汽車節(jié)能裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計講解

1、 1緒 論1.1課題的背景及目的當(dāng)今地球資源日趨枯竭并受到破壞，按目前的全世界石油資源的開采速度和消費量來計算，再過五十多年全球石油資源就將耗盡。燃燒天然氣沒有空氣污染，但會增加溫室效應(yīng)，太陽能、風(fēng)能等資源，由于現(xiàn)有科技條件的限制不能夠有效的利用，因此，汽車工業(yè)廠商大量使用以下技術(shù)來節(jié)省能源和有效利用現(xiàn)有地球資源：采用輕型鋁合金材料、減輕汽車的重量、降低汽車行駛阻力、降低燃油消耗、采用清潔能源（如氫能）、采用電子噴射和電子控制系統(tǒng)，從而提高了能源的利用率和汽車的經(jīng)濟性能和動力性能。從節(jié)約資源、資源再生以及環(huán)境保護與改善出發(fā)，能源的有效利用有很重要的意義，本課題從一個全新的角度來考慮能源的有效利

2、用。 城市的公交車運輸中，出于公交車經(jīng)常停靠各個車站，在快到站時，汽車必須減速，通常汽車減速是通過剎車來實現(xiàn)的。當(dāng)汽車進行緊急制動時，駕駛員踩下制動踏板，此時汽車的動能主要是通過制動機構(gòu)的摩擦，最終轉(zhuǎn)換為熱能損耗掉。本課題正是基于這種現(xiàn)實問題提出的，即如何把這部分能量通過壓縮的方式變?yōu)楦邏簞菽軆Υ嫫饋恚谄噯訒r利用儲存起來的能量驅(qū)動汽車行走。這樣可以使能源再生利用，從而達到節(jié)能的目的。1.2國內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)展的狀況在國外，與此相關(guān)的一些研究壓縮空氣汽車已經(jīng)研究出來。壓縮空氣動力汽車(Air-powered vehicle-APV)，簡稱氣動汽車，利用高壓壓縮空氣為動力源，將壓縮空氣存儲的壓

3、力能轉(zhuǎn)化為其他形式的機械能，從而驅(qū)動汽車運行。從理論上來說，液態(tài)空氣和液氮等吸熱膨脹作功為動力的其他氣體動力汽車，也應(yīng)屬于氣動汽車的范疇。它最初是由法國公司MDI(Moteur Development International)的工程師Guy Negre耗時6年研制出的瓤式汽車。該車是通過壓縮空氣來推動汽車的，它可以說是汽車代用燃料技術(shù)的一個重大突破。它的工作原理很簡單：壓縮空氣儲存在一個纖維容器內(nèi)，利用其壓力來推動發(fā)動機的活塞。在整個過程中，不需要燃燒，所以不會給城市帶來熱島效應(yīng)；無有害氣體排放，不會對環(huán)境造成污染；不需要高質(zhì)量燃油發(fā)動機，所以有較大的降低成本的空間；并且MDI稱因為使用空

4、氣，潤滑油每3000英里才需要更換一次。壓縮空氣動力汽車主要是靠電能把空氣壓縮成高壓勢能，空氣可循環(huán)使用，需要的能源(電能)不高，而且它安全、無污染、成本低，減輕城市熱島效應(yīng)，越用空氣越清潔。在國內(nèi)，浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室研究的氣動汽車項目日前已取得重要進展，以壓縮空氣為動力的發(fā)動機原理性試驗已經(jīng)完成，目前距生產(chǎn)出首輛氣動汽車尚有一定距離。因此，從原理性來說，本課題的節(jié)能裝置所使用的原理、方法已經(jīng)得到了證明，是切實可行的，而且此課題的研究對于我國的能源的節(jié)約利用其有深遠的意義。1.3課題的主要研究內(nèi)容城市公交車行駛的特點是啟動、制動頻繁。當(dāng)公交車具有了一定的速度時就具有了一定的動

5、能，目前的制動方法一般是經(jīng)摩擦生熱使公交車減速或停車。這不僅造成極大的能源浪費，而且摩擦件的消耗也很大。本課題在公交車上加裝一種裝置，該裝置主要由34個空氣壓縮機、儲氣桶、電磁閥、電磁離合器以及單片機控制電路等組成的機電一體化集成系統(tǒng)。在單片機的控制下，將汽車巨大的動能轉(zhuǎn)化成高壓氣體的勢能實現(xiàn)汽車減速或停車，同時自動實現(xiàn)將汽車巨大的動能保存起來，當(dāng)汽車需要再加速時，用儲存在儲氣桶中的高壓氣體勢能驅(qū)動汽車。從而實現(xiàn)了公交車能量回收再利用，達到了節(jié)能的效果。眾所周知，汽車在啟動或加速時單位距離耗能最大，此時燃油燃燒效果最不好而且噪音最大。當(dāng)汽車加裝了本課題設(shè)計的汽車節(jié)能裝置后，在汽車加速或重新啟動

