說(shuō)明書(shū)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器設(shè)計(jì)： 學(xué)生姓名： ： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器設(shè)計(jì)摘 要純電動(dòng)汽車(chē)比普通汽車(chē)具有很大優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在節(jié)約能源、噪聲污染和低碳環(huán)保，所以純電動(dòng)汽車(chē)會(huì)成為未來(lái)的主要交通工具之一。為保證純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程和提高純電動(dòng)汽車(chē)的整體性能，我設(shè)計(jì)了純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)控制器。在硬件電路部分，根據(jù)純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)控制器的需求，整車(chē)控制器的主控芯片選擇用飛思卡爾公司推出的MK60DN512ZV。并基于該芯片設(shè)計(jì)了最小系統(tǒng)、穩(wěn)壓電路、CAN總線通信模塊等。在軟件設(shè)計(jì)部分，根據(jù)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)，通過(guò)控制器主程序選擇優(yōu)先處理的信號(hào)，子程序包括：驅(qū)動(dòng)工況、AD采集轉(zhuǎn)換、屏幕顯示、串口和CAN通訊等。最后，將硬件搭建完成并且下載程序，用串口助手進(jìn)行調(diào)試，記錄各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，為以后研究整車(chē)純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)控制器提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē)，整車(chē)控制器，微控制器，CAN通訊ThedesignofControllerforPureElectricvehiclesAbstractAll-electriccarshasabigadvantagethanaregularcar,mainlyreflectedintheenergyconservation,noisepollutionandlowcarbonenvironmentalprotection,sopureelectricvehicleswillbecomeoneofthemaintraffictoolsinthefuture.Toensuretherangeofpureelectricvehiclesandimprovetheoverallperformanceofpureelectricvehicles,Iall-electricvehiclecontrollerisdesigned.Inthehardwarecircuitpart,accordingtothepureelectricvehiclesdemandforcontroller,thevehiclecontrollerofmaincontrolchipselectwithfreescale'sMK60DN512ZV.Andbasedonthechipdesignthesmallestsystem,regulatingcircuit,CANbuscommunicationmodule,etc.Insoftwaredesignpart,accordingtothepriorityofthesignal,themainprogrambythecontrollertochooseprioritysignal,subprograminclude:drivingconditions,ADcollectionandconversion,screendisplay,serialportandCANcommunication,etc.Finally,downloadaprogramandcompletingthehardware,usefordebuggingserialassistant,recordeachmoduledata,forfurtherstudyofvehicleall-electricvehiclecontrollerprovidesatheoreticalbasis.Keywords:Pureelectricvehicles；Vehiclecontrol；icrocontrollers；CANcommunication目 錄引言 1課題研究的目的和意義 1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀 2整車(chē)控制器研究現(xiàn)狀 4本文主要研究的內(nèi)容 5純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 6整車(chē)控制器的基本功能 6整車(chē)控制器的設(shè)計(jì)要求 8整車(chē)控制器的信號(hào)定義 9整車(chē)控制器系統(tǒng)的構(gòu)建 11整車(chē)控制系統(tǒng)的類型 11CAN總線 12硬件電路設(shè)計(jì) 14整車(chē)控制器主控芯片的選型 14硬件電路設(shè)計(jì) 15最小系統(tǒng) 15電源轉(zhuǎn)換模塊 17串口電路模塊 18CAN總線通信電路模塊 19功率驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì) 20純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器的軟件架構(gòu) 22集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 22第Ⅰ頁(yè)共Ⅱ頁(yè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹 22集成開(kāi)發(fā)環(huán)境使用方法 22編寫(xiě)程序 24主程序 24踏板電位器程序 26驅(qū)動(dòng)程序 27車(chē)身姿態(tài)程序 27實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)速度程序 28車(chē)輛狀態(tài)顯示程序 29CAN通訊程序 29純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器的軟件調(diào)試 32踏板AD值采集 32電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集 32車(chē)輛狀態(tài)在LCD12864上顯示及實(shí)物展示 32附 錄 35參考文獻(xiàn) 40致 謝 42第第9頁(yè)共42頁(yè)引言課題研究的目的和意義世界汽車(chē)工業(yè)已發(fā)展近百年，增進(jìn)了世界各地的交流，汽車(chē)已經(jīng)融入了人們的生活中[1]。但是伴隨迅汽車(chē)銷(xiāo)量的快速增長(zhǎng)，不僅帶來(lái)了能源緊缺、資源枯竭的問(wèn)題，而且加劇了環(huán)境的惡化。為了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，我們應(yīng)該想辦法降低汽車(chē)造成的環(huán)境惡化與能源消耗。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們提出兩種方案：一是降低汽車(chē)污染排放物的排放量并提高傳統(tǒng)汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換率；二是研發(fā)更環(huán)保的新能源汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)（ElectricVehicle）能夠以車(chē)載電源為動(dòng)力，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的正常行駛。因?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)具有低碳環(huán)保零排放的優(yōu)點(diǎn)，所以它被認(rèn)為是減少環(huán)境污染和解決能源危機(jī)的一條重要途徑，其應(yīng)用前景被廣泛看好[2]。近幾年國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠商抓住機(jī)遇，在純電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域搶占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)先機(jī)，如比亞迪e6、北汽EV系列、吉利帝豪EV系列、奇瑞eQ等。純電動(dòng)汽車(chē)由蓄電池供電，所以他具有節(jié)能、高效、零排放、零污染的明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于改善如今傳統(tǒng)汽車(chē)造成環(huán)境污染與能源短缺問(wèn)題具有非常重要的意義。純電動(dòng)汽車(chē)更大的優(yōu)勢(shì)在于污染排放的減少與燃油的節(jié)省，對(duì)國(guó)家能源消耗與環(huán)境污染都具有戰(zhàn)略性的重大意義。