電動方程式賽車儀表控制單元的設計

李寧 李剛 劉賽

摘 要：針對大學生電動方程式賽車開發過程中的儀表顯示功能需求，進行了賽車儀表控制單元設計。該儀表控制單元不單單實現了賽車狀態的顯示功能，還實現了無線傳送功能，完善了賽車的人機交互功能。選取CAN總線和SCI模塊，采用MK60DN512芯片作為主處理器，設計儀表控制單元收發電路、數據采集模塊和遠程、串口接口電路等，并制作出實物，為后續賽車儀表單元數據顯示、采集和應用奠定了良好基礎。

關鍵詞：賽車;儀表控制單元;CAN通信;UART通信

中圖分類號：U463.7 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-32-03

Design of Electric Formula Racing Instrument Control Unit^*

Li Ning， Li Gang， Liu Sai

（?Liaoning University of Technology，?Liaoning Jinzhou 121001?）

Abstract：?According to the functional requirements of the instrument display in the development process of the electric formula racing for college students， the design of the instrument control unit is carried out. The instrument control unit not only realizes the display function of the racing status， but also realizes the wireless transmission function， improves the human-computer interaction function of the racing. Can Bus and SCI module are selected， MK60DN512 Chip is adopted as the main processor， and the transceiver circuit， data acquisition module and remote and serial interface circuit are designed. It lays a good foundation for the display， collection and application of the instrument unit data of the follow-up racing.

Keywords： Racing; Instrument control unit; CAN communication; UART communication

CLC NO.： U463.7 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）09-32-03

前言

中國大學生電動方程式汽車大賽是一項由高等院校汽車工程或相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽，將學習與實踐相結合，綜合提高學生的設計、制造、成本控制、商業營銷、溝通與協調等五方面的綜合能力，全面提升學生的綜合素質的同時，為人才培養開辟了新道路^[1-2]。大賽核心是電動賽車設計，而儀表控制單元是電動賽車的重要組成部分，它能夠實時顯示賽車電機轉速、電流、車速等信息，起到為駕駛員提供輔助作用。論文設計的儀表控制單元除了顯示信息外，還實現無線傳輸功能，通過遠程信息采集，便于實時監測賽車運動狀態，用于賽車調校。基于電動方程式大賽規則相關設計要求^[3]，論文進行了賽車儀表控制單元通信模塊、開關量模塊、AD采集模塊和各種電路設計。

1 CAN總線模塊

CAN是英文Controller Area Network的簡寫，意思為控制局域網絡，其通信具有結構簡單，節省電線，成本低，且性能可靠的優點，常常應用于汽車、船舶以及航空領域，是目前應用最為廣泛的現場總線之一^[4-5]。CAN總線系統最高的傳輸速率能達到1Mbit/sec，具有錯誤檢測與處理機制，且能夠實現數據校驗，幀內應答，廣播發送等。

儀表的CAN總線收發器將掛入賽車的CAN網絡當中，接收電池管理系統發出的電池信息，包括電量、電壓、電流等，以及電機控制器返回的電機轉速、轉矩、溫度等信息，以及一些整車控制器發出的告警信號。由于賽車儀表控制單元的工作環境電磁干擾比較強，所以對CAN模塊做了必要的隔離設計。主要的元器件有NXP 82C250、高速光耦6N137、以及濾波電路的共模線圈、瞬態穩壓二極管等。具體的電路圖如圖1所示，CAN總線模塊會接收BMS、電機控制器及整車控制器的報文，進行處理。

2 UART模塊

UART其英文是Universal Asynchronous Receiver/?Trans?-mitter，通用異步收發傳輸器。UART作為異步串口通信協議SCI的一種，工作原理是將傳輸數據的每個字符一位接一位地傳輸，它具有通信成本低、通信設備相對簡單、對硬件資源的占用率較低等優點^[6]。本設計中UART模塊主要采用較為穩定的SP3232EEN芯片，串口模塊將從CAN總線接收到的信息再次發送給賽車儀表和以無線方式發送給無線數據采集上位機，通信拓撲如圖2所示，電路如圖3所示。

3?開關量輸入/出模塊

此模塊主要是實現儀表控制單元的開關量控制，為賽車儀表再次開發提供硬件支持，同時為了防止外部干擾采用了光耦進行隔離。具體的設計電路如圖4、圖5所示。

4?AD采集模塊

ADC功能是單片機比較常用的功能，此模塊主要實現儀表控制單元的模數轉換的功能，為再次開發儀表控制單元時模擬量采集提供了硬件支持。具體的濾波電路如圖6所示。

5?其它模塊

其他電路為主處理器MK60DN512芯片的配置電路，主要是電源部分、復位電路、JTAG等。電源模塊如圖7所示，提供了12V、5V及3.3V輸出。

復位電路、JTAG電路如圖8所示。

6?儀表控制單元實物制作

為了提高PCB電路板的抗干擾能力，將其設計為四層PCB，頂層與底層為信號層，中間兩層為電源層和地層（TopLayer/GND/VCC/BottomLayer）。利用Altium Designer軟件設置布線規則，地線>電源線>信號線，將信號線線寬設置為0.2～0.3mm，電源線設置為1.2～2.5mm，在空間允許的條件下將線寬盡可能調寬。賽車儀表控制單元PCB如圖9所示。焊接電子元件是開發儀表控制單元的一個重要環節。合理的電路板布局，良好的焊接工藝都為后期的順利調試奠定了基礎。賽車儀表控制單元實物如圖10所示。

7 結論

本文主要針對儀表控制單元進行了硬件設計。儀表控制單元采用MK60DN512芯片作為主處理器，主要搭載了CAN總線和SCI功能。該部分設計具有簡單方便，實用性強、通信可靠、實時性好、成本低、操作簡單、易于編寫程序等優點。將賽車的儀表單獨集成，也便于后期的安裝與維護。

參考文獻

[1]中國大學生方程式汽車大賽官方網站：http：//www.formulastudent.?com.cn/.

[2]?林繼銘，張勇，楊建紅，張鋒，黃身桂.基于大學生方程式汽車大賽的車輛專業教學模式改革[J].教育教學論壇，2019（12）：34-36.

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[4]?高文倩.基于CAN總線技術對內燃叉車儀表進行通用性優化設計[J].工程機械與維修2019，（04）：86-88.

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[6]?顏世威，馮沖，施展.基于FPGA的多串口傳輸電路設計及驗證[J]. 電子測試，2019，（19）：16-18.