6、初期，利用存儲的高壓氣驅(qū)動汽車，此時不需要燃燒燃料，這對于降低汽車尾氣對環(huán)境的污染、減小環(huán)境噪聲有十分明顯的效果，說明該裝置同時還是一個環(huán)保裝置。設(shè)計該裝置需要滿足以下條件：(1)該裝置存儲能量的大小有比較寬的范圍；(2)該裝置不能影響原車的制動系統(tǒng)，操作中不給駕駛員增加額外負(fù)擔(dān)；(3)該裝置操作過程中不能給乘客增加乘車的不舒服感；(4)該裝置實用，便于安裝、維修；(5)該裝置價格合理，使用者能有較大的經(jīng)濟效益。1.4系統(tǒng)工作原理及工作過程簡介本系統(tǒng)主要由三部分組成，即檢測部分，控制部分和執(zhí)行機構(gòu)。檢測部分包括踏板位置傳感器、曲軸位置傳感器、壓縮機活塞位置傳感器、汽車運行速度傳感器、儲氣罐壓力

7、傳感器等信號的檢測。執(zhí)行機構(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。本文將在以后的章節(jié)中對上述各部分進行具體介紹。該裝置功能實際上是將制動時本應(yīng)由摩擦來消耗掉的汽車動能改由氣體的勢能來消耗，汽車啟動時可借助儲氣桶內(nèi)氣體儲存的高壓內(nèi)能來進行啟動。當(dāng)汽車速度到達一定值(如20kmh)時，再改由汽車發(fā)動機來驅(qū)動汽車。在描述該裝置的制動及啟動過程之前，先來簡單介紹一下此裝置的結(jié)構(gòu)，如圖11所示。此裝置主要由電磁離合器、壓縮機和儲氣桶三部分組成，其中DCL-A為電磁離合器，DCF-A為壓縮機吸氣閥，DCF-B為儲氣桶進氣閥，DCF-C為儲氣桶出氣

8、閥，ZYF-A，ZYF-B，ZYF-C為儲氣桶內(nèi)部的三個自由閥。標(biāo)號為DCF的表示是可控的電磁閥，它在沒有加電的情況下仍是自由閥，ZYF表示自由閥。將儲氣桶分成4個小桶的目的是為了儲氣和放氣過程中筒內(nèi)壓強的變化梯度盡量小些，由于ZYF-A，ZYF-B，ZYF-C只有在一定的壓差下才能打開，也就是說兩小桶之間的壓差只在很小的范圍內(nèi)變化，這樣就很巧妙的解決了單桶儲氣、供氣帶來筒內(nèi)壓強變化過大的問題，從而使制動及啟動過程的動作盡量平緩，減少因加速和減速給乘客帶來的不舒適感。圖11汽車節(jié)能裝置工作原理圖1.4.1制動過程簡介當(dāng)接收到制動信號時，在正式進入到制動狀態(tài)前，應(yīng)該對系統(tǒng)進行制動初始化。實際上，

9、制動過程實際上就是一個普通壓縮機的工作過程，所以首先應(yīng)該將DCF-A，DCF-B斷電，使之工作在自由閥狀態(tài)，DCF-C在制動過程中始終應(yīng)該吸合防止高壓氣體從輸出端排出。待完成以上工作后DCL-A電磁離合器方通電吸合，進入到制動狀態(tài)。制動過程中控制系統(tǒng)監(jiān)視是否有啟動信號及監(jiān)視儲氣桶內(nèi)壓強值是否超過儲氣桶的儲氣壓強上限。如有啟動信號則轉(zhuǎn)入到啟動方式，如超過壓強上限則系統(tǒng)報警，同時轉(zhuǎn)入到其它的制動方式。工作狀態(tài)一切正常時，當(dāng)活塞運動到上止點附近，DCF-B在內(nèi)外壓差作用的情況下打開，儲氣桶儲氣?；钊\動到回程階段時，壓差不足以打開DCF-B，此時DCF-B閉合?；钊\動到一定位置后腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，DC

