ＡＢＳ控制器開發裝置系統與設計

摘要：本文詳細闡述了一種基于單片機的ABS控制器開發裝置的設計。利用16位單片機XCl64作為主控芯片，DA轉換器AD5336作為電壓調速電機的驅動芯片，采用簡單的電機驅動齒圈的方式模擬車輪的運轉，利用LED指示燈表示ABS各個電磁閥和ABS電機的狀態，無需整車或制動器的參與，就可以驗證目標開發的ABS控制器的大部分控制功能，從而大大降低了ABS的開發成本，也提高了ABS的開發速率。

關鍵詞： ABS；ECU；XCl64；AD5336

引 言

汽車防抱制動系統(Anti-lock BrakingSystem，ABS)可以有效防止車輛在制動過程中出現車輪抱死的狀況，從而避免因車輪抱死而導致的轉向失靈和甩尾等危險，保證車輛的安全制動。其中，控制器(即電控單元，ECU)是整個ABS的控制核心，也是ABS開發過程中的主要關鍵。傳統的ABS開發過程需要大量的整車道路試驗來驗證ABS的控制軟件功能，受人力和物力的限制，使得ABS的開發周期相當長。

本文基于英飛凌公司的XCl64CS和ADI公司的AD5336芯片設計出了一種簡便的ABS控制器開發裝置，不需整車甚至不需制動器的參與就能夠測試ABS控制軟件的大部分功能，對ABS的開發提供了極大的便利。

系統構成

如圖1所示，所設計的ABS控制器開發裝置主要包括三部分：一是驅動／制動模擬控制器，主要用于模擬車輪的驅動和制動；二是硬件設備部分，包括四個代表車輪的齒圈和分別驅動四個齒圈的四個電機，四個轉速傳感器，用于進行各種控制的控制面板，以及用于表示各個電磁閥、ABS電機和警告燈的狀態的LED指示燈；三是運行于上位機PC上的GUI界面軟件，主要用于各種參數設定，以及采集和監控ABS控制器實時運行時的各種狀態，包括原始輪速、參考車速、各個電磁閥狀態等。

驅動／制動模擬控制器設計

本設計的ABS控制器開發裝置的主要核心是驅動／制動模擬控制器的設計，必須要實現的功能包括：

(1)能夠按照設定令齒圈穩定運轉于某一轉速下；

(2)能夠以不同的加速度和減速度對齒圈實施快速調速，以模擬車輛在不同路面和不同工況下制動時的輪速變化，調速的精度要求較高；

(3)能與目標開發的ABS控制器以及上位機的GUI軟件進行實時通訊。

根據功能要求，所設計的驅動／制動模擬控制器的電路框圖如圖2所示。

其中的主控芯片選用的是英飛凌公司的16位單片機XCl64CS，其主要優點如下：

(1)運算速度快。單時鐘周期指令執行速度，其允許的最大時鐘頻率為40MHz;

(2)存儲器容量大。片內有用于存放代碼的128KB可擦寫Flash和用于存放數據變量的2KB雙口RAM+2KB數據SRAM；

(3)內部資源豐富。具有16×8種優先級、高達80個中斷源的中斷系統，2組共5個16位定時器／計數器單元，14個10位精度的A／D轉換通道，2組共32個捕捉／比較通道，2個異步／同步串行接口(ASC)，2個高速同步串行接口(SSC)，2個CAN接口以及高達79個普通I/O口線；

(4)程序下載和調試方便。具有片內自舉引導程序，可通過串口下載程序；帶有片上調試接口(OCDS)，可通過Keil-C166等編譯器對程序進行單步和斷點調試。

XC164CS的這些優點完全能滿足本設計高速實時控制的要求。

由于XCl64CS需要兩種內核電壓5V和2.5V才能正常工作，因此采用了能夠產生這兩種電壓的TLE7469GV52作為電源管理芯片可簡化電路的設計。TLE7469GV52是英飛凌公司的LDO電源芯片，它具有低電壓報警、過熱和過載保護以及看門狗等功能，為本設計提供了非常優秀的電源管理方案。

