摘 要： 主要設計和開發了ASR控制的核心部件——電子控制單元（ECU）并進行了測試。ECU硬件主要包括MCU最小系統電路、SPI通訊電路、輪速信號處理電路、執行機構驅動電路和CAN通訊電路等；設計了軟件方案、編寫了程序代碼。把開發的ECU在以dSPACE為核心的硬件在環試驗臺進行了硬件在環測試。測試結果表明ECU能夠實現驅動防滑控制功能，用硬件在環仿真方法開發電子控制單元有較大的優越性。
關鍵詞： ASR系統ECU; 硬件電路設計; 軟件開發; 硬件在環測試
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驅動防滑控制系統ASR(Acceleration Slip Regulation System)是在汽車起步和加速過程中防止車輪過度滑轉以獲
得最佳的地面驅動力和保持方向穩定性的主動安全控制系統。它是基于汽車防抱死制動系統（ABS）的控制原理在驅動工況的推廣而研制的。隨著ABS系統在汽車上的應用逐漸普及，ASR的應用也漸為廣泛，因此,關于ASR的控制算法研究和控制器開發成為當前研究的熱點[1-5]。
ASR需要通過一定的途徑調節發動機輸出扭矩，由于受電控發動機的限制,我國目前在ASR系統的控制理論方面大多側重于采用以制動控制為主、發動機控制為輔的控制方法。總的來說，距離產品化還有一定的差距[4]。采用發動機輸出扭矩或者電子節氣門開度調節則難于進行試驗驗證。近年來，為了進一步提高算法驗證的精度，半物理仿真技術得到了一定程度的應用[5-6]。
本文在深入研究ASR控制需求的基礎上，設計并開發了ECU軟硬件，利用MATLAB/Simulink軟件和dSPACE實時仿真系統進行了ECU的硬件在環測試，標定了ECU控制參數，驗證了控制效果。
1 ECU硬件電路設計
ASR ECU硬件主要實現輪速信號采集與處理、存儲與運行控制軟件、驅動電子節氣門電機與壓力調節器電磁閥以及與其他ECU或者計算機進行通訊等功能。其硬件設計框架如圖1所示。
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ECU的設計還需要綜合考慮如下因素：
(1)控制程序的實時性。要求控制器能夠快速運行程序并具備較高的計算速度。
(2)控制器可靠性。確保在汽車級惡劣電磁環境中具備較強的抗干擾性能，控制程序能夠運行可靠、穩定。
(3)控制器體積及成本，要具備一定的市場競爭能力。
1.1 主輔MCU選型及單片機最小系統設計
單片機是電子控制系統ECU的核心，它負責數據采集、處理及所有的邏輯運算，并直接影響到控制器電路運行的可靠性、成本控制以及控制器的尺寸。為了提高ECU可靠性，本文采用雙MCU架構。主MCU負責采集輪速信號并進行計算處理，然后根據控制邏輯對電磁閥輸出相應的控制指令，從而完成ASR預期功能。因此，主MCU安全可靠的運行是ASR控制器可靠性的保證。輔MCU的主要功能是對主MCU進行監控并完成部分故障診斷。
對單片機選型主要考慮以下幾個因素：
(1)單片機的運算速度：ABS/ASR控制邏輯從參考車速估算到控制算法的實現涉及到很多復雜的數學算法，因此對MCU的運算速度和運算能力有很高的要求。
(2)充足的存儲空間：復雜的ABS/ASR控制邏輯和參考車速計算擬合以及逐漸增加的故障診斷功能，都會導致軟件代碼的增加，程序運行時也需要很多的內存空間，這就要求MCU具備充足的存儲空間才能滿足整個系統的需求。根據以往摩托車ABS/ASR控制器設計的經驗，由于片內集成存儲單元技術和成本的限制，片內一般只有較少存儲空間，往往需要用戶通過 MCU 的地址和數據總線進行擴充，這樣會導致 MCU 的I/O接口的不足，而且外部存取也會影響 MCU 的總體運算速度。
(3)與系統需求相匹配的I/O接口數：本文設計的ABS/ASR系統需要采集4通道的輪速輸入信號，驅動4組（8路）壓力控制閥的電磁閥，并且需要進行大量的故障診斷電路設計，因此必須保證充足的I/O口的數量。
(4)單片機的價格因素、抗干擾性能以及芯片生產商對該型號單片機相應的技術支持也是單片機選型的重要考慮因素。