10、F-A打開，氣體重新充滿腔內(nèi)，壓縮機繼續(xù)重復(fù)壓縮過程。當(dāng)系統(tǒng)通過速度傳感器進入到檢測到汽車的速度為零時，DCL-A電磁離合器釋放。1.4.2啟動過程簡介 在此過程中，主要是將儲氣罐內(nèi)部的高壓氣體勢能重新轉(zhuǎn)換為汽車的動能。同剎車過程一樣，啟動時也要對系統(tǒng)進行初始化。此時壓縮機的作用如同發(fā)動機，啟動的過程比剎車的過程稍微復(fù)雜些。初始化時首先通過DCF-C開啟一段時間來給汽車一個啟動力矩。系統(tǒng)同時對各個控制執(zhí)行單元進行初始化。執(zhí)行啟動程序的過程時應(yīng)先檢測儲氣罐內(nèi)壓力值，如果檢測到儲氣罐內(nèi)的壓力值低于設(shè)定值，則汽車轉(zhuǎn)入到普通的啟動方式，如果壓力在正常范圍則可以利用本裝置進行啟動。給出啟動力矩后，當(dāng)活塞

11、運動到下止點時，控制執(zhí)行單元使DCF-A通電，使其進入到電磁閥工作狀態(tài)。開啟DCF-A的目的是使腔內(nèi)壓力同外界保持一致，以減少運動到上止點的飄力，提高系統(tǒng)的運行效率。當(dāng)活塞運動到上止點時，DCF-A斷電，處于自由閥狀態(tài)，與此同時，DCFC放出儲氣罐內(nèi)的高壓氣體并持續(xù)一段時間。當(dāng)活塞再次運動到下止點時又重復(fù)上述過程。在加速過程中，系統(tǒng)始終監(jiān)視速度和壓力信號。速度到達設(shè)定值時，轉(zhuǎn)為普通的驅(qū)動方式；當(dāng)氣罐內(nèi)壓力過小不足以用來驅(qū)動汽車啟動時，則轉(zhuǎn)入普通的的啟動方式，并給出報警信號。1.5課題的研究結(jié)果控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元完成了聚集壓力數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)的全過程。以這些數(shù)據(jù)為參考，控制電路執(zhí)行壓

12、縮機閥門的開啟與閉合、各個傳動機構(gòu)的控制等，從而基本完成利用ARM微處理器來設(shè)計的工作計劃。另外完成了各部分電路圖的繪制。2 硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)總體設(shè)計由于該節(jié)能裝置需檢測的模擬量較多，如儲氣罐內(nèi)的壓力、制動踏板的位置、車速、活塞運行位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù)，而且有些是需實時監(jiān)控的，如儲氣罐內(nèi)的壓力等，需要使用多任務(wù)執(zhí)行方可實現(xiàn)，而普通單片機無法滿足這一要求。因此需根據(jù)實際情況，選用合適的處理器芯片，加上各種數(shù)據(jù)和程序存儲芯片構(gòu)成最小系統(tǒng)。同時，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，來組成一個完整的控制系統(tǒng)。由于目前汽車應(yīng)用CAN現(xiàn)場總線比較廣泛，因此，為了與汽車的控制系

13、統(tǒng)連接接方便，還增加了CAN總線接口，由此構(gòu)成了整個硬件系統(tǒng)。 圖21系統(tǒng)總體框圖2.2硬件電路設(shè)計按照汽車節(jié)能裝置控制系統(tǒng)的要求，考慮到成本因素，將系統(tǒng)分為以下幾大模塊，即主控制模塊，數(shù)據(jù)采集單元，控制執(zhí)行單元，通信接口單元，數(shù)據(jù)顯示模塊和電源管理模塊等。下面分別就各個模塊進行介紹：2.2.1主控制模塊主控制模塊主要由主處理器芯片和存儲芯片來構(gòu)成。主控模塊設(shè)計主要是根據(jù)系統(tǒng)的實際要求選擇處理器芯片，以及根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小、運行軟件的大小、數(shù)據(jù)的存繼方式來確定存儲器芯片，出這些芯片構(gòu)建最小系統(tǒng)。在主控制模塊中，主要的器件就是微處理器，因此，在選擇之前應(yīng)該對目前常用的嵌入式微處理器有所了解。2.2