對于電機控制，本設計使用了電壓調速的直流電機，采用了ADI公司的AD5336作為D／A輸出芯片，用于驅動電機。圖3是AD5336的功能框圖，該芯片的特點是片內具有四個單獨控制的10位精度D/A輸出通道，低功耗，采用并行接口，D/A轉換更新時間僅需6ps，完全可以滿足本設計中對電機進行高精度和快速調速的要求。另外片內每個D/A通道帶有軌一軌輸出緩沖型放大器，帶負載能力強，因此不需任何外圍電路即可直接驅動電壓調速的直流電機。采用這種方式可大大簡化電機驅動電路，也簡化了電機控制程序的設計。

在本設計中采用了無源磁電式的輪速傳感器，其輸出為正弦信號。在輪速處理模塊中采用了LMl39作為電壓比較芯片，實現正弦信號向方波信號的轉換，利用XCl64CS的CC2模塊對輪速脈沖的捕捉，實時監測四個齒圈的轉速，實現對齒圈電機的轉速反饋控制，從而保證對齒圈轉速控制的準確度。

CAN接口的設計是為了滿足本設計中驅動／制動模擬控制器、目標開發的ABS控制器和上位機GUI軟件三方的相互通訊。OCDS接口和ASC接口則是為了程序下載和調試方便而設計的。

軟件設計

本開發裝置的核心原理是用驅動／制動模擬控制器來模擬制動器，將目標開發的ABS控制器對制動器的干預，即通過控制各個電磁閥實現加壓、減壓、保壓等動作，轉化為對驅動／制動模擬控制器發送相應的控制信息。驅動／制動模擬控制器根據ABS控制器發來的控制信息，模擬制動器的加壓、減壓、保壓等動作來對齒圈電機進行調速，ABS控制器通過齒圈的轉速傳感器來獲得輪速信號，進而繼續ABS制動控制，從而達到檢驗ABS制動器控制軟件的目的。

另外，在軟件設計中還考慮到了不同路面的影響，即在不同附著系數的路面上制動時，驅動／制動模擬控制器通過模擬制動器的動作而反映到齒圈電機轉速上的變化也不同。在本設計中，驅動，制動模擬控制器能夠模擬出高附著路面、低附著路面、附著系數突變路面(即對開路面)和附著系數分離路面(即對接路面)四種路面上的制動情況。

根據上述的軟件設計，下面簡單說明本開發裝置的工作過程和對ABS控制器的驗證。

(1)將目標開發的ABS控制器接入系統并上電，驅動／制動模擬控制器便實時對CAN總線上的數據包進行分析處理。當接收到GUI軟件的速度設定和調整命令，驅動，制動模擬控制器則根據相應設定令齒圈電機穩定在某一轉速下旋轉。ABS控制器此時應實時計算出輪速、輪加減速度等各種參量，并發送到CAN總線上。GUI界面將這些信息以作圖等方式打印到屏幕上，從而可以實時觀測到ABS控制器的各種計算是否準確。

(2)通過GUI界面選擇一種路面并發出制動命令，驅動／制動模擬控制器首先是模擬常規制動，以某一固定減速度對齒圈電機進行制動，此時ABS控制器應通過檢測齒圈轉速傳感器信號而判斷需要進入ABS制動干預，從而向CAN總線上發送相應的控制信息，驅動／制動電機根據這些控制信息模擬制動器的動作而對齒圈電機進行調速。通過對齒圈的轉速變化和LED指示燈的觀察，以及觀測GUI界面上獲取得到的ABS控制器的各種計算結果，包括輪速曲線、電磁閥狀態等，可以驗證ABS控制器的控制流程是否正確。

結 語

本文基于高性能的16位單片機XCl64CS和高精度的D／A轉換芯片AD5336，成功設計并開發出了能夠模擬車輛制動時的輪速變化的驅動／制動模擬控制器，利用電機驅動齒圈的方式模擬車輪運轉，利用簡單的LED指示燈表示各種電磁閥狀態和ABS電機狀態，能夠驗證目標開發的ABS控制器的大部分控制功能。對于新開發的ABS控制器，只需對其控制軟件進行適應于本開發裝置操作的適量修改，而無需整車或制動器的參與，也無需進行大量的道路試驗，從而大大降低了ABS開發成本，也極大地縮短了ABS開發周期。