本文以節(jié)約能源為切入點(diǎn)，針對(duì)城市公交車頻繁剎車的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種節(jié)能控制裝置，通過(guò)該裝置把汽車剎車時(shí)由原來(lái)通過(guò)摩擦片產(chǎn)生阻力停車，改為帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)工作。

把汽車行駛時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高壓氣能，利用能量的轉(zhuǎn)換使汽車停下來(lái)。在汽車啟動(dòng)時(shí)，利用儲(chǔ)存起來(lái)的高壓氣能帶動(dòng)汽車行走，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

引言

由于各種原因，公交車總是不斷重復(fù)加速—減速或停車—再加速的過(guò)程。通過(guò)加裝本節(jié)能裝置，當(dāng)汽車需要制動(dòng)時(shí)，在主控單元的控制下，可將汽車行駛時(shí)具有的巨大動(dòng)能通過(guò)空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)化成高壓氣體的勢(shì)能并儲(chǔ)存起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)汽車減速或停車。當(dāng)汽車需要啟動(dòng)或加速時(shí)，用儲(chǔ)存起來(lái)的高壓氣體勢(shì)能代替燃油來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車，從而實(shí)現(xiàn)汽車能量的回收再利用，達(dá)到節(jié)能的效果。同時(shí)由于汽車在起動(dòng)或加速時(shí)能耗最大，如果汽車是用燃油驅(qū)動(dòng)，則此時(shí)油料燃燒不充分，燃燒效果最差，而且產(chǎn)生的噪音最大。

系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)主要由三部分組成，即檢測(cè)部分，控制部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。檢測(cè)部分包括踏板位置傳感器、曲軸位置傳感器、壓縮機(jī)活塞位置傳感器、汽車運(yùn)行速度傳感器、儲(chǔ)氣罐壓力傳感器等信號(hào)的檢測(cè)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括雙向可控電磁閥和電磁離合器。控制部分主要由ARM微處理器組成的控制系統(tǒng)及一些外圍電路構(gòu)成。本文主要介紹該系統(tǒng)的控制部分。該裝置的作用就是將剎車時(shí)本應(yīng)由摩擦來(lái)消耗掉的汽車動(dòng)能，改為由氣體的勢(shì)能來(lái)消耗，在啟動(dòng)時(shí)，利用剎車時(shí)儲(chǔ)氣罐內(nèi)儲(chǔ)存的高壓氣體勢(shì)能來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車行走，當(dāng)車速到達(dá)一定值如20km/h時(shí)，再切換到由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的模式。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于該節(jié)能裝置需檢測(cè)的模擬量較多，如儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力、制動(dòng)踏板的位置、車速、活塞運(yùn)行位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù)，而且有些是需實(shí)時(shí)監(jiān)控的，如儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力等，需要使用多任務(wù)執(zhí)行方可實(shí)現(xiàn)，而普通單片機(jī)無(wú)法滿足這一要求。因此需根據(jù)實(shí)際情況，選用合適的處理器芯片，加上各種數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)芯片構(gòu)成最小系統(tǒng)。同時(shí)，增加數(shù)據(jù)采集、顯示、通信接口、控制執(zhí)行單元和電源管理模塊等，來(lái)組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。由于目前汽車應(yīng)用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線比較廣泛，因此，為了與汽車的控制系統(tǒng)連接的方便，還增加了CAN總線接口，由此構(gòu)成了整個(gè)硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

S3C44BOX

由于設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)能隨車采集信號(hào)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)主控模塊的要求較高，因此主控制模塊應(yīng)當(dāng)是以高性能的微處理器為核心而組成的一個(gè)最小系統(tǒng)。根據(jù)具體應(yīng)用的要求，實(shí)際應(yīng)用的反映情況，選用了Samsung公司的ARM芯片S3C44BOX，其主要性能如下：

Samsung公司推出的16/32位RISC處理器S3C44BOX為一般類型的應(yīng)用提供了高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案。為了降低成本，S3C44BOX提供了豐富的內(nèi)置部件，包括:8KB的Cache，內(nèi)部SRAM, LCD控制器，帶自動(dòng)握手的2通道DART, 4通道DMA，系統(tǒng)管理器(片選邏輯，F(xiàn)P/EDO/SDRAM控制器)，帶有PWM功能的5通道定時(shí)器，I/O端口，RTC, 8通道10位ADC，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，同步SIO接口和PLL倍頻器。