14、.1.1微處理芯片的選擇嵌入式微處理器在目前的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計中處于核心地位。從嵌入式微處理器的市場占有率來看，8位產(chǎn)品占了一半左右的市場，其次是16位及32位的產(chǎn)品，而4位和64位的產(chǎn)品市場占有率最低。目前，據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列，其中805l體系的占有超過一半的份額。嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到64MB，處理速度從0.1MIPS到200MIPS。根據(jù)目前現(xiàn)狀，嵌入式處理器可以分成下面幾類：(1)嵌入式微處理器(MPU)，嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保

15、留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的模塊，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，MPU雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。MPU目前主要有x86、PowerPC、68K、MIPS、ARM系列等；(2)嵌入式微控制器(MCU)，嵌入式微控制器又稱單片機，它將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。MCU一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROMEPROM、EEPROM、FLASH、RAM、總線、總線邏輯、定時計數(shù)器、WatchDog、IO、SPI、PWM、ADC等各種必要功能和外設(shè)。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場份額；(3

16、)嵌入式DSP處理器(DSP)，DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較快，在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面具有明顯的優(yōu)勢。DSP的應(yīng)用正從通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前己經(jīng)發(fā)展成為DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個不

17、同系列的處理器。(4)嵌入式片上系統(tǒng)(SOC)，隨著EDA(Electronic Design Automation)技術(shù)的推廣和VLSI(Very Large Scale Integration)設(shè)計的普及化，以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，已經(jīng)可以在一個硅片上實現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng)，即SOC。用戶只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。因為本課題所涉及的數(shù)據(jù)處理量不是很大，因此，不適合于采用DSP處理芯片，而8位的MCU

18、單片機很難運行一個嵌入式的操作系統(tǒng)，采用SOC：芯片無論是在成本上還是在開發(fā)周期來說都不適合。綜合考慮之后，唯有嵌入式微處理器才是理想的選擇。然而，在眾多的嵌入式為處理器中，又如何選擇出合適架構(gòu)的芯片呢?這不但需要對芯片的架構(gòu)、種類、性能有所了解，同時應(yīng)考慮其所支持的嵌入式操作系統(tǒng)是否與實際需要相符合，還有其實際使用情況和成本等因素。綜合考慮，最終確定了目前流行的ARM架構(gòu)的處理器。2.2.1.2 ARM處理器介紹ARM公司自1990年成立以來，一直以IP(Intellectual Property)提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識產(chǎn)權(quán)，而自己從不介入芯片的生產(chǎn)銷售，加上其設(shè)計的芯核具有

19、功耗小，成本低等顯著優(yōu)點，困此獲得眾多的半導(dǎo)體廠家和整機廠商的大力支持，在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占據(jù)32位嵌入式產(chǎn)品市場的75以上，在低功耗，低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位。ARM公司通過轉(zhuǎn)讓高性能、低成本、低功耗的RISC(Reduced Instruction Set Computing)微處理器、外圍和系統(tǒng)芯片設(shè)計技術(shù)給合作伙伴，使他們能用這些技術(shù)來生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM已成為移動通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。ARM處理器具有三大特點：小體積、低功耗、低成本而高性能；16/32位雙指令集；全球眾多的合作伙伴。ARM公司自

20、正式成立以來，在32位的RISC CPU開發(fā)領(lǐng)域不斷或得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。ARM處理器目前有五個系列產(chǎn)品：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。自V5以后，ARM公司提供PICCOLODSP的芯核給芯片設(shè)計者，用于設(shè)計ARM+DSP的SOC結(jié)構(gòu)的芯片，同時也提供支持Java的ARM7EJ等。目前設(shè)計、生產(chǎn)ARM芯片的國際大公司己越過50多家。在選擇具體微處理器時，主要考慮芯片的技術(shù)性能、售后服務(wù)、技術(shù)支撐等，在本文論述的項目中，采用了ARM7TDMI微處理器核，是因為它具有如下優(yōu)點：處理速度快，ARM7TDMI是RISC結(jié)構(gòu)的處理器，而且內(nèi)部集成了3級

21、流水線，大大提高了處理速度。超低功耗，ARM7TDMI的功耗在同檔次的其它嵌入處理器中是較低的，且處理器的散熱問題不用考慮，并使用低電壓供電，這些都無疑是車載設(shè)備的理想選擇。應(yīng)用前景廣泛，因為ARM公司不是生產(chǎn)處理器的，它是為IC廠商提供各種處理器的解決方案。所以，在上述的微處理器中，ARM的使用最廣，同時應(yīng)用前景廣闊，開發(fā)資源豐富，有利于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。成本優(yōu)勢，在各種嵌入式處理器中，ARM產(chǎn)量最大，價格適中，容易購買。由于設(shè)計要求系統(tǒng)能隨車采集信號，并進行實時監(jiān)控，對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最小系統(tǒng)。根據(jù)具體應(yīng)用的要求，實際應(yīng)用的反映