與此同時(shí)發(fā)展純電動(dòng)汽車(chē)也將對(duì)國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、汽車(chē)領(lǐng)域創(chuàng)新力與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提高，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生很大影響。發(fā)展新能源汽車(chē)是我國(guó)從汽車(chē)大國(guó)邁向汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的必由之路，是中國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略的必然選擇。有研究表明機(jī)動(dòng)車(chē)排放是北京PM2.5的最大來(lái)源，石油危機(jī)和環(huán)境污染給人們的日常生活造成了巨大的影響，世界各國(guó)都在積極進(jìn)行新能源方面的研究。2014年國(guó)家對(duì)新能源的補(bǔ)貼更加明確，風(fēng)靡全球的特斯拉汽車(chē)在中國(guó)交付使用，許多汽車(chē)生產(chǎn)廠商都推出了新能源汽車(chē)的上市計(jì)劃，消費(fèi)者可以選擇的車(chē)型也越來(lái)越多。有分析稱北美、歐洲和亞太地區(qū)還將繼續(xù)是電動(dòng)汽車(chē)的主要消費(fèi)市場(chǎng)，今年全球電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)將保持86%的增長(zhǎng)率，銷(xiāo)量將超過(guò)346000輛。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)界給我們勾畫(huà)了未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)發(fā)展路線：在2015-2020年之間，不斷提升傳統(tǒng)燃油汽車(chē)性能，開(kāi)展新能源汽車(chē)的示范，推動(dòng)混合動(dòng)力汽車(chē)的廣泛應(yīng)用；在2020-2040年之間，在混合動(dòng)力汽車(chē)得到大范圍應(yīng)用的基礎(chǔ)上，不斷提升汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)所占比例；2040年以后，純電動(dòng)汽車(chē)將逐漸走向?qū)嵱没?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)在制造汽車(chē)和擁有汽車(chē)的數(shù)量都排在各國(guó)的前面，汽車(chē)業(yè)消耗掉所美國(guó)大量的石油，所以各種有害氣體排放量排在世界前列。美國(guó)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)方面有著深遠(yuǎn)的研究，19世紀(jì)初期，美國(guó)就已經(jīng)發(fā)明出以直流電機(jī)作為動(dòng)力源的電動(dòng)汽車(chē)[3]70年代起，美國(guó)從資金和政策上不斷對(duì)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)進(jìn)901993年美國(guó)制定了一套關(guān)于純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展戰(zhàn)略方案，該方案由美國(guó)政府和汽車(chē)廠商共同實(shí)施，旨在未來(lái)10年研發(fā)出低消耗的電動(dòng)汽車(chē)。美國(guó)政府在2012年制定了發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的“EvEverywhereGrandChallenge”目標(biāo)，準(zhǔn)備截止2022年要研制出價(jià)格和性能能夠與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相競(jìng)爭(zhēng)的電動(dòng)汽車(chē)。在美國(guó)政府的扶持下和純電動(dòng)汽車(chē)廠商在技術(shù)革新的投資下，近幾年在美國(guó)已經(jīng)有很多優(yōu)秀的純電動(dòng)汽車(chē)問(wèn)世，如通用汽車(chē)公司研制的EV-I、雪佛蘭公司研制的Volt和SPRINGO、特斯拉公司研制ModelS、RoadsterModelX等。目前，美國(guó)無(wú)論是在電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)研發(fā)還是應(yīng)用推廣上都獲得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[4]。歐洲各國(guó)在環(huán)境方面制定了嚴(yán)苛的CO2排放規(guī)定，促使純電動(dòng)汽車(chē)在歐洲各國(guó)的推廣，也為歐洲純電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)帶來(lái)了巨大動(dòng)力。為了加快純電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)進(jìn)度，歐盟還制定了一系列研究計(jì)劃，充分發(fā)揮各個(gè)國(guó)家的科研和技術(shù)實(shí)力，合理2009年德國(guó)就關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展制定了以國(guó)家為主的研究計(jì)劃[5，德國(guó)的王牌企業(yè)大眾、寶馬、奔馳等汽車(chē)企業(yè)已經(jīng)在加速研究純電動(dòng)汽車(chē)，并且他們的技術(shù)在全世界也是數(shù)一數(shù)二的。日本的工業(yè)和經(jīng)濟(jì)都比較發(fā)達(dá)，而能源占有率卻很低，非常缺乏石油。雖然日本嚴(yán)重缺乏石油，但是日本卻是汽車(chē)生產(chǎn)業(yè)的大國(guó)，其生產(chǎn)的汽車(chē)非常節(jié)約能源。正是因?yàn)槿毡緦?duì)資源的匱乏，日本政府及汽車(chē)企業(yè)都非常重視對(duì)節(jié)能減排的新能源汽車(chē)的研制。日本對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研究工作相比歐美國(guó)家要晚一些，為了加強(qiáng)電動(dòng)汽車(chē)的研究[6]，日本政府在上世紀(jì)70年代就制定了保證能源安全和增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展目標(biāo)。日本非常重視電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和技術(shù)的革新，為了激勵(lì)電動(dòng)汽車(chē)的研究與推廣，制定出了一系列策略和措施。我國(guó)在純電動(dòng)汽車(chē)方面屬于起步早技術(shù)晚，政府早在“九五”初期就提出研究純電動(dòng)汽車(chē)，主要研究特殊場(chǎng)合的示范性電動(dòng)汽車(chē)，為我國(guó)新能源汽車(chē)的起步奠定基礎(chǔ)；從2009年到2012年，我國(guó)政府在政策和資金上加大對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的推廣，對(duì)一些城市（例如太原）作為純電動(dòng)汽車(chē)的試點(diǎn)城市，購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)在資金上享受一部分補(bǔ)貼，這對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的推廣和研發(fā)起到了積極的作用；從2013年起，我國(guó)政府繼續(xù)加大補(bǔ)貼力度，不僅購(gòu)買(mǎi)補(bǔ)貼，對(duì)于生產(chǎn)和研發(fā)也提供高額補(bǔ)貼，這是我國(guó)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)這個(gè)行業(yè)有信心的表現(xiàn)。到現(xiàn)在，我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展在研究人員不斷創(chuàng)新和政府的不斷扶持下，已經(jīng)有了突破性進(jìn)展，不僅為我們研究和推廣積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也為以后我國(guó)汽車(chē)品牌走向世界打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近幾年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)有較多汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)出了性能優(yōu)良的電動(dòng)汽車(chē)，如：比亞迪、上汽、長(zhǎng)安、奇瑞等。