考慮以上因素后，本設計選定Freescale公司的HCS12系列16位單片機MC9S12DP512作為系統核心控制芯片。MC9S12DP512的主要優點：
(1)具有較強的運算能力，豐富的I/O接口和充裕的存儲空間。它的核心運算速度可以達到50MHz，總線速度可以達到25MHz，且采用了優化的指令集，使指令的運算速度得到了很大的提高[7]。
(2)使用了鎖相環技術和內部倍頻技術，使內部總線速度大大高于時鐘產生器的頻率，在同樣速度下所使用的時鐘頻率較Intel類單片機低很多，因而高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于汽車內部惡劣的環境。
(3)內部集成的可編程濾波器功能，可以有效濾除輪速脈沖信號中的窄脈沖干擾信號。具體濾波原理如下：MC9S12DP512內部集成了4個緩沖的IC通道，每個緩沖IC通道都具備延遲濾波功能。當延遲功能啟動后，在輸入引腳將檢測到一個有效邊沿（本文設置為上升沿觸發），此時延遲計數器開始對P（時鐘模塊）進行計數，當達到預先設定的計數值時，延遲計數器在其輸出端產生一個延遲前后引腳電平相反的脈沖，這樣就可以避免對窄輸入脈沖做出反應，有效濾除這種干擾。濾波功能設計中，可以通過輸入延遲控制寄存器DLYCT的DLY1、DLY0對延遲時間進行置位選擇。
(4)能在BDM模式下工作，方便程序的燒錄和調試。
選定單片機后，可進行電源電路、時鐘電路和復位電路的設計，即構成單片機工作的最小系統。
1.2 雙MCU間的通訊設計
雙MCU之間進行通訊才能完成協調工作。本文設計了SPI接口電路完成通訊功能。SPI(Serial Peripheral Interface)是一種高速高效率的同步串行接口，主要用于MCU與外部的接口芯片交換數據。通過分別拉高和拉低從屬選擇(SS)引腳，設定主MCU為主機模式，輔MCU為從機模式。SPI通訊電路如圖2所示。
1.3 輪速信號處理電路設計
ASR系統有四個輪速傳感器，樣車安裝的是磁電式傳感器，輸出信號為頻率與車輪轉速成正比的正弦波。本文設置增強型捕捉定時器來采集輪速信號。輪速信號需要經過放大、濾波和整型處理后才能輸入單片機。放大和濾波電路如圖3所示。傳感器信號由IN12輸入，經過模擬放大器芯片AD620放大后，由OUTPUT輸出再經RC濾波電路去除高頻干擾信號。
信號經放大和濾波后，必須進行電平轉換（整型）才能被單片機有效識別。信號轉換功能電路采用Philips公司生產的電壓比較芯片LM2901完成，電路原理圖如圖4所示。放大濾波后的正弦信號由LUN_CH1等輸入比較器與相應的端口電壓進行比較，最后轉換成可被MS9S12DP512識別和處理的規則脈沖信號由LUN1輸出。
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1.4 執行機構驅動電路設計
MCU對輪速輸入數據進行分析、處理后，按照一定的控制邏輯判斷，產生相應的輸出控制信號，控制信號必須經過驅動放大，才能對執行機構進行控制。液壓ASR執行機構包含12個電磁閥的壓力調節器和電子節氣門直流電機。其中直流電機的操作通過與電子節氣門ECU的通訊實現，電磁閥由ASR ECU進行驅動。
驅動電路的主要作用[8]：
(1) 信號放大：把MCU 輸出的TTL電平轉換為執行機構所需要的驅動電平，而且把很小的電流進行放大，足以去驅動執行機構動作。
(2) 電氣隔離：由于執行機構大多都是閥和電機，它們動作時，需要的電流高，電流的變化快，對電源電壓也會造成比較大的波動，會產生很大的干擾。為了保護其他電路，減小這些干擾對其他電路造成的影響，驅動板還要做到執行機構與其他電路之間的電氣隔離。
(3) 故障診斷：為了安全，驅動電路還要實時對閥工作情況進行監測，當出現故障時，要能夠及時地把故障信息反饋給MCU，由MCU判別后對故障進一步處理。