22、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)用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。擴展了一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)的費用降至最低，減低了硬件開發(fā)的難度。本嵌入式系統(tǒng)配置了2MB的FLASH存儲器以及8MB的SDRM存儲器。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，帶自動握手的2通道UART，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通道定時器，I/O端口，RTC，

23、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，是出ARM公司設(shè)計的16/32位ARM7TDMI RISC處理器(66MHZ)。ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)的特點是它集成了Thumb代碼壓縮器，ICE(In Circuit Emulator)斷點調(diào)試支持，和一個32位的硬件乘法器。S3C44BOX通過提供較全面的、通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，以降低系統(tǒng)的成本。其配置如下：2.5V的ARM7TDMI內(nèi)核，帶有8K高速緩存器(SAMBA II總線體系結(jié)構(gòu)，主頻高至66MHZ)；LED控

24、制器(最大支持256色STN，LCD具有專用DMA)；2通道通用DMA、2通道外設(shè)DMA并具有外部請求引腳；2通道UART帶有握手協(xié)議(支持IrDA1.0，其有16-byte FIFO)1通道SIO；1通道多主IIC-BUS控制器；1通道IIS-BUS控制器；5個PWM定時器和1通道內(nèi)部定時器；看門狗定時器；71個通用I/O口/8通道外部中斷源；功耗控制：具有普通，慢速，空閑和停止模式；8通道10位ADC； 具有日歷功能的RTC；具有PLL的片上時鐘發(fā)生器。由此可見，S3C44BOX的功能非常強大，性價比較高，可以滿足本設(shè)計的需求。2.2.1.3 存儲芯片的選擇與最小系統(tǒng)構(gòu)建在確定處理芯片之后

25、，應(yīng)該為其配置存儲器，以便組成最小系統(tǒng)。在眾多的存貯芯片中，選擇時應(yīng)考慮操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的大小，以及處理器芯片的支持程度。一般說來，應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)應(yīng)存放在flash中，以利于開發(fā)時的下載和調(diào)試。在系統(tǒng)啟動時，操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序才由flash加載到RAM芯片上運行。1 F1ash類型與技術(shù)特點Flash存儲器是一種可在系統(tǒng)(In-System)進行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、擦寫速度快、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程(燒寫)、擦除等特點，并且可由內(nèi)部嵌入的算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種非易失性存儲器，F(xiàn)lash在系統(tǒng)中通常用于存

26、放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。常用的Flash為8位或16位的數(shù)據(jù)寬度，編程電壓為3.3V。Flash主要分為NOR和NAND兩類。Flash閃存是非易失存儲器，可以對存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何F1ash器件進行寫入操作前必須先執(zhí)行擦除。NAND類型的Flash執(zhí)行擦除操作十分簡單：而NOR類型的F1ash則要求在進行擦除前，先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。擦除NOR器件時是以64128KB的塊進行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為l5s；擦除NAND器件是以832KB的塊進行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms，NAND器件擦除速度遠比NOR器件快，寫入速

27、度也比NOR器件快很多，但其讀取速度比NOR器件要慢。兩者接口也有差別，NOR器件帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)容的每一字節(jié)。NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。NAND器件的讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作。綜合考慮，芯片的讀取速度要快，而擦除的速度可以慢些，并且接口要求簡單，因而選用NOR類型的Flash較為合適。根據(jù)系統(tǒng)的要求以及應(yīng)用程序的大小，域后選定了HY29LVl60。它單片存儲容量為16M位(2M字節(jié))，工作電壓為2.7V3.6V，16位數(shù)據(jù)

28、寬度，可以使用8位(字節(jié)模式)或16位(半字模式)數(shù)據(jù)寬度的方式工作。HY29LVl60僅需3V左右的單電源供電即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作，通過對其內(nèi)部的命令寄存器寫入標(biāo)準(zhǔn)的命令序列，即可對Flash進行編程(燒寫)、整片擦除、按扇區(qū)擦除以及其他操作。HY29LVl60信號描述見表2.1所示： 表2.1 HY29LVl60信號描述引 腳類 型功 能 描 述A19：0I地址總線。在字節(jié)模式下，DQ15/A-1用作21位字節(jié)地址的最低位。DQ15/A-1DQ14:0I/O數(shù)據(jù)總線。在讀寫操作時提供8位或16位的數(shù)據(jù)寬度。在字節(jié)模式下，DQ15/A-1用作2l位字節(jié)地址的最低位，而DQ14：8處

