基于CAN总线通信的车辆电子机械制动系统模块化设计

　　摘要：为满足现代车辆对电子机械制动系统的制动要求, 通过分析汽车电子机械制动系统制动效果和CAN总线优点, 提出了一种基于CAN总线的汽车电子机械制动系统的模块化设计方案。基于CAN总线的汽车电子机械制动系统采用ARM芯片S3C2410为主控制处理器, 基于CAN总线完成主从节点数据通信, 从处理器AT89C51接收总线控制信号, 完成电子机械制动控制。该系统实现了对左右后轮智能化、一体化控制, 降低了操作难度, 提高了驾驶的安全性、舒适性。

　　关键词：电子机械制动系统; 汽车; CAN总线; 通信;

　　Abstract：In order to meet the braking requirements of modern electronic vehicle brake system, it analyzes the braking effect of automotive electronic mechanical brake system and the advantages of CAN bus, proposes a kind of modularization of automobile electronic mechanical brake system based on CAN bus. Taking the ARM processor S3 C2410 as the main control processor, it realizes data communication between the master and slave node, uses the processor AT89 C51 to receive bus control signal and completes the electronic mechanical brake control.The system can achieve the left and right rear wheel integrated control, reduce the difficulty of operation, improve the driving safety and comfort.

　　Keyword：electronic mechanical brake system; automobile; CAN bus; communication;

　　近年来, 社会日渐发展, 科技不断进步, 人们物质生活得到极大提升, 汽车已成为公认的最常用的交通工具。随着汽车的普及, 人们对汽车安全性能提出了更高的要求。汽车的安全性重要依据是汽车现代化制动性能[1]。传统的液压制动系统由于制动响应速度慢、管路多、制动液泄漏易造成环境污染, 已无法满足现代汽车制动发展的需求[2-3]。电子机械制动 (electro-mechanical brake, EMB) 系统以线控技术为基础, 利用中心控制模块进行电子制动踏板及传感器信号采集, 并基于控制算法获得目标制动力, 然后利用总线进行信号传输, 使得制动执行机构运动。电子机械制动系统能够实现高稳定、高可靠、高响应的制动性能, 操作方便, 系统体积小, 成本低廉, 且能有效避免制动液泄漏, 安全环保, 现已成为汽车制动行业发展方向[4-6]。

　　对于线控制动, 由于制动中需要采集和处理大量信息, 因此需要解决控制信号通信问题[7]。以线缆为基础的传统串行通信方式占用空间大, 且其数据交换可靠性与工作环境相关, 若工作环境恶劣, 则数据交换可靠性较低。CAN总线由于具有较强的实时性和纠错能力、较高的通信效率和容错性、较远的传输距离, 且满足差分收发和高干扰环境传输需求, 已成为线控制动的重要通信方式[8-9]。本文主要基于CAN总线通信, 进行汽车电子机械制动系统的模块化设计。

　　1、系统总体设计方案

　　1.1、汽车电子机械制动系统组成

　　汽车电子机械制动系统包括ECU (中央电子控制模块) 、电源与能源管理模块、车轮制动模块以及电子制动踏板模块, 具体组成结构如图1所示。其中电子制动踏板模块包括3个部分, 即感觉模拟器、位移传感器以及制动踏板。电子制动踏板模块的位移传感器接收驾驶员位移信号, 并将其传输给ECU, ECU进行数据分析处理, 实现电动机力矩控制。车轮制动模块进行制动操作。

图1 汽车电子机械制动系统控制组成框架图

　　1.2、汽车电子机械制动系统设计方案

　　汽车在进行制动时经常面临制动滞后问题, 因此在具体制动过程中, 驾驶员踩下踏板, 踏板位移传感器迅速识别车轮制动状态, 提升响应速率。汽车4个车轮的制动器必须保持独立, 利用具有高速数据传输的车载网络进行集中控制, 满足稳定可靠性能。基于此, 本文利用CAN总线通信方式进行EMB控制系统设计, 具体示意图如图2所示。

图2 基于CAN的EMB控制系统设计

　　2、硬件电路设计

　　2.1、硬件电路设计方案

　　汽车电子机械制动系统的具体工作为:汽车驾驶员踩下制动踏板, 踏板位移传感器依据位移信号识别驾驶员制动意图, 并将识别结果发送给ECU, ECU进行信号处理分析, 处理信号一方面控制电动机进行力矩输出, 另一方面使执行机构产生制动力, 并将结果作用于车轮。车轮制动力大小取决于车轮的转向摆角以及与路面的摩擦系数, 所以对于每个车轮必须独立安装传感器以及制动器, 使其形成独立、闭环的制动回路。图3所示为汽车电子机械制动系统的总体结构硬件组成框架图, 其包括ECU、A/D转换模块、信号采集模块、制动踏板单元以及直流电动机单元。

　　在汽车电子机械制动系统中, 其心脏为ECU, 可接收各传感器传入的信号, 进行信号处理和分析。传入的信号既有脉冲信号, 也有模拟信号。电动机驱动器包括驱动芯片和外围设备两部分。对于电动机驱动器, 既要符合电子机械制动系统对电动机驱动性能的需求, 也要符合电动机本身运行需要的控制需求, 此外还要满足驱动器的抗干扰性能和工作温度需求。本文的ECU采用S3C2410处理器, 该处理器采用RSIC体系结构, 频率高达203MHz, 是一款功耗低、性能高的处理器, 串行接口丰富, 有助于连接CAN控制器。