本文選擇Infineon公司的雙通道驅動芯片BTS621設計驅動電路。驅動電路具體工作流程如下：當控制信號引腳ECU CH1輸出高電平時，三極管8050基極導通，CHIN1為高電平輸出到驅動芯片輸入端IN1；經驅動芯片信號放大后由OUT1輸出，使相應電磁閥動作。電磁閥驅動電路如圖5所示。
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1.5 CAN總線接口電路設計
在進行ASR控制時，需要通過電子節氣門ECU控制直流電機調節節氣門開度，以達到調節發動機輸出轉矩的目的。控制量通過CAN[9]總線發送給電子節氣門來進行控制。MC9S12DP512片內集成有CAN控制器，本文選擇Philips公司的TJA1040作為CAN收發器，具體的CAN總線接口電路如圖6所示。
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2 ECU軟件設計
ECU軟件主要包括：系統初始化模塊、系統啟動自檢模塊、輪速采集和處理模塊、參考車速計算模塊、控制決策模塊、電磁閥驅動模塊、在線故障診斷模塊。程序總體流程如圖7所示。
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系統初始化內容主要包括：MCU 內部時鐘、輪速輸入通道端口設置、執行機構輸出通道端口設置、看門狗定時器設置、通訊端口初始化、系統變量等，以保證MCU正常運行。
為了使系統安全運行，系統在復位和初始化完畢后要進行自檢，對系統的關鍵軟、硬件部分進行靜態檢測，以判斷系統的軟、硬件工作是否正常。
輪速信號采集和處理模塊通過輪速傳感器得到可用的輪速信息。
參考車速計算模塊計算當前車身速度，與輪速一起計算車輪滑轉率，這是ASR控制的主要控制依據。
控制決策模塊根據車輛狀態和當前所處的控制狀態產生控制指令。控制指令包括節氣門開度調節指令和電磁閥操作指令。節氣門開度調節指令通過CAN發送給電子節氣門ECU來調節節氣門開度。電磁閥操作指令通過相應的驅動模塊從單片機輸出，經過驅動電路后驅動執行機構。
3 ECU的硬件在環測試
為了測試所開發的ECU，搭建了以先進的實時仿真系統dSPACE為核心的硬件在環測試平臺。平臺接入了電子節氣門和壓力調節器等硬件，車輛模型在dSPACE中運行，并由dSPACE采集節氣門開度信號和制動壓力信號以及生成接近真實傳感器信號的輪速脈沖。
進行硬件在環測試時，假定初始節氣門開度為100％，兩個前輪為驅動輪。設定汽車分別在低附著路面、對開路面、對接路面（包括路面從高附著到低附著跳變和從低附著到高附著跳變）和棋盤路面等行駛。高附著路面峰值附著系數設定為0.8，低附著路面峰值附著系數設定為0.2。ASR控制測試結果中車速和輪速曲線分別如圖8～圖12所示。
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從以上各圖可以看出，車輛在低附著、對開、對接、棋盤路面加速時，ASR系統都能通過節氣門開度調節或制動干預有效地控制驅動輪的輪速，糾正其過度滑轉，使其滑轉率保持在最佳滑轉率附近。由于一般情況下車輪在高附著路面不會發生過度滑轉，所以在對開和棋盤路面工況時，ASR控制器很好地識別了路面附著狀況，對低附著一側進行了有效的制動干預，將其車輪滑轉率控制在最佳滑轉率附近。在對接路面工況，路面附著系數發生跳變時，ASR也能夠及時地介入或者解除控制，達到控制滑轉率在設定范圍內的目的。
硬件在環測試結果表明：本文研究的ASR ECU實現了傳感器信號采集、控制決策、同其他ECU的CAN通訊和電磁閥驅動等功能，達到了控制車輪滑轉率在合理范圍內的目的;基于dSPACE的硬件在環測試方法可以在更為接近實際工況的情況下在臺架上測試開發的ECU，而且能夠在實驗室里快速、方便地在不同設定工況甚至是實際中很難獲得或十分危險的工況下對ECU進行試驗，縮短了開發周期、節約了試驗費用。但由于實車道路試驗時工況更為復雜多變，所以還需要對開發的ECU進行實車試驗進一步驗證其控制效果。
參考文獻
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