29、于高阻狀態(tài)。BYTE#I模式選擇。低電平選擇字節(jié)模式，高電平選擇字模式。CE#I片選信號，低電平有效。在對HY29LVl60進行讀寫操作時，該引腳必須為低電平，當(dāng)為高電平時，芯片處于高阻旁路狀態(tài)。OE#I輸出使能，低電平有效。在讀操作時有效，寫操作時無效。WE#I寫使能，低電平有效。在對HY29LVl60進行編程和擦除操作時，控制相應(yīng)的寫命令。RESET#I硬件復(fù)位，低電平有效。對HY29LV160進行硬件復(fù)位。當(dāng)復(fù)能時，HY29LVl60立即終止正在進行的操作。RY/BY#O就緒/忙狀態(tài)指示。用于指示寫或擦除操作是否完成。當(dāng)HY29LV160正在進行編程或擦涂操作時，該引腳位低電平，操作完成

30、時為高電平，此時可讀取內(nèi)部的數(shù)據(jù)。VCC-3.3V電源VSS-接地Flash存儲器在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼，系統(tǒng)上電或復(fù)位后從此獲取指令并開始執(zhí)行，因此，應(yīng)將存有程序代碼的Flash存儲器配置到ROM/SRAM/FLASH的第一區(qū)(Bank0)，即將S3C44BOX的nGCS0接至HY29LV160的CE#端。HY29LV160的REST#端接系統(tǒng)復(fù)位信號；OE#端接S3C44BOX的n0E；WE#端接S3C44BOXB的nWE；BYTE#上拉，使HY29LV160工作在半字模式(16位數(shù)據(jù)寬度)；RY/BY#指示HY29LVl60編程或擦除操作的工作狀態(tài)，但其工作狀態(tài)也可通過查詢片內(nèi)的相

31、關(guān)寄存器來判斷，因此可將該引腳懸空；遺址總線A19AO與S3C44BOX的地址總線ADDR19-ADDR0相連；16位數(shù)據(jù)總線DQl5DQ0與S3C44BOX的低16位數(shù)據(jù)總線DATA15-DATA0相連。2RAM類型與技術(shù)特點RAM有兩大類，一種稱為靜態(tài)RAM(Static RAM)，簡稱SRAM。SRAM速度非常快，是目前讀寫速度最快的存儲設(shè)備，但是它也非常昂貴。另一種稱為動態(tài)RAM(Dynamic RAM)，簡稱DRAM，動態(tài)RAM的速度比SRAM慢，不過比任何ROM都要快。DRAM也有很多類型，限于篇幅這里不作一一介紹。最常用的有EDORAM、SDRAM和DDRRAM。(1)EDORA

32、M(Extended Bata Output RAM)，擴展數(shù)據(jù)輸出動態(tài)內(nèi)存，這是一種很快的讀取方式，但內(nèi)存的時鐘和CPU外部時鐘不是同步的，這就會導(dǎo)致在每次讀寫數(shù)據(jù)的時候有個協(xié)同時間，效率不離，最快存取速度只有15ns。(2)SDRAM(Sychronous DRAM)，同步動態(tài)內(nèi)存，可以和CPU的外部時鐘同步運行的，因此讀寫效率很高，存取速度高達7.5ns。(3)DDRRAM(Double Date-Rate RAM)，雙數(shù)據(jù)率動態(tài)內(nèi)存，這種改進型的RAM和SDRAM是基本一樣的，不同之處在于它可以在一個時鐘讀寫兩次數(shù)據(jù)，這樣就使得數(shù)據(jù)傳輸速度加倍了，但價格也比SDRAM貴。SDRAM具有

33、單位空間存儲容量大和價格便宜的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)中。由于SDRAM可以與CPU同步工作，無等待周期，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，而且價格低廉，因此選用了該類型的RAM。SDRAM的存儲單元可以理解為一個電容，總是傾向于放電，為避免數(shù)據(jù)丟失，必須定時刷新(充電)。因此，要在系統(tǒng)中使用SDRAM，就要求微處理器具有刷新控制邏輯，或在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。S3C44BOX及其他一些ARM芯片在片內(nèi)其有獨立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便的與SDRAM連接，但有些ARM芯片則沒有SDRAM刷新控制邏輯，就不能直接與SDRAM連接，在進行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意這一點。根據(jù)運算的數(shù)據(jù)量和程序的大小

