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1 引 言 隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市交通曰益繁忙，交通安全問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，駕駛員必須根據道路、交通條件的變化，及時(shí)對車(chē)輛行駛方向和行駛速度進(jìn)行調節，使汽車(chē)獲得良好的行駛性能和燃油經(jīng)濟性能。頻繁換檔使駕駛員容易疲勞，注意力分散，致使交通事故增加。本文介紹了一種基于CAN總線(xiàn)的客車(chē)輕便換檔系統的設計，利用機電一體化技術(shù)實(shí)現了客車(chē)換檔的轎車(chē)化。系統主要是結合客車(chē)的換擋系統進(jìn)行的開(kāi)發(fā)設計，包括前后兩個(gè)節點(diǎn)，前置節點(diǎn)為手柄控制發(fā)令節點(diǎn)，后置節點(diǎn)為執行控制節點(diǎn)，系統總體框架圖如圖1所示。 2 系統應用設計 2.1 系統硬件結構及控制原理 為使系統達到反應靈敏、可靠性高的設計要求，前后節點(diǎn)的控制單元均采用Philips公司生產(chǎn)的P87C591單片機，他成功包括了Philips半導體 SJAl000 CAN控制器的PelICAN功能，符合系統設計要求。主控系統CAN通信部分電路圖如圖2所示： 系統中擋位、車(chē)速和發(fā)動(dòng)機轉速信號的采集由霍爾元件A3144EU來(lái)完成，信號經(jīng)過(guò)放大后，通過(guò)光電耦合器TLP521隔離，被送到CPU中。CPU經(jīng)過(guò)邏輯運算后，將輸出信號經(jīng)過(guò)光電耦合器隔離后，送至大功率的場(chǎng)效應管，由場(chǎng)效應管來(lái)驅動(dòng)電磁閥動(dòng)作，以控制氣缸動(dòng)作來(lái)完成相應檔位的變換。 系統的主要控制過(guò)程為：前置節點(diǎn)根據手柄位置的不同以及離合開(kāi)關(guān)的開(kāi)合實(shí)時(shí)采集信號并經(jīng)過(guò)邏輯判斷處理成檔位命令，通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸到后置節點(diǎn)，后置節點(diǎn)接到檔位命令后，結合車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速及當前擋位對換檔時(shí)機進(jìn)行判斷，然后向執行器發(fā)出動(dòng)作指令。執行器按指令要求使相應的電磁閥開(kāi)始動(dòng)作，從而控制對應氣缸動(dòng)作，來(lái)實(shí)現擋位的變換。在擋位轉換完成后，還要對反饋信號處理，確定換擋動(dòng)作完成后，再做出下一步的操作。車(chē)型有5個(gè)上擋位和一個(gè)倒擋位，采用電控氣操作方式，其具體擋位與電磁閥位置如圖3所示。 如圖3所示，當閥1通氣、閥2斷氣時(shí)，活塞被推到氣缸右端，通過(guò)活塞桿把撥叉推到預定位置，將此位置定義為KA層；當閥1斷氣、閥2通氣時(shí)，定義為KC 層；當兩個(gè)閥都斷氣，由于變速箱內回位彈簧的作用，將會(huì )自動(dòng)定位到中間層，定義為KB層。層位選定后，再通過(guò)相應位置上兩個(gè)上檔氣閥的作用以實(shí)現不同方向的上下檔動(dòng)作，從而完成預定的選檔和換檔動(dòng)作。 2.2 系統軟件設計 實(shí)際應用對系統的實(shí)時(shí)性與可靠性要求較高，在軟件設計中采用了多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統μC／OS-Ⅱ的編程方法，即將應用程序分解為若干個(gè)獨立的進(jìn)程，再另外創(chuàng )建一個(gè)監控進(jìn)程，監視各個(gè)進(jìn)程的運行情況，這樣就保證系統運行的實(shí)時(shí)性和可靠性。 系統采用Keil C51編譯器，結合所用單片機P89C591的技術(shù)特點(diǎn)，移植一個(gè)支持P89C591的μC／OS-Ⅱ操作系統的工作內容包括： (1) 在OS_CPU.H中用#define設置一個(gè)常量值用于控制任務(wù)堆棧的增長(cháng)方向。 (2) 在OS_CPU.H中聲明10個(gè)數據類(lèi)型。 (3) 在OS_CPU.H中用#define定義3個(gè)宏。 (4) 在OS_CPU.C中編寫(xiě)6個(gè)簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言函數，即初始化任務(wù)堆棧、任務(wù)創(chuàng )建鉤掛函數、任務(wù)刪除鉤掛函數、任務(wù)切換鉤掛函數、統計任務(wù)鉤掛函數和定時(shí)鉤掛函數。 (5) 在OS_CPU_A.ASM中編寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言函數。 系統共需創(chuàng )建4個(gè)任務(wù)，系統任務(wù)分配情況如圖4所示。 CAN總線(xiàn)掃描任務(wù)定時(shí)掃描CAN總線(xiàn)的各寄存器，用于接收前置節點(diǎn)發(fā)送的手柄位置信號。 顯示任務(wù)主要擔任顯示、刷新等職責，用于調試過(guò)程中觀(guān)察動(dòng)作的完成情況。 系統主任務(wù)用于執行數據的邏輯分析判斷及超限報警等功能。數據采集任務(wù)將實(shí)時(shí)掃描各個(gè)數據采集端口，用于采集車(chē)速，發(fā)動(dòng)機轉速等參數。 主函數負責系統的初始化以及任務(wù)的創(chuàng )建、啟動(dòng)等。 各個(gè)任務(wù)之間通過(guò)信號量、消息隊列等途徑可以相互通信，以保證任務(wù)執行得實(shí)時(shí)與同步。 3 系統通信機制設計 輕便換檔系統對通信系統的要求是：數據傳輸可靠，實(shí)時(shí)性高，傳輸速率高，誤碼率低。CAN總線(xiàn)作為一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，具有很強的靈活性、簡(jiǎn)單的擴展可能性、優(yōu)良的通信實(shí)時(shí)性以及通信的可靠性和檢錯能力，能夠應用于各種苛刻的電子環(huán)境，已經(jīng)成為汽車(chē)的首選網(wǎng)絡(luò )通訊總線(xiàn)形式。 CAN總線(xiàn)的模型結構只有3層：物理層、數據鏈路層和應用層，傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，通信速率最高可達1 Mb／s(40 m)，其通信方式靈活，無(wú)需站地址等節點(diǎn)信息，采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求。 在研究CAN 2.0B規范的基礎上，采用自定義通訊協(xié)議的方案實(shí)現了系統前后兩個(gè)節點(diǎn)的通訊。前節點(diǎn)發(fā)出命令，后節點(diǎn)接收后不發(fā)確認信號，前節點(diǎn)收到后節點(diǎn)的信息后判斷是否正確，如果不正確或在規定的時(shí)間內收不到，則重新發(fā)命令，重發(fā)超過(guò)規定的次數為通訊故障；后節點(diǎn)發(fā)出信息，前節點(diǎn)接收后不發(fā)確認信息，前節點(diǎn)在規定的時(shí)間內收不到則為通訊故障。節點(diǎn)數據幀基本結構定義如下： 系統中每個(gè)節點(diǎn)數據幀用ID區別，每個(gè)節點(diǎn)可定義多個(gè)不同的數據幀，用以傳送不同的信息。 4 系統抗干擾設計 系統將從軟硬件兩方面采取措施，綜合防止干擾對單片機系統工作的影響。 硬件方面主要是切斷來(lái)自傳輸通道和電源線(xiàn)的干擾，設計中通過(guò)濾波電容、光電耦合器的應用以及合理的元件布局和布線(xiàn)，有效地抑制分布電容的干擾、電磁互感、漏磁的干擾等，同時(shí)PCB板科學(xué)的接地，很好地解決信號完整性問(wèn)題，改善了PCB板的電磁兼容性(EMC)。 軟件方面則是通過(guò)指令冗余、軟件陷阱和看門(mén)狗技術(shù)來(lái)保證程序的正常運轉，有效地解決了程序運行過(guò)程中的跑飛和死循環(huán)問(wèn)題。 5 結 語(yǔ) 客車(chē)輕便換檔系統將手動(dòng)換檔改為電控輕便換檔，使車(chē)輛得到了更為出色的換檔舒適性與經(jīng)濟性，徹底實(shí)現客車(chē)換檔的轎車(chē)化，既保留了機械變速器效率高、成本低、結構簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又充分利用了電控響應速度快，可控性高的特性，符合汽車(chē)技術(shù)電子化、智能化、人性化的發(fā)展方向。 本文創(chuàng )新點(diǎn)在于摒棄以往單片機系統軟件編程的單任務(wù)模式，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統μC／OS-Ⅱ的編程方法，使系統的實(shí)時(shí)性得到更大提高。經(jīng)實(shí)踐證明，系統運行可靠，通訊正常，并達到了較高的性能指標。系統只需要進(jìn)行少量的調整，就能適用于各類(lèi)型的客車(chē)，具有廣闊的發(fā)展和應用前景。 |
