汽车节能装置控制系统硬件设计.docx
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汽车节能装置控制系统硬件设计
1绪论
1.1课题的背景及目的
当今地球资源日趋枯竭并受到破坏，按目前的全世界石油资源的开采速度和消费量来计算，再过五十多年全球石油资源就将耗尽。
燃烧天然气没有空气污染，但会增加温室效应，太阳能、风能等资源，由于现有科技条件的限制不能够有效的利用，因此，汽车工业厂商大量使用以下技术来节省能源和有效利用现有地球资源：
采用轻型铝合金材料、减轻汽车的重量、降低汽车行驶阻力、降低燃油消耗、采用清洁能源（如氢能）、采用电子喷射和电子控制系统，从而提高了能源的利用率和汽车的经济性能和动力性能。
从节约资源、资源再生以及环境保护与改善出发，能源的有效利用有很重要的意义，本课题从一个全新的角度来考虑能源的有效利用。
城市的公交车运输中，出于公交车经常停靠各个车站，在快到站时，汽车必须减速，通常汽车减速是通过刹车来实现的。
当汽车进行紧急制动时，驾驶员踩下制动踏板，此时汽车的动能主要是通过制动机构的摩擦，最终转换为热能损耗掉。
本课题正是基于这种现实问题提出的，即如何把这部分能量通过压缩的方式变为高压势能储存起来，在汽车启动时利用储存起来的能量驱动汽车行走。
这样可以使能源再生利用，从而达到节能的目的。
1.2国内外相关研究发展的状况
在国外，与此相关的一些研究——压缩空气汽车已经研究出来。
压缩空气动力汽车（Air-poweredvehicle-APV），简称气动汽车，利用高压压缩空气为动力源，将压缩空气存储的压力能转化为其他形式的机械能，从而驱动汽车运行。
从理论上来说，液态空
气和液氮等吸热膨胀作功为动力的其他气体动力汽车，也应属于气动汽车的范畴。
它最初是由法国公司MDI（MoteurDevelopmentInternational）的工程师GuyNegre耗时6年研制出的瓤式汽车。
该车是通过压缩空气来推动汽车的，它可以说是汽车代用燃料技术的一个重大突破。
它的工作原理很简单：
压缩空气储存在一个纤维容器内，利用其压力来推动发动机的活塞。
在整个过程中，不需要燃烧，所以不会给城市带来热岛效应；无有害气体排放，不会对环境造成污染；不需要高质量燃油发动机，所以有较大的降低成本的空间；并且MDI称因为使用空气，润滑油每3000英里才需要更换一次。
压缩空气动力汽车主要是靠电能把空气压缩成高压势能，空气可循环使用，需要的能源（电能）不高，而且它安全、无污染、成本低，减轻城市热岛效应，越用空气越清洁。
在国内，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室研究的气动汽车项目日前已取得重要进展，以压缩空气为动力的发动机原理性试验已经完成，目前距生产出首辆气动汽车尚有一定距离。
因此，从原理性来说，本课题的节能装置所使用的原理、方法已经得到了证明，是切实可行的，而且此课题的研究对于我国的能源的节约利用其有深远的意义。
1.3课题的主要研究内容
城市公交车行驶的特点是启动、制动频繁。
当公交车具有了一定的速度时就具有了一定的动能，目前的制动方法一般是经摩擦生热使公交车减速或停车。
这不仅造成极大的能源浪费，而且摩擦件的消耗也很大。
本课题在公交车上加装一种装置，该装置主要由3～4个空气压缩机、储气桶、电磁阀、电磁离合器以及单片机控制电路等组成的机电一体化集成系统。
在单片机的控制下，将汽车巨大的动能转化成高压气体的势能实现汽车减速或停车，同时自动实现将汽车巨大的动能保存起来，当汽车需要再加速时，用储存在储气桶中的高压气体势能驱动汽车。
从而实现了公交车能量回收再利用，达到了节能的效果。
众所周知，汽车在启动或加速时单位距离耗能最大，此时燃油燃烧效果最不好而且噪音最大。
当汽车加装了本课题设计的汽车节能装置后，在汽车加速或重新启动初期，利用存储的高压气驱动汽车，此时不需要燃烧燃料，这对于降低汽车尾气对环境的污染、减小环境噪声有十分明显的效果，说明该装置同时还是一个环保装置。
设计该装置需要满足以下条件：
（1）该装置存储能量的大小有比较宽的范围；
（2）该装置不能影响原车的制动系统，操作中不给驾驶员增加额外负担；
（3）该装置操作过程中不能给乘客增加乘车的不舒服感；
（4）该装置实用，便于安装、维修；
（5）该装置价格合理，使用者能有较大的经济效益。
1.4系统工作原理及工作过程简介
本系统主要由三部分组成，即检测部分，控制部分和执行机构。