隨著控制芯片技術(shù)的不斷革新，芯片的可靠性和功耗也得到保障，這使純電動(dòng)汽車(chē)的各項(xiàng)性能都能跟上傳統(tǒng)汽車(chē)，尤其是在可靠性、安全性上大大提高，一大批純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入消費(fèi)者的眼簾，如表1.1所示近幾年我們生活中的純電動(dòng)汽車(chē)。表1.1典型電動(dòng)汽車(chē)概況時(shí)間企業(yè)車(chē)型主要性能介紹2008年寶馬MINIE使用錘離子電池，續(xù)航240km，最高車(chē)速152km／h，100km／h加速時(shí)間8．5s，同時(shí)通過(guò)各項(xiàng)碰撞測(cè)試2009年三菱iMiEV使用高能量密度鋰離子電池，續(xù)航160km，兩種充電模式，快速充電可在30min沖入80％電量，急用充電模式需要7h2011年TeslaTeslaModelS使用汽車(chē)級(jí)鋰離子電池，續(xù)航483km大電流充電1h110km193km／h2012年北汽E150EV續(xù)航150km，最高車(chē)速120km／h，充電時(shí)間6-7h2014年寶馬i3使用鋰電池，最大續(xù)航257km，最大車(chē)速160km／h，家用充電耗時(shí)8h，專用充電1h可行駛130～160km2016年比亞迪e6E6最高車(chē)速可達(dá)每小時(shí)160公里以上，而百公里能耗203C分鐘左右可充滿電池80%整車(chē)控制器研究現(xiàn)狀整車(chē)控制器包括硬件和軟件兩大組成部分，它的核心軟件和程序一般由整車(chē)生產(chǎn)廠商研發(fā)，而汽車(chē)零部件供應(yīng)商能夠提供整車(chē)控制器硬件和底層驅(qū)動(dòng)程序。在新能源汽車(chē)的研發(fā)方向，國(guó)外企業(yè)更偏重于對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的研究[7-8]。現(xiàn)階段國(guó)外對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器的研究主要集中以輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車(chē)。對(duì)于只有一個(gè)電機(jī)的純電動(dòng)汽車(chē)通常不配備整車(chē)控制器，而是利用電機(jī)控制器進(jìn)行整車(chē)控制[9]。國(guó)外很多大企業(yè)都能夠提供成熟的整車(chē)控制器方案，如大陸、博世、德?tīng)柛！VL、FEV和RICARDO等。目前整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)形成了一個(gè)趨勢(shì)，即通過(guò)形成構(gòu)架標(biāo)準(zhǔn)來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程并且增加整車(chē)控制器軟件的復(fù)用性，汽車(chē)生產(chǎn)廠商、零部件供應(yīng)商及軟件公司形成了“汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)”標(biāo)準(zhǔn)，建立了汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)聯(lián)盟[10]。雖然純電動(dòng)汽車(chē)在我國(guó)已經(jīng)有了發(fā)展的勢(shì)頭，但是國(guó)內(nèi)的整車(chē)控制器還是處于實(shí)驗(yàn)室研究狀態(tài)。清華大學(xué)、吉林大學(xué)和天津大學(xué)等高校，已經(jīng)具備在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)軟件和硬件的能力，并且有一小部分產(chǎn)品已經(jīng)在試驗(yàn)車(chē)上使用，還有一部分已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)，基本滿足純電動(dòng)車(chē)的要求。但是相比國(guó)外大型企業(yè)，我國(guó)的技術(shù)還有一定的差距，原因主要是主控芯片大多來(lái)自國(guó)外，這些芯片廠商會(huì)有自己的純電動(dòng)汽車(chē)控制器的解決方案。本文主要研究的內(nèi)容純電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)在結(jié)構(gòu)組成上不同，當(dāng)汽車(chē)處于行駛狀態(tài)時(shí)，整車(chē)控制器要接收駕駛員對(duì)加速踏板的信號(hào)，并將該信號(hào)進(jìn)行處理發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器再驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整車(chē)行駛。當(dāng)汽車(chē)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，整車(chē)控制器會(huì)采集制動(dòng)踏板的信號(hào)，然后根據(jù)踏板信號(hào)的大小，將部分能量進(jìn)行回收，儲(chǔ)存到電池中，從另一方面降低了電池電量的消耗，延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力[11]。通過(guò)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的分析，本設(shè)計(jì)的控制器輸入量為加速踏板信號(hào)和制動(dòng)踏板信號(hào)；那么輸出信號(hào)為驅(qū)動(dòng)器的PWM信號(hào)并控制電機(jī)的輸出扭矩，和開(kāi)關(guān)信號(hào)控制行駛工況（前進(jìn)、后退、停止）。根據(jù)整車(chē)控制器的功能要求，選定整車(chē)控制器芯片為飛思卡爾MK60DN512ZV。以飛思卡爾MK60DN512ZV為核心，對(duì)整車(chē)控制單元的硬件電路進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，利用AltiumDesigner09軟件，根據(jù)功能模塊的設(shè)定對(duì)整車(chē)控制器原理圖進(jìn)行繪制。采用IAREmbeddedWorkbench軟件，針對(duì)關(guān)鍵傳感器進(jìn)行編程和數(shù)據(jù)處理。純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)整車(chē)控制器的基本功能純電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，整車(chē)控制器、電機(jī)及其控制器、電池組及其管理系統(tǒng)、逆變器、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和車(chē)載儀表等是純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的主要組成部分。圖2.1純電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖圖2.2是整車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，整車(chē)控制器、電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)和車(chē)載儀表構(gòu)成了整車(chē)控制系統(tǒng)。其中整車(chē)控制器是車(chē)輛正常行駛的控制中樞，是整車(chē)控制系統(tǒng)的核心部件，是純電動(dòng)汽車(chē)的正常行駛、再生能量回收、故障診斷處理和車(chē)輛的狀態(tài)監(jiān)視等功能的主要控制部件[12]。整車(chē)控制器和系統(tǒng)其它部件控制器之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，相對(duì)于其它部件控制器的動(dòng)態(tài)控制，整車(chē)控制器是管理協(xié)調(diào)型控制。圖2.2整車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖整車(chē)控制器通過(guò)采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)和檔位信號(hào)等駕駛信息，同時(shí)接收CAN總線上電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并結(jié)合整車(chē)控制策略對(duì)這些信息進(jìn)行分析和判斷，提取司機(jī)的駕駛意圖和車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)信息，最后通過(guò)CAN總線發(fā)出指令來(lái)控制各部件控制器的工作，保證車(chē)輛的正常行駛。