波电路。经滤波的信号幅度较小，特别是在低速的时候，因此滤波后的信号须进行放大，放大后的信号经过整形，将轮速信号由正弦波转化为矩形波。图57 有源低通滤波处理电路图58 轮速处理电路车轮的运动状态转化为电信号是采用轮速传感器转化为脉冲信号，经过处理，送给ECU做分析计算。采用电磁式轮速传感器，齿圈相对传感器转动，由于磁阻的变化，传感器激励出随着车速变化的正弦波，频率与车轮的转速成正比，因此通过测量传感器信号的频率就可测出轮速。为了使传感器信号成为CPU能够接受的信号，必须把轮速信号变换为方波信号。另外为了防止信号的干扰，发生误动作，需要进行滤波处理见图57。轮速信号的处理电路具有以下功能：将正弦波转换为同频率的方波信号；在低速时仍然具有较高的灵敏度；当传感器与齿圈间的气隙在一定的范围内变化时，仍然能够正确进行波形变换；电磁兼容性较好，能够抑制车辆噪声干扰。设计的轮速信号的特点是采用了有源低通滤波器和迟滞比较器。低通滤波器对中高频信号进行衰减，其结构见图57，在尽可能的情况下滤除信号噪声。小回差迟滞比较器将信号变换为方波，同时提高抗干扰能力，下一级低通滤波器再次对轮速信号的中高频部分进行衰减，经施密特比较器供给单片机进行轮速测量，提高信号的抗干扰能力。轮速处理电路信号流程图见图58。轮速信号处理的好坏，直接影响到控制器的性能，因此需要反复设计和试验验证。5.5 诊断信号的处理模块 防抱系统是高可靠性系统，要求有安全系统来保证，因此系统中设置了完善的诊断模块分别对电磁阀、传感器、电源进行实时监测，当系统出现问题时ABS控制器会给出红灯指示，对一些严重的故障，如没有传感器信号，ABS会自动关闭ABS功能，对一些非严重性故障，如某个电磁阀断路，ABS系统会照常工作，只是ABS系统的性能有所降低。系统安全性的另一项措施是采用监视定时器（Watchdog），每隔一段时间对Watchdog进行刷新，当程序跑飞时，定时器得不到刷新，CPU自身就会自动复位，重新开始运行程序。同时系统带有硬件Watchdog，软件每隔一段时间对控制定时器的引脚进行翻转，也是一种安全系统，起到双保险的作用。ABS作为汽车电子安全装置，其可靠性尤为重要。故障诊断回路应在系统中任何部件出现故障时，通过信号灯通知驾驶员，同时切断与故障部分相关部件的供电。首先对CPU的电源电压进行监测，当电源电压过低时，电压监测电路将输出复位脉冲，让整个系统复位，使CPU不致因电压过低而发出错误指令。其次对于传感器的监测，可通过对轮速信号的软件处理，以判定故障的存在。第三，对于电磁阀的监测则通过专门的故障的诊断回路进行判定。由于ABS系统的高可靠性要求，系统一旦发生故障，应该立即使系统关断，转入故障状态，并将故障记录在E2PROM中，并使指示灯按照一定的规则闪亮，显示故障代码，使司机了解系统状态。芯片在开始工作后始终处于监视状态。在设计中，对ECU进行全面的检测，系统故障检测包括电磁阀短路、断路，传感器短路、断路及信号幅值过低，供电电源不正常，ECU故障，报警灯的故障等。这其中最重要的是电磁阀的检测和轮速传感器的检测。系统可以通过RS232接口与故障诊断仪或计算机连接，可以进行故障诊断和系统测试。图510 电磁阀故障诊断电路图59 轮速传感器检测示意图诊断系统的硬件实现是不困难的，电磁阀一般由CPU输入口发出通断信号，经过驱动电路去驱动电磁阀，通过CPU的输入口再将输出口信号读入CPU，这样就可以检测到输出的阀信号是否正常，电源系统的诊断可以用CPU的A/D口读入，从此可以判断电源电压是否正常。轮速传感器信号的好坏直接关系到ECU对轮速的采集，如果轮速传感器出现故障，ECU的所有控制都将失效，如果信号紊乱则会使控制紊乱。轮速传感器的故障检测采用加压测分压的方法。在有轮速信号时该电路不起作用，在无轮速信号时，对传感器进行检测。诊断电路见图59。对于电磁阀的检测则充分利用TLE6228的检测端子ST进行检测，如果信号ST不正常，再使用分压求分压的办法进行测试。诊断电路见图510。5.6 网络通讯接口模块 局域网络控制器(controller area network)总线，即CAN总线，及其相关的协议，可以使连接到这个总线上的各个站点相互之间进行高效率的通信。它的传送速率高，CAN协议提供的多种纠错方式能保持数据的完整性，其控制器能够自动完成大部分的工作从而节省主处理器资源，并具有灵活而强大的信息传递功能。鉴于CAN网络在车辆上的日益广泛应用，为了便于和其他控制系统交换信息，在系统中使用82C250构造CAN驱动接口，充分利用164CI的功能，便于以后扩展。双CPU也可以使用CAN总线交换数据，判断系统工作是否正常。集成在片上的CAN模块自动对CAN帧的发送和接收进行全自动的管理，符合CAN V2.0B 规定的要求，即工作