检测部分包括踏板位置传感器、曲轴位置传感器、压缩机活塞位置传感器、汽车运行速度传感器、储气罐压力传感器等信号的检测。
执行机构主要包括双向可控电磁阀和电磁离合器。
控制部分主要由ARM微处理器组成的控制系统及一些外围电路构成。
本文将在以后的章节中对上述各部分进行具体介绍。
该装置功能实际上是将制动时本应由摩擦来消耗掉的汽车动能改由气体的势能来消耗，汽车启动时可借助储气桶内气体储存的高压内能来进行启动。
当汽车速度到达一定值（如20km／h）时，再改由汽车发动机来驱动汽车。
在描述该装置的制动及启动过程之前，先来简单介绍一下此装置的结构，如图1．1所示。
此装置主要由电磁离合器、压缩机和储气桶三部分组成，其中DCL-A为电磁离合器，DCF-A为压缩机吸气阀，DCF-B为储气桶进气阀，DCF-C为储气桶出气阀，ZYF-A，ZYF-B，ZYF-C为储气桶内部的三个自由阀。
标号为DCF的表示是可控的电磁阀，它在没有加电的情况下仍是自由阀，ZYF表示自由阀。
将储气桶分成4个小桶的目的是为了储气和放气过程中筒内压强的变化梯度尽量小些，由于ZYF-A，ZYF-B，ZYF-C只有在一定的压差下才能打开，也就是说两小桶之间的压差只在很小的范围内变化，这样就很巧妙的解决了单桶储气、供气带来筒内压强变化过大的问题，从而使制动及启动过程的动作尽量平缓，减少因加速和减速给乘客带来的不舒适感。
图1．1汽车节能装置工作原理图
1.4.1制动过程简介
当接收到制动信号时，在正式进入到制动状态前，应该对系统进行制动初始化。
实际上，制动过程实际上就是一个普通压缩机的工作过程，所以首先应该将DCF-A，DCF-B断电，使之工作在自由阀状态，DCF-C在制动过程中始终应该吸合防止高压气体从输出端排出。
待完成以上工作后DCL-A电磁离合器方通电吸合，进入到制动状态。
制动过程中控制系统监视是否有启动信号及监视储气桶内压强值是否超过储气桶的储气压强上限。
如有启动信号则转入到启动方式，如超过压强上限则系统报警，同时转入到其它的制动方式。
工作状态一切正常时，当活塞运动到上止点附近，DCF-B在内外压差作用的情况下打开，储气桶储气。
活塞运动到回程阶段时，压差不足以打开DCF-B，此时DCF-B闭合。
活塞运动到一定位置后腔内产生负压，DCF-A打开，气体重新充满腔内，压缩机继续重复压缩过程。
当系统通过速度传感器进入到检测到汽车的速度为零时，DCL-A电磁离合器释放。
1.4.2启动过程简介
在此过程中，主要是将储气罐内部的高压气体势能重新转换为汽车的动能。
同刹车过程一样，启动时也要对系统进行初始化。
此时压缩机的作用如同发动机，启动的过程比刹车的过程稍微复杂些。
初始化时首先通过DCF-C开启一段时间来给汽车一个启动力矩。
系统同时对各个控制执行单元进行初始化。
执行启动程序的过程时应先检测储气罐内压力值，如果检测到储气罐内的压力值低于设定值，则汽车转入到普通的启动方式，如果压力在正常范围则可以利用本装置进行启动。
给出启动力矩后，当活塞运动到下止点时，控制执行单元使DCF-A通电，使其进入到电磁阀工作状态。
开启DCF-A的目的是使腔内压力同外界保持一致，以减少运动到上止点的飘力，提高系统的运行效率。
当活塞运动到上止点时，DCF-A断电，处于自由阀状态，与此同时，DCF—C放出储气罐内的高压气体并持续一段时间。
当活塞再次运动到下止点时又重复上述过程。
在加速过程中，系统始终监视速度和压力信号。
速度到达设定值时，转为普通的驱动方式；当气罐内压力过小不足以用来驱动汽车启动时，则转入普通的的启动方式，并给出报警信号。
1.5课题的研究结果
控制系统的数据采集单元完成了聚集压力数据、速度数据和位置数据的全过程。
以这些数据为参考，控制电路执行压缩机阀门的开启与闭合、各个传动机构的控制等，从而基本完成利用ARM微处理器来设计的工作计划。
另外完成了各部分电路图的绘制。
2硬件设计
2.1系统总体设计
由于该节能装置需检测的模拟量较多，如储气罐内的压力、制动踏板的位置、车速、活塞运行位置和油门踏板位置等数据，而且有些是需实时监控的，如储气罐内的压力等，需要使用多任务执行方可实现，而普通单片机无法满足这一要求。
因此需根据实际情况，选用合适的处理器芯片，加上各种数据和程序存储芯片构成最小系统。
同时，增加数据采集、显示、通信接口、控制执行单元和电源管理模块等，来组成一个完整的控制系统。
由于目前汽车应用CAN现场总线比较广泛，因此，为了与汽车的控制系统连接接方便，还增加了CAN总线接口，由此构成了整个硬件系统。