整車(chē)控制器應(yīng)該具備以下基本功能：（1）對(duì)司機(jī)駕駛意圖的解釋加速踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板開(kāi)度和檔位開(kāi)關(guān)等信號(hào)是司機(jī)駕駛意圖的直接體現(xiàn)，整車(chē)控制器結(jié)合整車(chē)控制策略對(duì)這些信息進(jìn)行分析和判斷，并將司機(jī)的駕駛意圖轉(zhuǎn)化為對(duì)電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)矩指令，同時(shí)協(xié)調(diào)純電動(dòng)汽車(chē)各功能模塊的正常工作，這是整車(chē)控制器最基本的功能；（2）對(duì)車(chē)輛狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和顯示汽車(chē)朝著智能化的方向發(fā)展，整車(chē)控制器通過(guò)直接采集信號(hào)和接收CAN總線上的數(shù)據(jù)的方式獲得車(chē)輛運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括車(chē)速、電機(jī)的工作模式、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)CAN總線將這些實(shí)時(shí)信息發(fā)送到車(chē)載儀表進(jìn)行顯示。此外整車(chē)控制器定時(shí)檢測(cè)CAN總線上各模塊的通訊，如果發(fā)現(xiàn)總線上某一節(jié)點(diǎn)不能夠正常通訊，則在車(chē)載儀表上顯示該故障信息，并對(duì)相應(yīng)的緊急情況采取合理的措施進(jìn)行處理，防止極端狀況的發(fā)生，使得駕駛員能夠直接、準(zhǔn)確的獲取車(chē)輛當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)信息[13]；（3）對(duì)制動(dòng)能量的回收純電動(dòng)汽車(chē)區(qū)別于傳統(tǒng)汽車(chē)的重要特征就是能夠進(jìn)行制動(dòng)能量回收，這是通過(guò)將純電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)工作在再生制動(dòng)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)，整車(chē)控制器分析駕駛員制動(dòng)意圖、電池組狀態(tài)和電機(jī)狀態(tài)等消息，并結(jié)合制動(dòng)能量回收控制策略，在滿足制動(dòng)能量回收的條件下對(duì)電機(jī)控制器發(fā)送電機(jī)模式指令和轉(zhuǎn)矩指令，使得電機(jī)工作在發(fā)電模式，在不影響制動(dòng)性能的前提下將電制動(dòng)回收的能量?jī)?chǔ)存在電池組中，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收[14]；（4）對(duì)整車(chē)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄整車(chē)控制器能夠記錄行車(chē)數(shù)據(jù)和車(chē)輛故障信息，相當(dāng)于汽車(chē)的“黑匣子”。在汽車(chē)發(fā)生故障或事故后，整車(chē)控制器能夠?qū)π熊?chē)數(shù)據(jù)重放，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析能夠找出事故的原因，有助于對(duì)汽車(chē)的控制策略進(jìn)行研究和改善；（5）對(duì)整車(chē)能量的優(yōu)化為了延長(zhǎng)純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，整車(chē)控制器需要對(duì)整車(chē)進(jìn)行能量?jī)?yōu)化。例如，當(dāng)電池組剩余電量較低時(shí)，整車(chē)控制器發(fā)送指令關(guān)閉車(chē)載空調(diào)等輔助電氣設(shè)備，將電能優(yōu)先用于保障車(chē)輛的正常行駛，從而獲得最佳的能量利用率。整車(chē)控制器的設(shè)計(jì)要求直接向整車(chē)控制器發(fā)送信號(hào)的傳感器包括：加速踏板傳感器、制動(dòng)踏板傳感器和檔位開(kāi)關(guān)，其中加速踏板傳感器和制動(dòng)踏板傳感器輸出模擬信號(hào)，檔位開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)是開(kāi)關(guān)量信號(hào)。整車(chē)控制器通過(guò)向電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)發(fā)送指令間接控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和電池充放電，通過(guò)控制主繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)載模塊的上下電。根據(jù)整車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成以及對(duì)整車(chē)控制器輸入輸出信號(hào)的分析，整車(chē)控制器應(yīng)滿足如下技術(shù)要求[15]：(1)設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，應(yīng)該充分考慮汽車(chē)惡劣的行駛環(huán)境，注重電磁兼容性，提高抗干擾能力。整車(chē)控制器在軟硬件上都應(yīng)該具備一定的自保護(hù)能力，以防止極端情況的發(fā)生；(2)整車(chē)控制器需要有足夠多的I/O口，能夠快速準(zhǔn)確采集各種輸入信息，至少具備兩路A/D轉(zhuǎn)換通道用于采集加速踏板信號(hào)和制動(dòng)踏板信號(hào)，應(yīng)該具有多個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入通道，用于采集汽車(chē)檔位信號(hào)，同時(shí)應(yīng)該具有多個(gè)用于驅(qū)動(dòng)車(chē)載繼電器的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出通道；(3)整車(chē)控制器應(yīng)該具備多種通訊接口，CAN通訊接口用于與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)和車(chē)載儀表通訊，RS232通訊接口用于與上位機(jī)通訊，同時(shí)預(yù)留了一個(gè)RS-485/422通訊接口，這可以將不支持CAN通訊的設(shè)備兼容，例如某些型號(hào)的車(chē)載觸摸屏；(4)不同的路況條件下，汽車(chē)會(huì)遇到不同的沖擊和震動(dòng)，整車(chē)控制器應(yīng)該具備良好抗沖擊性，才能保證汽車(chē)的可靠性和安全性。整車(chē)控制器的信號(hào)定義整車(chē)控制器與電機(jī)控制器通訊信息如圖2.3所示，整車(chē)控制器給電機(jī)控制器發(fā)送的信號(hào)包括電機(jī)使能控制信號(hào)、電機(jī)模式控制信號(hào)和電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)。電機(jī)使能控制信號(hào)用于控制電機(jī)使能或電機(jī)禁止，電機(jī)模式控制信號(hào)用于控制電機(jī)停機(jī)、再生制動(dòng)、正向驅(qū)動(dòng)或反向驅(qū)動(dòng)。電機(jī)控制器根據(jù)整車(chē)控制器發(fā)來(lái)這些信息驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)CAN總線將電機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)信息發(fā)送給整車(chē)控制器，返回的信息包括電機(jī)溫度、電機(jī)逆變器溫度、電機(jī)限值電流和電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)碼（正常、欠壓、過(guò)壓、過(guò)溫、相電流超限和模塊故障）。第第10頁(yè)共42頁(yè) 圖2.3整車(chē)控制器與電機(jī)控制器通訊信息整車(chē)控制器向電池管理系統(tǒng)發(fā)送整車(chē)狀態(tài)信息，表示整車(chē)處于正常工作、準(zhǔn)備關(guān)機(jī)或關(guān)機(jī)狀態(tài)，關(guān)機(jī)會(huì)有2s的延時(shí)，電池管理系統(tǒng)利用這段時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。圖2.4顯示了電池管理系統(tǒng)發(fā)送給整車(chē)控制器的一些信息，包括蓄電池當(dāng)前狀態(tài)、電池組總電壓、單體的最高電壓、單體的最低電壓、電池組的剩余電量、電池最大允許放電電流、電池最大允許充電電流和電池溫度等。其中蓄電池當(dāng)前狀態(tài)包括故障等級(jí)和故障源，在不同的故障等級(jí)下整車(chē)控制器實(shí)行降功率處理甚至對(duì)電池停止充放電。電池最大允許放電電流表示在綜合分析當(dāng)前的電池組溫度、電壓以及剩余電量的條件下，判斷電池組能夠放出的最大電流，如果放電功率過(guò)大導(dǎo)致放電電流超過(guò)這個(gè)限制，會(huì)造成電池?fù)p傷，降低其使用壽命。第第17頁(yè)共42頁(yè),;：圖2.4電池管理系統(tǒng)發(fā)給整車(chē)控制器的信息r整車(chē)控制器向車(chē)載儀表發(fā)送的信息如圖2.5所示，包括車(chē)輛的各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)信息。