图3 汽车电子机械制动系统硬件结构图

　　2.2、CAN总线通信电路

　　图4所示为CAN总线通信电路, 由3个部分组成, 即CAN控制器、收发器、微控制器。三者的芯片分别选用SJA1000、CTM1050T以及AT89C52。其中CTM1050T芯片是目前唯一可以实现DC2 500V电器隔离的收发器芯片, 可以避免由于浪涌、干扰产生的元件故障和总线错误问题, 其包括CAN收发器、ESD总线和电源保护电路、隔离电路等, 通过RXD和TXD引脚便可与SJA1000相连。

图4 CAN总线通信电路

　　对于微控制器及CAN控制器, 其复位电路选用MAX708芯片, 该芯片可以实现高低电平有效复位信号的同时输出, 是一种微处理器电源监控芯片。可通过VCC电压、手动复位输入的方式控制触发复位信号。

　　3、软件设计

　　汽车电子机械制动系统的软件主要基于模块化进行设计, 各子系统首先完成内部编程, 在总程序中调用, 利用C语言进行编程。制动系统通电后, 主从节点处理器和CAN控制器复位, 然后由S3C2410芯片进行控制器初始化。程序依照功能主次顺序排列, 如图5所示。其中系统主程序在第一级, 主要负责协调各子程序;CAN通信程序、执行器驱动程序、信号采集程序等在第二级。

图5 软件部分总体结构

　　CAN通信协议只在数据链路层和物理层完成, 因此在进行软件设计时, 用户需要依据实际需求完成CAN应用层协议制定。CAN需要依据标识符分配、标识符ID大小定义其优先级。CAN总线是系统设计的载体, CAN通信程序是完成其他功能的保障。CAN通信是建立在控制器初始化基础上, 然后进行信息收发。

　　3.1、控制器初始化

　　CAN控制器通电复位后模式是Configuration, 在运行前需要进行初始化。对于MCP2510, 其初始化设置为:S3C2410芯片通过SPI串口设置向MCP2510的片选CS输出一个低电平进行初始化, MCP2510初始化设置内容包括使能中断、波特率及过滤器设置、收发缓冲区情况。为避免MCP2510“忙”, 进而影响数据传输的完整性, 完成任意操作后需要添加一段延时程序。下面是实现数据读写功能的部分函数:

　　s3c2410_mcp2510_write (data) ;//控制器写数据

　　s3c2410_mcp2510_read (data) ;//控制器读数据

　　s3c2410_mcp2510_ioctl (data) ;//完成总线波特率等初始化

　　3.2、报文收发流程

　　图6所示为CAN报文收发程序流程图。发送程序如图6 (a) 所示, 首先判断缓冲区是否空闲, 如不空闲, 需要释放缓冲区, 然后写入数据;报文发送之前要检测待发送数据的报文格式是否满足要求, 满足要求, 置位, 启动发送程序。

图6 CAN报文发送与接收程序流程

　　图6 (b) 为接收程序流程图。相对于发送程序, 接收程序更复杂, 既要实现接收功能, 还要接收溢出及错误报警等信息。制动系统设计需要较高的通信实时性, 因此需要选择中断接收方式。控制器接收数据直至缓冲区满, 中断触发, 向处理器发送接收报文中断请求, 完成报文接收。

　　4、基于CAN总线的汽车电子机械制动系统性能模拟实验

　　汽车电子机械制动系统包括:1) 电动机驱动器, 型号为AQMD2410NS;2) 位移传感器, 型号为KTR-A, 位移为0~100mm;3) 电压传感器JYVS-DC0075D, 电压为0~30V;4) 力矩传感器, 型号为AKC-11, 力矩为0~50N·m。图7所示为踏板位移与电动机电枢电压关系。由图可知, 整体而言, 踏板位移与电动机电枢电压存在线性关系, 表明踏板位移传感器采集的踏板位移信号通过ECU处理, 处理结果由电动机驱动, 产生的电枢电压在正常范围内。

图7 踏板位移与电枢电压关系

　　图8为踏板位移与电动机输出力矩关系。由图可知, 踏板位移与电动机输出力矩存在线性关系, 表明该系统克服了电动机本身存在的磁滞缺陷。

图8 踏板位移与电动机输出力矩关系

　　图9为执行机构负载特性曲线。执行机构负载特性是指系统正常运行条件下作用在制动盘压力与丝杠位移的关系。由图可知:随丝杠位移增加, 制动盘压力增大;负载特性曲线十分光滑, 制动盘压力与丝杠位移存在函数关系。拟合曲线与实测曲线重合良好, 这表明执行机构负载良好。

图9 执行机构负载特性曲线

　　5、结束语

　　本文主要研究了CAN总线通信在汽车电子机械制动系统中的应用。汽车电子机械制动系统是线控技术在制动领域的应用, 具有较快的响应速度、较高的控制精度和可扩展性。CAN总线由于具有较强的实时性和纠错能力、较高的通信效率和容错性、较远的传输距离, 且满足差分收发和高干扰环境需求, 可有效解决制动中需要采集和处理大量信息的问题。基于CAN总线的汽车电子机械制动系统的模块化设计方案, 可实现对左右后轮智能化、一体化控制, 降低了操作难度, 提高了驾驶的安全性、舒适性。

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