34、，最后確定采用HY57V641620。HY57V641620存儲容量為4組16M位(8M字節(jié))，工作電壓為3.3V，常見封裝為54腳TSOP，兼容LVTTL接口，支持自動刷新(Auto-Refresh)和自刷新(self-Refresh)，16位數(shù)據(jù)寬度。HY57V641620信號描述如表2.2所示：表2.2 HY57V641620信號描述 引 腳 名稱 功 能 描 述CLK時鐘芯片時鐘輸入CKE時鐘功能片內(nèi)時鐘信號控制/CS片選禁止或使能除CLK、CKE和DQM外的所有輸入信號BA0,BA1組地址選擇用于片內(nèi)4個組的選擇A11A0地址總線行地址：A11A0，列地址：A7A0，自動預(yù)充電標(biāo)志：

35、A1/RAS,/CAS,/WE行地址鎖存列地址鎖存寫使能參照功能真值表，/RAS，/CAS和/WE定義相應(yīng)的操作LDQM,DQM數(shù)據(jù)I/O屏蔽在讀模式下控制輸出緩沖：在寫模式下屏蔽輸入數(shù)據(jù)DQ15DQ0數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)輸入輸出引腳VDD/VSS電源/地內(nèi)部電路及輸入緩沖電源/地VDDQ/VSSQ電源/地輸出緩沖電源/地NC未連接未連按3最小系統(tǒng)構(gòu)建在選定出處理器和存儲器芯片之后，配以相應(yīng)的晶體振蕩器，就可以構(gòu)成最小系統(tǒng)。由于S3C44BOX可以工作在66MHz頻率上，且內(nèi)部具有6倍的倍頻器PLL，且有可選系數(shù)1.1，因此，處理器的主工作晶振選用10MHz，處理器即可工作在66MHz。另外，S3C4

36、4BOX具有日歷功能的RTC，可在顯示模塊上顯示日期和時間，因此選用標(biāo)準(zhǔn)的晶體32.768KHz作為顯示時鐘振蕩器。需要注意的是，本系統(tǒng)采用16位的數(shù)據(jù)寬度，在連接SDRAM地址線時，S3C44BOX規(guī)定其地址線是從ADDR1開始而不是從ADDRO開始，這一點需要特別注意。另外，S3C44BOX還規(guī)定了含不同分區(qū)、不同存儲大小的SDRAM，其分區(qū)必須選用特定的地址線作為選擇線，因為SDRAM選用HY57V641620，按照規(guī)定，采用ADDR22，ADDR21做為內(nèi)部分區(qū)的選擇線。具體的接線圖見圖2.2：圖2.2主控模塊最小系統(tǒng)圖2.2.2數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)采集單元的作用就是對需要的模擬信號進行采

37、集、處理后送到處理器進行處理。在該單元中，核心是對模擬信號的調(diào)理。由于系統(tǒng)要采集到汽車的儲氣罐內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)、制動踏板的位置數(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)必須完成信號的調(diào)理后，才能送到處理器進行處理。該采集單元的信號采集通道框圖。如圖2.3所示：圖2.3信號采集通道(1)前置放大為防止共模信號和其他外界的干擾，在前置放大端采用差動輸入法對信號進行采集。由于差動放大器的輸入阻抗很高，對信號源索取的電流很小，因此可提高共模抑制能力和測量精度。(2)濾波對來自前置放大端的信號可能會含有高頻分量，如果不濾除的話將給系統(tǒng)帶來很大的干擾，甚至使系統(tǒng)無法

38、工作。因此，必須采取適當(dāng)?shù)臑V波方式來濾除這些高頻分量。顯然，簡單的阻容濾波并不能滿足要求，若采用軟件濾波方式，則要增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度。綜合考慮，最后選用硬件濾波的方式，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。這里選用二階有源低通濾波器，并采用巴特沃斯濾波器，這樣不僅電路結(jié)構(gòu)簡單，而且效果很好。在設(shè)計時，取截止頻率為2kHz，根據(jù)此頻率算出個電阻和電容的值。階巴特沃斯濾波器的考爾第一型電子線路圖如下： 圖2.4巴特沃斯濾波器電路圖(3)隔離為了保護處理芯片不受外界信號的干擾而損壞，在信號輸入通道上采取隔離措施。出于采集得到的是模擬信號，不能用普通的光電藕合器來隔離，因為普通的光電耦合器主要是對數(shù)字