例如，車(chē)速、電池狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)和故障信息等車(chē)輛實(shí)時(shí)狀態(tài)。r圖2.5整車(chē)控制器發(fā)給車(chē)載儀表的信息整車(chē)控制器系統(tǒng)的構(gòu)建整車(chē)控制系統(tǒng)的類型純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制系統(tǒng)主要分為集中式控制和分布式控制兩種方案。集中式控制系統(tǒng)的基本思想是整車(chē)控制器獨(dú)自完成對(duì)輸入信號(hào)的采集，并根據(jù)控制策略對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后直接對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)的正常行駛。集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是處理集中、響應(yīng)快和成本低，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，并且不易散熱。分布式控制系統(tǒng)的基本思想是整車(chē)控制器采集一些駕駛員信號(hào)，同時(shí)通過(guò)CAN總線與電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)通信，電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)分別將各自采集的整車(chē)信號(hào)通過(guò)CAN總線傳遞給整車(chē)控制器。整車(chē)控制器根據(jù)整車(chē)信息，并結(jié)合控制策略對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)收到控制指令后，根據(jù)電機(jī)和電池當(dāng)前的狀態(tài)信息，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和電池放電。分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是模塊化和復(fù)雜度低，缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高。本文采用分布式整車(chē)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2.6所示，整車(chē)控制系統(tǒng)的頂層是整車(chē)控制器，整車(chē)控制器通過(guò)CAN總線接收電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)的信息，并對(duì)電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)和車(chē)載儀表發(fā)送控制指令。電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)分別負(fù)責(zé)電機(jī)和電池組的監(jiān)控與管理，車(chē)載儀表用于顯示車(chē)輛當(dāng)前的狀態(tài)信息。圖2.6整車(chē)控制系統(tǒng)示意圖CAN總線CAN總線是一種應(yīng)用范圍很廣的現(xiàn)場(chǎng)總線，它全稱是控制器局域網(wǎng)。CAN總線實(shí)行多主方式的串行通訊，能夠用于分布式控制系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信[16]，具備高速率、能夠檢測(cè)出總線錯(cuò)誤的高性能和可靠的優(yōu)良特性，在船舶、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備等方面正得到廣泛的應(yīng)用，CAN總線技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用使得線束大大減少，同時(shí)保證了通訊的可靠性，它正慢慢成為通用的汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)[17]。CAN具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)包括[18]：在理論上沒(méi)有限制網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)通信不區(qū)分主從節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以向其他任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，只是通過(guò)各節(jié)點(diǎn)的信息優(yōu)先級(jí)來(lái)決定通信的順序，在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的避讓高優(yōu)先級(jí)的，這樣就不會(huì)對(duì)堵塞通信線路；當(dāng)速率低于5Kbps時(shí)，具備最大10km的通信距離。當(dāng)速率達(dá)到1Mbps時(shí)，具備最大40m的通信距離。可以使用雙絞線或同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，能夠用于大數(shù)據(jù)量的短距離通信或者小數(shù)據(jù)量的長(zhǎng)距離傳輸；當(dāng)總線空閑時(shí)，能夠自動(dòng)重新傳輸破壞的報(bào)文。能夠區(qū)分永久性錯(cuò)誤和暫時(shí)性錯(cuò)誤，同時(shí)能夠自動(dòng)關(guān)閉錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)。CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題是如何制定或選CAN的應(yīng)用層協(xié)議。CAN協(xié)議只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的規(guī)范，用戶在CAN協(xié)議時(shí)，需要根據(jù)需求定義CANCAN高層應(yīng)用協(xié)議，如SAEJ1939CANopenISO11783DeviceNet、CANKingdom和SDS。而許多電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載CANSAEJ1939協(xié)議。基于CAN總線的整車(chē)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.7所示，總線上的節(jié)點(diǎn)主要包括：整車(chē)控制器、電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)和車(chē)載儀表等。分配了系統(tǒng)各組成單元的源地址，在程序設(shè)計(jì)時(shí)選用了250kb/s的CAN總線通訊速率。圖2.7整車(chē)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)硬件電路設(shè)計(jì)整車(chē)控制器主控芯片的選型微處理器隨著全球嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，在工業(yè)自動(dòng)化方面獲得了廣泛的重視和應(yīng)用。隨著多種不同內(nèi)部功能配置的組合結(jié)構(gòu)，在選擇配置型號(hào)時(shí)也給技術(shù)開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了一定程度的困難，因此對(duì)芯片的選擇要進(jìn)行一些對(duì)比研究。不同電動(dòng)汽車(chē)會(huì)對(duì)所應(yīng)用的整車(chē)控制器有不同的要求，我們分別從各個(gè)芯片的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)時(shí)鐘控制器、內(nèi)部存儲(chǔ)器容量、中斷控制器、普通GPIO接口數(shù)量、串口和CAN接口等方面進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)對(duì)比研究后純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器的主控芯片決定選用32位的MK60DN512ZV芯片。MK60DN512ZV微控制器中性能較強(qiáng)的一種主控芯片，此芯片的管腳圖如圖所示。圖3.1MK60DN512ZV芯片管腳圖32DMA，同時(shí)盡可能減小CPU干預(yù)；內(nèi)置快速，高精度16ADC、12DAC、可編程增益放大器、高速比較器和內(nèi)部參考電壓，降低降低系統(tǒng)成本同時(shí)具有強(qiáng)大的信號(hào)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換和分析能力；ISO7816IrDAUARTs、I2S、CAN、I2CDSPI；PWM和電機(jī)控制功能；環(huán)境工作溫度范圍從-40°C105°C。