图2．1系统总体框图
2.2硬件电路设计
按照汽车节能装置控制系统的要求，考虑到成本因素，将系统分为以下几大模块，即主控制模块，数据采集单元，控制执行单元，通信接口单元，数据显示模块和电源管理模块等。
下面分别就各个模块进行介绍：
2.2.1主控制模块
主控制模块主要由主处理器芯片和存储芯片来构成。
主控模块设计主要是根据系统的实际要求选择处理器芯片，以及根据数据量的大小、运行软件的大小、数据的存继方式来确定存储器芯片，出这些芯片构建最小系统。
在主控制模块中，主要的器件就是微处理器，因此，在选择之前应该对目前常用的嵌入式微处理器有所了解。
2.2.1.1微处理芯片的选择
嵌入式微处理器在目前的嵌入式系统硬件设计中处于核心地位。
从嵌入式微处理器的市场占有率来看，8位产品占了一半左右的市场，其次是16位及32位的产品，而4位和64位的产品市场占有率最低。
目前，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中805l体系的占有超过一半的份额。
嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到64MB，处理速度从0.1MIPS到200MIPS。
根据目前现状，嵌入式处理器可以分成下面几类：
（1）嵌入式微处理器（MPU），嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。
在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的模块，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。
为了满足嵌入式应用的特殊要求，MPU虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。
MPU目前主要有x86、PowerPC、68K、MIPS、ARM系列等；
（2）嵌入式微控制器（MCU），嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。
MCU一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM／EPROM、EEPROM、FLASH、RAM、总线、总线逻辑、定时／计数器、WatchDog、I／O、SPI、PWM、ADC等各种必要功能和外设。
目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额；
（3）嵌入式DSP处理器（DSP），DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较快，在数字滤波、FFT、谱分析等方面具有明显的优势。
DSP的应用正从通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。
嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。
TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。
DSP56000目前己经发展成为DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。
（4）嵌入式片上系统（SOC），随着EDA（ElectronicDesignAutomation）技术的推广和VLSI（VeryLargeScaleIntegration）设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，已经可以在一个硅片上实现一个复杂的系统，即SOC。
用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。
这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。
因为本课题所涉及的数据处理量不是很大，因此，不适合于采用DSP处理芯片，而8位的MCU单片机很难运行一个嵌入式的操作系统，采用SOC：
芯片无论是在成本上还是在开发周期来说都不适合。
综合考虑之后，唯有嵌入式微处理器才是理想的选择。
然而，在众多的嵌入式为处理器中，又如何选择出合适架构的芯片呢?