39、信號進行隔離，它工作在飽和區(qū)，因此不能用來隔離模擬信號。為了對模擬信號進行隔離，必須采用線性光耦。這里選用ISO124，它具有1比1的傳輸比，線性度達0.1，足以滿足系統(tǒng)要求。(4)驅(qū)動對來自隔離器件的信號，為了能有效地傳輸?shù)教幚砥鞯腁D采樣輸入端，增加了一級驅(qū)動電路，以防止信號的衰減，同時也能與ADC的輸入阻抗進行匹配。(5)AD轉(zhuǎn)換由于S3C44BOX內(nèi)部集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，因此不需另外增加AD采樣芯片。S3C44BOX內(nèi)部具有8通道輸入的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，它是一個逐次逼近型的ADC，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包括模擬輸入多路復(fù)用器，自動調(diào)零比較器，時鐘產(chǎn)生器，10位逐次逼近寄存器(S

40、AR)，輸入寄存器等。另外該ADC還提供可編程的睡眠模式，以節(jié)省功耗。其結(jié)構(gòu)圖如下圖2.5所示。圖2.5 S3C44BOX內(nèi)部ADC結(jié)構(gòu)圖上圖為S3C44BOX內(nèi)部ADC的功能結(jié)構(gòu)圖。它的主要特性是：分辨率：10位；微分線性度誤差：1 LSB積分線性度誤差：2 LSB(最大3 LSB)最大轉(zhuǎn)換速率： 100KSPS輸入電壓范圍：0-2.5V輸入帶寬：0-100HzS3C44BOX的ADC的輸出為10位數(shù)字量，由于輸入的滿刻度電壓為2.5v，因此，ADC能分辨出來的輸入電壓變化的最小值為2.5V/1024=2.4mv，可以滿足控制精度的要求。2.2.3控制執(zhí)行單元控制執(zhí)行單元的功能主要是接收處理

41、器發(fā)出的數(shù)字量，經(jīng)過隔離及驅(qū)動后，送到執(zhí)行機構(gòu)如電磁閥、繼電器、離合器等來使行相應(yīng)的動作。功能框圖如圖2.6所示：圖2.6控制執(zhí)行單元這一級相對來說較為簡單，但為了防止外界對系繞的干擾，須采用隔離。隔離器件采用普通的光電耦器即可，這里采用TLP521-l。單個通道具體的線路圈如圖2.7所示：圖2.7控制執(zhí)行單元線路圖2.2.4通信單元在系統(tǒng)設(shè)計中，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)場總線的接口。2.2.4.1串行RS-232C接口RS-232C使用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，而TT

42、L是以高低電平表示邏輯狀態(tài)，因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器傳連接，必須在RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可以用分立元件，也可以用集成電路芯片。現(xiàn)在常用的RS-232C到TTL的轉(zhuǎn)換芯片是MAX232或ICL232。MAX232內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需+5V電源便可實現(xiàn)TTL電平與RS-232C電平轉(zhuǎn)換，使用起來十分方便。一個MAX232芯片可連接兩對接收/發(fā)送線，從而完成TTL和EIA雙向電平轉(zhuǎn)換，其中，TTL/CMOS電平為0V5V，RS-232C電平為-10V+10V。MAX232可以實現(xiàn)TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換

43、。由于在實際應(yīng)用中，器件對電源噪聲很敏感，因照MAX232的VCC引腳必須要對建加0.1F去耦電容，另外，為提高抗干擾能力，添加了四個10F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，否則將無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)。由Maxim公司已經(jīng)注意到這點并推出了專用3V供電的器件MAX3232C，利用它就可以無需考慮3V到5V的電平轉(zhuǎn)換問題。MAX3232C與處理器的接口電路如下圖2.9所示：圖2.8 RS-2

44、32C通信接口圖2.2.4.2 CAN現(xiàn)場總線接口(1)CAN總線的概念及特點CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。最初有德國的Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，其總線規(guī)范已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)指定為國際標(biāo)準(zhǔn)。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設(shè)計，硬件接口簡單，編程方便，系統(tǒng)容易集成。由于它具有數(shù)據(jù)精簡、實時性高、可靠性強(采用CRC校驗)等一系列優(yōu)點，可滿足大部分工業(yè)設(shè)備的通信要求，適合在低壓電器領(lǐng)域中推廣應(yīng)用，特別適用于系統(tǒng)分布比較分散、實時性要求較高、現(xiàn)場環(huán)境干擾大的場合。因此，CAN總線越來越受到人們的重