硬件電路設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)是指單片機(jī)由最少的元件組成，但完全不影響工作且性能完整的最小應(yīng)用系統(tǒng)。最小系統(tǒng)一般包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、供電電路、晶振電路、復(fù)位電路、調(diào)試電路。下面介紹：（1）供電電路MK60DN512ZV芯片有兩種電源，分別是VDD和VDDA，其中VDD是數(shù)字電源，VDDA是模擬電源。飛思卡爾MK60DN512ZV的工作電壓為3.3V，在每組VDD和VSS之間加入濾波電容，如圖3.2所示。圖3.2VDD和VSS之間加入濾波電容VDDVDDAVDDAVDD的干擾，3.3MK60DN512ZVMK60DN512ZV的電源引腳總共有9VREFHVDDA使用同一路電源，而所有的VSSVSSAGND。圖3.3VDDA的供電電路（2）時(shí)鐘電路MK60DN512ZV的時(shí)鐘電路包括兩部分，一個(gè)是芯片的主晶振如圖3.4，用于產(chǎn)生芯片和外設(shè)所需要的工作時(shí)鐘；另外一個(gè)是實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的時(shí)鐘電路如圖3.5，實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC-RealTimeClock）提供一套計(jì)數(shù)器在系統(tǒng)上電和關(guān)閉操作時(shí)對(duì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，RTC消耗的功率非常低。MK60DN512ZV主晶振使用的是50MHz的有源晶振，RTC時(shí)鐘由獨(dú)立的32.768KHz振蕩器來(lái)提供。圖3.4主晶振電路圖 圖3.5RTC時(shí)鐘電路（3）復(fù)位電路MK60DN512ZV的復(fù)位電路如圖3.6所示，其中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)RESET連接芯片的RESET復(fù)位引腳。復(fù)位電路工作原理：默認(rèn)情況下，復(fù)位引腳RESET通過(guò)一個(gè)4.7k的電阻上拉到3.3V，處于高電平狀態(tài)，芯片不會(huì)復(fù)位，因?yàn)樵撘_只有在為低電平的時(shí)候才開(kāi)始復(fù)位。當(dāng)按下復(fù)位按鍵S1，RESET引腳接地，處于低電平，致使芯片復(fù)位。圖3.6復(fù)位電路（4）調(diào)試電路MK60系列芯片使用的是ARMCortex-M4內(nèi)核，該內(nèi)核內(nèi)部集成了聯(lián)合測(cè)試行為組織JTAG接口，通過(guò)JTAG接口可以實(shí)現(xiàn)程序下載和調(diào)試功能。K60的JTAG接口電路如圖3.7所示。JTAG的對(duì)外引腳2、4、6、8分別為T(mén)MS，TCK，TDO，TDI，這些引腳分別連接K60PTA0-PTA3四個(gè)引腳，JTAG10K60位引腳。JTAG接口的芯片中JTAG引腳定義：TCK——測(cè)試時(shí)鐘輸入；TDI——將數(shù)據(jù)輸入到JTAG接口；TD0——將數(shù)據(jù)從JTAG接口輸出；TMS——將JTAG口設(shè)置到某種特定的模式；TRST——為輸入引腳且低電平有效，測(cè)試復(fù)位的作用。JTAG調(diào)試在嵌入式系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中是很常用的調(diào)試方法。JTAG接口加上上層調(diào)試軟件程序是很好的組合方式。系統(tǒng)中調(diào)試接口的電路如圖2所示。圖3.7JTAG調(diào)試電路電源轉(zhuǎn)換模塊純電動(dòng)汽車(chē)的蓄電池一般為12V或24V，而整車(chē)控制器的芯片所提供電壓為5V和3.3V，因此，電路所需要的標(biāo)準(zhǔn)電壓可由DCl2V或DC24V轉(zhuǎn)換而成，從而實(shí)現(xiàn)為各種芯片供電的功能。本設(shè)計(jì)使用基于LM2596降壓電路如圖3.8，最大輸入電壓為45V，固定輸出版本有3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓。第第19頁(yè)共42頁(yè)圖3.8LM2596穩(wěn)壓電路串口電路模塊“串口”是串行接口(Serialport)的簡(jiǎn)稱，有時(shí)也稱為串行通信接口(COM接口)，它是一種擴(kuò)展接口，通常采用串行通信方式。串行接口是按照順序依次傳送，它的通信線路比較簡(jiǎn)單，雙向通信僅用一對(duì)傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)。串行通訊分為單工、更新升級(jí)主控芯片程序，為客戶使用和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)帶來(lái)方便。PL2303的高兼容驅(qū)動(dòng)可在大多操作系統(tǒng)上模擬成傳統(tǒng)COM端口,并允許基于COM端口應(yīng)用可方便地轉(zhuǎn)換成USB接口應(yīng)用，通訊波特率高達(dá)6Mb/s。在工作模式和休眠模式時(shí)都具有功耗低，是嵌入式系統(tǒng)的理想選擇。該器件具有以下特征：完全兼容USB1.1協(xié)議；可調(diào)節(jié)的3～5V輸出電壓，滿足3V、3.3V和5V不同應(yīng)用需求；支持完整的RS232接口，可編程設(shè)置的波特率：75b/s～6Mb/s，并為外部串行接口提供電源；512字節(jié)可調(diào)的雙向數(shù)據(jù)緩存；支持默認(rèn)的ROM和外部EEPROM存儲(chǔ)設(shè)備配置信息,具有I2C總線接口,支持從外部MODEM信號(hào)遠(yuǎn)程喚醒；支持,Windows7、8、10等操作系統(tǒng)。圖3.9PL2303串口調(diào)試電路CAN總線通信電路模塊整車(chē)控制器設(shè)計(jì)了三路相互獨(dú)立的CAN通訊電路，其中CAN1用于與電機(jī)控制器進(jìn)行通訊，CAN2用于與電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊，CAN3用于與車(chē)載儀表進(jìn)行通訊。這樣的設(shè)計(jì)能夠避免干擾和沖突，滿足多種情況下的CAN通訊需求。為了提高CAN通信抵抗電磁干擾的能力，就需要實(shí)現(xiàn)3路CAN通訊模塊相互隔離，并與其他電路隔離，CAN通訊電路如圖3.10所示，以CAN1通訊電路為例，在MK60DN512ZV芯片和CAN收發(fā)器SN1050A芯片之間加入了汽車(chē)級(jí)數(shù)字隔離芯片ADUM1201。使用能夠雙向隔離的ADUM1201芯片搭建的隔離電路比使用光耦隔離的電路更加簡(jiǎn)單，同時(shí)還可以大大提高隔離電路的性能。ADUM1201芯片輸入側(cè)和隔離側(cè)的電源分別由WRA1205LT芯片產(chǎn)生的5V電源CPU-VCC和DC/DC轉(zhuǎn)換模塊IF0505RT產(chǎn)生5V電源CAN1-VCC提供。為了提高CAN通訊電路的抗干擾能力，增加了TVS管吸收尖峰脈沖，這使得CAN收發(fā)器SN1050A所受電磁干擾造成的影響最小化，共模扼流圈L1能夠抑制共模干擾。第第29頁(yè)共42頁(yè)圖3.10CAN通訊電路功率驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)用于微弱信號(hào)控制大功率器件的開(kāi)關(guān)。本文選用英飛凌公司芯片BTS824R，根據(jù)用電設(shè)備的個(gè)數(shù)，控制器內(nèi)加入了3BTS824R以滿足設(shè)備需要。替代機(jī)電繼電器、熔斷器和分立電路。具有極低的待機(jī)電流、CMOS兼容輸入、改3.12圖3.12大功率驅(qū)動(dòng)電路除了應(yīng)用上述驅(qū)動(dòng)芯片，本文還采用了驅(qū)動(dòng)能力稍小的大電流驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003，它由七個(gè)硅NPN綜合晶體管組合而成，是大電流復(fù)合、高耐壓晶體管排列。單片機(jī)、PLC、智能儀表等控制電路經(jīng)常應(yīng)用ULN2003大電流驅(qū)動(dòng)芯片。可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。ULN2003芯片可承受500mA電流50V電壓，其工作電壓高工作電流也大，在高負(fù)載電流運(yùn)行的同時(shí)而輸出。電路設(shè)計(jì)如圖3.13所示。圖3.13小功率驅(qū)動(dòng)電路純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器的軟件架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)包括三部分：系統(tǒng)整體開(kāi)發(fā)、嵌入式硬件開(kāi)發(fā)和嵌入式軟件開(kāi)發(fā)。本章則是針對(duì)最后一部分嵌入式軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。此過(guò)程的設(shè)計(jì)思路包括：軟件總體結(jié)構(gòu)及模塊的設(shè)計(jì)、軟件功能和實(shí)現(xiàn)算法及方法的設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試、程序聯(lián)調(diào)和測(cè)試提交。