这不但需要对芯片的架构、种类、性能有所了解，同时应考虑其所支持的嵌入式操作系统是否与实际需要相符合，还有其实际使用情况和成本等因素。
综合考虑，最终确定了目前流行的ARM架构的处理器。
2.2.1.2ARM处理器介绍
ARM公司自1990年成立以来，一直以IP（IntellectualProperty）提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗小，成本低等显著优点，困此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占据32位嵌入式产品市场的75％以上，在低功耗，低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。
ARM公司通过转让高性能、低成本、低功耗的RISC（ReducedInstructionSetComputing）微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。
ARM已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。
ARM处理器具有三大特点：
①小体积、低功耗、低成本而高性能；②16/32位双指令集；③全球众多的合作伙伴。
ARM公司自正式成立以来，在32位的RISCCPU开发领域不断或得突破，其结构已经从V3发展到V6。
ARM处理器目前有五个系列产品：
ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。
自V5以后，ARM公司提供PICCOLODSP的芯核给芯片设计者，用于设计ARM+DSP的SOC结构的芯片，同时也提供支持Java的ARM7EJ等。
目前设计、生产ARM芯片的国际大公司己越过50多家。
在选择具体微处理器时，主要考虑芯片的技术性能、售后服务、技术支撑等，在本文论述的项目中，采用了ARM7TDMI微处理器核，是因为它具有如下优点：
①处理速度快，ARM7TDMI是RISC结构的处理器，而且内部集成了3级流水线，大大提高了处理速度。
②超低功耗，ARM7TDMI的功耗在同档次的其它嵌入处理器中是较低的，且处理器的散热问题不用考虑，并使用低电压供电，这些都无疑是车载设备的理想选择。
③应用前景广泛，因为ARM公司不是生产处理器的，它是为IC厂商提供各种处理器的解决方案。
所以，在上述的微处理器中，ARM的使用最广，同时应用前景广阔，开发资源丰富，有利于缩短产品的研发周期。
④成本优势，在各种嵌入式处理器中，ARM产量最大，价格适中，容易购买。
由于设计要求系统能随车采集信号，并进行实时监控，对主控模块的要求较高，因此主控制模块应当是以高性能的微处理器为核心而组成的一个最小系统。
根据具体应用的要求，实际应用的反映情况，选用了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处理器S3C44BOX为一般类型的应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。
扩展了一系列完整的通用外围器件，使系统的费用降至最低，减低了硬件开发的难度。
本嵌入式系统配置了2MB的FLASH存储器以及8MB的SDRM存储器。
为了降低成本，S3C44BOX提供了丰富的内置部件，包括：
8KB的Cache，内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通道UART，4通道DMA，系统管理器（片选逻辑，FP/EDO/SDRAM控制器），带有PWM功能的5通道定时器，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倍频器。
S3C44BOX的突出特性是它的CPU核，是出ARM公司设计的16/32位ARM7TDMIRISC处理器（66MHZ）。
ARM7TDMI体系结构的特点是它集成了Thumb代码压缩器，ICE（InCircuitEmulator）断点调试支持，和一个32位的硬件乘法器。
S3C44BOX通过提供较全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，以降低系统的成本。
其配置如下：
·2.5V的ARM7TDMI内核，带有8K高速缓存器（SAMBAII总线体系结构，主频高至66MHZ）；
·LED控制器（最大支持256色STN，LCD具有专用DMA）；
·2通道通用DMA、2通道外设DMA并具有外部请求引脚；
·2通道UART带有握手协议（支持IrDA1.0，其有16-byteFIFO）
·1通道SIO；
·1通道多主IIC-BUS控制器；
·1通道IIS-BUS控制器；
·5个PWM定时器和1通道内部定时器；看门狗定时器；
·71个通用I/O口/8通道外部中断源；
·功耗控制：
具有普通，慢速，空闲和停止模式；
·8通道10位ADC；
·具有日历功能的RTC；
·具有PLL的片上时钟发生器。
由此可见，S3C44BOX的功能非常强大，性价比较高，可以满足本设计的需求。
2.2.1.3存储芯片的选择与最小系统构建
在确定处理芯片之后，应该为其配置存储器，以便组成最小系统。
在众多的存贮芯片中，选择时应考虑操作系统和应用程序的大小，以及处理器芯片的支持程度。
一般说来，应用程序和操作系统应存放在flash中，以利于开发时的下载和调试。
在系统启动时，操作系统及应用程序才由flash加载到RAM芯片上运行。
1．F1ash类型与技术特点
Flash存储器是一种可在系统（In-System）进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。
它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程（烧写）、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。