S3C44BOX的突出特性是它的CPU核，是由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM7TDMI RISC處理器(66MHz)。ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是它集成了Thumb代碼壓縮器，ICE (In Circuit Emulator)斷點(diǎn)調(diào)試支持，和一個(gè)32位的硬件乘法器。

數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元的作用就是對(duì)需要的模擬信號(hào)進(jìn)行采集、處理后送到處理器進(jìn)行處理。在該單元中，核心是對(duì)模擬信號(hào)的調(diào)理。由于系統(tǒng)要采集到汽車的儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)、制動(dòng)踏板的位置數(shù)據(jù)、車速、離合器切合位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù)，因此需要多路數(shù)據(jù)采集通道。各通道的數(shù)據(jù)必須完成信號(hào)的調(diào)理后，才能送到處理器進(jìn)行處理。該采集單元的信號(hào)采集通道框圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)采集通道

控制執(zhí)行單元

控制執(zhí)行單元的功能主要是接收處理器發(fā)出的數(shù)字量，經(jīng)過(guò)隔離及驅(qū)動(dòng)后，送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)如電磁閥、繼電器、離合器等來(lái)使行相應(yīng)的動(dòng)作。功能框圖如圖3所示。

圖3 控制執(zhí)行單元

這一級(jí)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，但為了防止外界對(duì)系統(tǒng)的干擾，須采用隔離。隔離器件采用普通的光電禍器即可，系統(tǒng)中采用TLP521-1。

數(shù)據(jù)顯示模塊

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，使得調(diào)試更為方便、直觀，因此增加了數(shù)據(jù)顯示模塊。S3C44BOX集成了LCD (Liquid Cristal Display)控制器，該控制器支持在LCD上的單色、4級(jí)、16級(jí)灰度、256色的顯示，具有很強(qiáng)的通用性，S3C44BOX的LCD控制器的作用是將緩存中的數(shù)據(jù)傳送到外部的LCD驅(qū)動(dòng)器，并產(chǎn)生必須的LCD控制信號(hào)。LCD控制器可以編程支持不同水平和垂直點(diǎn)數(shù)(640×480，320×240，160×160等)、不同數(shù)據(jù)線寬度、不同接口時(shí)序和刷新速率的LCD，支持4位雙掃描、4位單掃描、8位單掃描模式，并支持水平/垂直滾動(dòng)，以用來(lái)支持更大的屏幕顯示(如1280× 1280)。

由于不同尺寸的LCD具有不同數(shù)量的垂直和水平象素、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)寬度、接口時(shí)間和刷新率，S3C44BOX中的LCD控制器可以對(duì)相應(yīng)的寄存器值進(jìn)行編程，以適應(yīng)不同的LCD顯示板。

LCD控制器邏輯框圖如下圖4所示。

圖4 LCD控制器邏輯框圖

電源模塊

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由外部供給系統(tǒng)單一的9V電源，通過(guò)三端穩(wěn)壓AS1117-5.0, AS1117-3.3和AS1117-2.5，分別得到5.0V, 3.3V以及2.5V。AS1117系列穩(wěn)壓器最大能提供800mA電流，由于本系統(tǒng)功耗較低，最大需求電流不超過(guò)300mA，因此用AS1117足以滿足系統(tǒng)的供電需求。另外的兩套±15V電源由DC/DC變換器供給。考慮到系統(tǒng)中有數(shù)字電路和模擬電路，由于數(shù)字電路的電流變化較快，容易產(chǎn)生脈沖干擾，從而影響模擬信號(hào)的采樣精度，因此應(yīng)把數(shù)字地和模擬地分開(kāi)。

調(diào)試接口

S3C44BOX內(nèi)嵌JTAG測(cè)試電路，使得調(diào)試起來(lái)非常方便。JTAG是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測(cè)試電路TAP (Test Access Port，測(cè)試訪問(wèn)口)，通過(guò)專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。JTAG測(cè)試允許多個(gè)器件通過(guò)JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)器件分別測(cè)試。JTAG接口還常用于實(shí)現(xiàn)ISP(In System Programmable)功能，如對(duì)Flash器件進(jìn)行編程等。

目前JTAG接口的連接有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口，在本設(shè)計(jì)中，采用的是14針的接口。該接口主要通過(guò)下載電路與計(jì)算機(jī)的并行口相連，在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境之下，使用相應(yīng)的JTAG下載代理軟件就可以用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，而不需專門的仿真器，這樣可以降低開(kāi)發(fā)的成本。