本文在以上設(shè)計(jì)的整車(chē)控制器電路板的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建、軟件的移植、程序的下載燒寫(xiě)、測(cè)試等。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境集成開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹IAREmbeddedWorkbench(IAREWARM)是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，制作方為IARSystems公司，專門(mén)為ARM微處理器所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。多數(shù)8位、16位以及32位的微處理器和微控制器多采用嵌入式IAREmbeddedWorkbench。與其他公司所設(shè)計(jì)的ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境相比較，它有很多優(yōu)勢(shì)，此開(kāi)發(fā)環(huán)境具有更強(qiáng)的便捷性、使用靈活性、代碼專業(yè)性、高效率以及廣泛適用性。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境使用方法IAREWARM的使用方法是根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)行操作管理，且為所需的程序設(shè)定了相應(yīng)的模板。一個(gè)或多個(gè)編譯連接配置可以被每個(gè)項(xiàng)目所定義。很有必要建立一個(gè)新的工作區(qū)在生成新項(xiàng)目之前，一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目可以存放到一個(gè)工作區(qū)中。現(xiàn)在開(kāi)始搭建軟件項(xiàng)目工程架構(gòu)，對(duì)電腦上的IAREWARM圖標(biāo)進(jìn)行雙擊鼠標(biāo)點(diǎn)選，便進(jìn)入了IAREWARM開(kāi)發(fā)環(huán)境。1、對(duì)新工作區(qū)的建立通過(guò)File>New>Workspace一步步進(jìn)行點(diǎn)選即可建成新工作區(qū)。2、對(duì)新項(xiàng)目的建立通過(guò)Project>CreateNewProject一步步進(jìn)行點(diǎn)選即可完成新項(xiàng)目的建立，出現(xiàn)相應(yīng)的窗口，如圖4.1所示。圖4.1建立一個(gè)新項(xiàng)目3、添加文件在相應(yīng)的項(xiàng)目里(1)在Workspace中可以選擇項(xiàng)目或源文件組作為添加文件的地址。(2)瀏覽窗口可通過(guò)主菜單Project>AddFiles打開(kāi)，如圖4.2所示。點(diǎn)開(kāi)安裝目錄ARM、tutor下的文件，在項(xiàng)目目錄下添加。圖4.2在項(xiàng)目中添加文件4、設(shè)置項(xiàng)目選件對(duì)項(xiàng)目設(shè)置進(jìn)行選件在生成新項(xiàng)目并添加文件之后。然后設(shè)置編譯路徑，如圖4.3所示進(jìn)行設(shè)置。圖4.3設(shè)置編譯路徑編寫(xiě)程序主程序在完成整車(chē)控制器的軟件部分設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能，這樣才能設(shè)計(jì)包括主程序和各子模塊程序的軟件框架，然后按照模塊化的思想將軟件分為多個(gè)不同的子模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試，最后進(jìn)行整體調(diào)試。根據(jù)整車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，整車(chē)控制器軟件應(yīng)該具備以下功能：（1）數(shù)據(jù)采集功能：包括對(duì)加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)和檔位信號(hào)的采集；（2）通訊功能：通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制器與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)和車(chē)載儀表進(jìn)行通訊，通過(guò)PL2303實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制器與上位機(jī)的通訊；（3）執(zhí)行控制策略：根據(jù)整車(chē)控制器采集的信號(hào)和通過(guò)CAN總線接收的整車(chē)參數(shù)信息，結(jié)合控制策略實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)控制和制動(dòng)能量回收。控制軟件的分層模型如圖所示，本文將軟件設(shè)計(jì)分為管理層軟件設(shè)計(jì)和功能層軟件設(shè)計(jì)兩大部分。管理層進(jìn)行整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制、制動(dòng)能量回收等決策，據(jù)整車(chē)參數(shù)得出決策結(jié)果，然后調(diào)用功能層中的子模塊執(zhí)行，不涉及硬件操作。功能層主要涉及設(shè)備的底層驅(qū)動(dòng)，提供硬件初始化、設(shè)置和讀寫(xiě)的接口函數(shù)，包括A/D轉(zhuǎn)換、CAN通訊和I/O的初始化設(shè)置等。將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低的任務(wù)在主程序中運(yùn)行，程序設(shè)計(jì)時(shí)充分利用MK60DN512ZV芯片的中斷功能，將數(shù)據(jù)采集、CAN收發(fā)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)在中斷程序中運(yùn)行。4.4所示，整車(chē)控制器先進(jìn)行上電初始化和自檢，如果存在故障，則進(jìn)入相應(yīng)故障處理并結(jié)合從CAN總線上接收的電機(jī)和電池的信息，判斷汽車(chē)的行駛工況，并進(jìn)入相應(yīng)工況的執(zhí)行程序。如果檢測(cè)到制動(dòng)踏板信號(hào)不為0，則進(jìn)入制動(dòng)工況。否則，再根據(jù)檔位信號(hào)區(qū)分前進(jìn)驅(qū)動(dòng)工況和倒車(chē)驅(qū)動(dòng)工況。圖4.4主程序流程圖踏板電位器程序整車(chē)控制器采集加速踏板信號(hào)和制動(dòng)踏板信號(hào)，并將這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，用于獲取駕駛意圖。A/D轉(zhuǎn)換程序流程如圖4.5所示。加速踏板信號(hào)處理的流程如下：（1）將加速踏板輸出的電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到采樣值；（2）若采樣值超出了有效范圍，則放棄這個(gè)采樣值；（3）對(duì)采樣值進(jìn)行平均值濾波；（4）利用濾波后的平均值計(jì)算加速踏板開(kāi)度，并求出加速踏板開(kāi)度變化率。對(duì)加速踏板信號(hào)每50ms進(jìn)行一次采樣，因此可認(rèn)為加速踏板開(kāi)度變化率等于加速踏板開(kāi)度的變化。圖4.5A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖A/D轉(zhuǎn)換程序：詳見(jiàn)附錄1。驅(qū)動(dòng)程序電機(jī)MAP圖（又叫等高線圖、云圖）是電機(jī)測(cè)試時(shí)生成的一種數(shù)據(jù)曲線圖，主要是反映在不同轉(zhuǎn)速、扭矩下的電機(jī)效率分布情況。在不同的驅(qū)動(dòng)模式下加速踏板的同一開(kāi)度對(duì)應(yīng)著不同的加速系數(shù)，通過(guò)帶入對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式可以求出加速系數(shù)，再綜合電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速系數(shù)，通過(guò)查電機(jī)的MAP圖，可以求出電機(jī)應(yīng)該輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序：詳見(jiàn)附錄2。車(chē)身姿態(tài)程序MPU-6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16g。MPU-6050傳感器程序：詳見(jiàn)附錄3。如圖4.6傳感器寄存器的配置過(guò)程：圖4.6MPU-6050傳感器配置過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)速度程序光柵傳感器的工作原理為:在相同的時(shí)間內(nèi),同時(shí)記取光電脈沖發(fā)生器送來(lái)的有效脈沖個(gè)數(shù)和時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù),則此時(shí)光電脈沖器軸的轉(zhuǎn)速。n πnDP KNTCPmCP式中,K為倍頻系數(shù);N為光電脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)線數(shù)CP為時(shí)標(biāo)脈沖周期。