作为一种非易失性存储器，Flash在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。
常用的Flash为8位或16位的数据宽度，编程电压为3.3V。
Flash主要分为NOR和NAND两类。
Flash闪存是非易失存储器，可以对存储器单元块进行擦写和再编程。
任何F1ash器件进行写入操作前必须先执行擦除。
NAND类型的Flash执行擦除操作十分简单：
而NOR类型的F1ash则要求在进行擦除前，先要将目标块内所有的位都写为0。
擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为l～5s；擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms，NAND器件擦除速度远比NOR器件快，写入速度也比NOR器件快很多，但其读取速度比NOR器件要慢。
两者接口也有差别，NOR器件带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内容的每一字节。
NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。
8个引脚来传送控制、地址和数据信息。
NAND器件的读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作。
综合考虑，芯片的读取速度要快，而擦除的速度可以慢些，并且接口要求简单，因而选用NOR类型的Flash较为合适。
根据系统的要求以及应用程序的大小，域后选定了HY29LVl60。
它单片存储容量为16M位（2M字节），工作电压为2.7V～3.6V，16位数据宽度，可以使用8位（字节模式）或16位（半字模式）数据宽度的方式工作。
HY29LVl60仅需3V左右的单电源供电即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，即可对Flash进行编程（烧写）、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。
HY29LVl60信号描述见表2.1所示：
表2.1HY29LVl60信号描述
引脚
类型
功能描述
A[19：
0]
I
地址总线。
在字节模式下，DQ[15]/A[-1]用作21位字节地址的最低位。
DQ[15]/A[-1]
DQ[14:
0]
I/O
数据总线。
在读写操作时提供8位或16位的数据宽度。
在字节模式下，DQ[15]/A[-1]用作2l位字节地址的最低位，而DQ[14：
8]处于高阻状态。
BYTE#
I
模式选择。
低电平选择字节模式，高电平选择字模式。
CE#
I
片选信号，低电平有效。
在对HY29LVl60进行读写操作时，该引脚必须为低电平，当为高电平时，芯片处于高阻旁路状态。
OE#
I
输出使能，低电平有效。
在读操作时有效，写操作时无效。
WE#
I
写使能，低电平有效。
在对HY29LVl60进行编程和擦除操作时，控制相应的写命令。
RESET#
I
硬件复位，低电平有效。
对HY29LV160进行硬件复位。
当复能时，HY29LVl60立即终止正在进行的操作。
RY/BY#
O
就绪/忙状态指示。
用于指示写或擦除操作是否完成。
当HY29LV160正在进行编程或擦涂操作时，该引脚位低电平，操作完成时为高电平，此时可读取内部的数据。
VCC
--
3.3V电源
VSS
--
接地
Flash存储器在系统中通常用于存放程序代码，系统上电或复位后从此获取指令并开始执行，因此，应将存有程序代码的Flash存储器配置到ROM/SRAM/FLASH的第一区（Bank0），即将S3C44BOX的nGCS0接至HY29LV160的CE#端。
HY29LV160的REST#端接系统复位信号；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位数据宽度）；RY/BY#指示HY29LVl60编程或擦除操作的工作状态，但其工作状态也可通过查询片内的相关寄存器来判断，因此可将该引脚悬空；遗址总线[A19～AO]与S3C44BOX的地址总线[ADDR19-ADDR0]相连；16位数据总线[DQl5～DQ0]与S3C44BOX的低16位数据总线[DATA15-DATA0]相连。
2．RAM类型与技术特点
RAM有两大类，一种称为静态RAM（StaticRAM），简称SRAM。
SRAM速度非常快，是目前读写速度最快的存储设备，但是它也非常昂贵。
另一种称为动态RAM（DynamicRAM），简称DRAM，动态RAM的速度比SRAM慢，不过比任何ROM都要快。
DRAM也有很多类型，限于篇幅这里不作一一介绍。
最常用的有EDORAM、SDRAM和DDRRAM。
（1）EDORAM（ExtendedBataOutputRAM），扩展数据输出动态内存，这是一种很快的读取方式，但内存的时钟和CPU外部时钟不是同步的，这就会导致在每次读写数据的时候有个协同时间，效率不离，最快存取速度只有15ns。
（2）SDRAM（SychronousDRAM），同步动态内存，可以和CPU的外部时钟同步运行的，因此读写效率很高，存取速度高达7.5ns。
（3）DDRRAM（DoubleDate-RateRAM），双数据率动态内存，这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了，但价格也比SDRAM贵。
SDRAM具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌入式系统中。
由于SDRAM可以与CPU同步工作，无等待周期，减少数据传输延迟，而且价格低廉，因
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