通信單元

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到數(shù)據(jù)傳送、下載以及調(diào)試的方便，增加了串行通信RS-232C接口。另外，考慮到系統(tǒng)升級(jí)的方便，以及為了與現(xiàn)在流行的汽車總線接口的方便，增加了CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的接口。

本系統(tǒng)中選用MAX232。MAX232可以實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。由于在實(shí)際應(yīng)用中，器件對(duì)電源噪聲很敏感，因此MAX232的VCC引腳必須要對(duì)地加0.lmF去耦電容，另外，為提高抗干擾能力，添加了四個(gè)l0mF電容，在連接在內(nèi)部電源引腳輸出端。MAX232芯片第7, 8引腳接入分別到串行口的第3, 2引腳;9, 10引腳接處理器的RXD, TXD引腳，實(shí)現(xiàn)與處理器的連接。

需要注意的是，MAX232是5V器件，而處理器芯片是用的是3V供電，因此需要考慮電平轉(zhuǎn)換，否則將無(wú)法正常收發(fā)數(shù)據(jù)。由于Maxim公司已經(jīng)注意到這點(diǎn)并推出了專用3V供電的器件MAX3232C，利用它就可以無(wú)需考率3V到5V的電平轉(zhuǎn)換問(wèn)題。MAX3232C與處理器的接口電路如圖5所示。

圖5 RS-232C與處理器的通信接口電路

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，主程序是整個(gè)程序的核心，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)的運(yùn)行、控制的主要任務(wù)，需要對(duì)其控制流程進(jìn)行仔細(xì)考慮，以完成所需的控制要求。

在程序開(kāi)始時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初步的初始化。之后，采集各種數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否正常，如果正常，則顯示數(shù)據(jù)并等待中斷，根據(jù)中斷轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。如果數(shù)據(jù)不正常，則通過(guò)報(bào)警來(lái)提示用戶檢查數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)正常才執(zhí)行其他程序。如果一切正常，且沒(méi)有剎車和啟動(dòng)等控制，則可以與其他設(shè)備進(jìn)行通信等操作。具體的流程見(jiàn)圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

要達(dá)到良好的系統(tǒng)控制效果需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常注意它的抗干擾性和可靠性。本系統(tǒng)由于采用高速ARM作為核心處理器，它的高頻信號(hào)不僅容易受到干擾，而且也會(huì)成為系統(tǒng)的干擾源，因此有必要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)，特別是ARM部分的抗干擾及保護(hù)做更多的處理。

硬件部分，控制系統(tǒng)的電源及功率驅(qū)動(dòng)部分抗干擾措施主要就是從防和抗兩方面入手。其總原則是：抑制或消除干擾源;切斷干擾對(duì)系統(tǒng)的耦合通道;降低系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的敏感性。抗干擾設(shè)計(jì)的具體措施包括：隔離、接地、屏蔽、濾波等常用方法。

軟件部分，本系統(tǒng)的軟件主要采用了以下幾種軟件抗干擾設(shè)計(jì)：

軟件陷阱法

測(cè)試系統(tǒng)在遇到外界干擾時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行程序進(jìn)入程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)(即無(wú)指令區(qū))，這種現(xiàn)象叫做程序“跑飛”。于是在各子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處，都寫上連續(xù)3個(gè)空操作指令(nop)，后接一無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，一旦程序跑飛到這些區(qū)域，就會(huì)自動(dòng)返回執(zhí)行正常程序。

程序的冗余設(shè)計(jì)

在程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)域，寫入一些重要的數(shù)據(jù)表和程序作為備份，以便系統(tǒng)程序被破壞時(shí)仍有備份參數(shù)和程序維持系統(tǒng)正常工作。由于TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以數(shù)據(jù)頁(yè)為基準(zhǔn)，如果對(duì)不同數(shù)據(jù)頁(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作而不指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)頁(yè)，會(huì)導(dǎo)致程序跑飛。因此需要對(duì)程序未使用滿的數(shù)據(jù)頁(yè)進(jìn)行填充，防止數(shù)據(jù)頁(yè)混亂導(dǎo)致的系統(tǒng)誤操作。

結(jié)語(yǔ)

加裝了能量回收再利用裝置后，當(dāng)汽車在加速或重新起動(dòng)初期，可以利用存儲(chǔ)的高壓氣體驅(qū)動(dòng)汽車，不需要燃料，可以較少汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染。因此，該裝置不僅可以節(jié)約能源，而且有利于環(huán)保。