式4.1所謂DMA就是直接內(nèi)存存取（DirectMemoryAccess），是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一種內(nèi)存訪問(wèn)技術(shù)。DMA是通過(guò)DMA控制器接管數(shù)據(jù)和地址總線，根據(jù)事先設(shè)定好的源地址和目的地址，以及傳送的字節(jié)數(shù)，將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送到指定的位置，而不需要CPU的介入，從而CPU的負(fù)擔(dān)大大減輕。如果CPU正在執(zhí)行指令，DMA控制利用空閑的地址和數(shù)據(jù)總線完成數(shù)據(jù)傳送，某種程度上說(shuō)，CPU運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送是在并行進(jìn)行的。如圖4.7為DMA測(cè)速流程圖。DMA測(cè)速程序：詳見(jiàn)附錄4。圖4.7DMA測(cè)速程序流程圖車(chē)輛狀態(tài)顯示程序12864LCD顯示塊是所說(shuō)的點(diǎn)陣液晶顯示模塊，就是由128*64個(gè)液晶顯示點(diǎn)組成的一個(gè)128列*64行的陣列，所以也就叫成了12864。每個(gè)顯示點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著有一位二進(jìn)制數(shù)，0表示滅，1表示亮。存儲(chǔ)這些點(diǎn)陣信息的RAM被稱為顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。如果要顯示某個(gè)圖形或漢字就是將相應(yīng)的點(diǎn)陣信息寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中。在顯示漢字之前，需要將漢字轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字代碼，通過(guò)《PCtoLCD》這個(gè)軟件可以進(jìn)行批量轉(zhuǎn)換。LCD12864顯示程序：詳見(jiàn)附錄5。CAN通訊程序可以將CAN通訊程序分為CAN接收程序和CAN發(fā)送程序兩部分，通過(guò)MK60DN512ZV的定時(shí)中斷功能，就能夠?qū)崿F(xiàn)信息的發(fā)送與接收。整車(chē)控制器與電機(jī)控制器每隔100ms通訊一次，和電池管理系統(tǒng)每隔500ms通訊一次，與對(duì)實(shí)時(shí)第第35頁(yè)共42頁(yè)性要求不高的車(chē)載儀表每隔1s通訊一次。CAN信息的發(fā)送CAN發(fā)送程序如圖4.8所示，進(jìn)入CAN發(fā)送程序后，首先對(duì)ID碼進(jìn)行設(shè)置，從而激活信息緩沖器。然后將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定信息緩沖器的數(shù)據(jù)域并使能發(fā)送，從而完成CAN信息的發(fā)送。圖4.8CAN發(fā)送流程圖CAN信息的接收CAN接收程序如圖4.9所示，進(jìn)入CAN接收程序后，首先判斷信息緩沖器的接收標(biāo)志，如果標(biāo)志為1，說(shuō)明從總線上接收到了數(shù)據(jù)，可以從信息緩沖器的數(shù)據(jù)域中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在特定的寄存器中，然后清除信息緩沖器的接收標(biāo)志；如果標(biāo)志為0，說(shuō)明沒(méi)有從總線上收到數(shù)據(jù)。圖4.9CAN接收流程圖純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器的軟件調(diào)試AD通過(guò)串口與電腦連接，打開(kāi)串口調(diào)試助手，選擇COM口和波特率，通過(guò)調(diào)節(jié)踏板的開(kāi)度，接收單片機(jī)傳輸?shù)诫娔X上的AD值，數(shù)據(jù)結(jié)果為：表5.1踏板開(kāi)度和AD采樣值踏板開(kāi)度（%）010203040AD采樣值042384912421662踏板開(kāi)度（%）50607080100AD采樣值20702477287332914095電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集通過(guò)串口與電腦連接，打開(kāi)串口調(diào)試助手，選擇COM口和波特率，將檔位開(kāi)關(guān)調(diào)到前進(jìn)檔，通過(guò)調(diào)節(jié)踏板開(kāi)度，接收單片機(jī)的DMA數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)果為：表5.2踏板開(kāi)度和DMA結(jié)果踏板開(kāi)度（%）010203040DMA結(jié)果0006694踏板開(kāi)度（%）50607080100DMA結(jié)果122142168180222LCD12864上顯示及實(shí)物展示如圖所示為純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器LCD顯示器，a表示AD采樣值，b表示油門(mén)踏板開(kāi)度，c表示現(xiàn)在的車(chē)速，最下面為車(chē)身姿態(tài)原始數(shù)據(jù)。圖5.1 LCD顯示參數(shù)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器實(shí)物展示如圖5.2，本設(shè)計(jì)的主要元器件包括：飛思卡爾MK60DN512ZV最小系統(tǒng)板、電機(jī)、L298驅(qū)動(dòng)器、LM2596穩(wěn)壓模塊、LCD12864顯示屏、電機(jī)光柵測(cè)速傳感器、串口、檔位開(kāi)關(guān)、踏板電位器、MPU-6050姿態(tài)傳感器等。電電機(jī)主控角度傳感器踏板電位器圖5.2控制器實(shí)物展示附 錄ADC_get=ADC_Ave(ADC0,ADC0_SE8,ADC_12bit,100);u16ADC_Ave(ADCn_eadc_n,ADCn_Ch_eadc_ch,ADC_nbitbit,u16N)//均值濾波{u32tmp=0;u8 i;for(i=0;i<N;ADC_get=ADC_Ave(ADC0,ADC0_SE8,ADC_12bit,100);u16ADC_Ave(ADCn_eadc_n,ADCn_Ch_eadc_ch,ADC_nbitbit,u16N)//均值濾波{u32tmp=0;u8 i;for(i=0;i<N;i++)tmp+=ADC_Mid(adc_n,adc_ch,bit);tmp=tmp/N;return(u16)tmp;}附錄2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序FTM_SC_REG(FTMN[ftmn])=(0|FTM_SC_PS(0)|FTM_SC_CLKS(1));FTM_SC_REG(FTMN[ftmn])=(0|FTM_SC_PS(0)|FTM_SC_CLKS(1));switch(ch){//FTM0SIM_SCGC6|=SIM_SCGC6_FTM0_MASK;voidFTM_PWM_Init(FTMn_eftmn,FTM_CHn_ech,u16mod,u16cv){switch(ftmn){caseFTM0://輸出PWMFTM_PWM_Duty(FTM0,FTM_CH0,duty);//配置FTM0FTM_PWM_Init(FTM0,FTM_CH0,4500,2250);第第39頁(yè)共42頁(yè)caseFTM_CH0:if(FTM0_CH0==PTC1){PORTC_PCR1=PORT_PCR_MUX(4);}elseif(FTM0_CH0==PTA3){PORTA_PCR3=PORT_PCR_MUX(3);}else{break;}break;FTM_CnSC_REG(FTMN[ftmn],ch)&=~FTM_CnSC_ELSA_MASK;FTM_CnSC_REG(FTMN[ftmn],ch)=FTM_CnSC_MSB_MASK|FTM_CnSC_ELSB_MASK;FTM_SC_REG(FTMN[ftmn])=(0|FTM_SC_PS(4)|FTM_SC_CLKS(1));FTM_MOD_REG(FTMN[ftmn]=mod;FTM_CNTIN_REG(FTMN[ftmn])=0;FTM_CnV_REG(FTMN[ftmn],ch)=cv;FTM_CNT_REG(FTMN[ftmn])=0;}voidFTM_PWM_Duty(FTMn_eftmn,FTM_CHn_ech,u16duty){FTM_CnV_REG(FTMN[ftmn],ch)=duty;}FTM_CnV_REG(FTMN[ftmn],ch)=duty;}0x06);//低通濾波器帶寬5HzI2C_WriteAddr(MPU6050_I2C_Moudle,MPU6050_ADDRESS,MPU6050_GYRO_CONFIG,0x08);//不自檢 ±500°/sI2C_WriteAddr(MPU6050_I2C_Moudle,MPU6050_ADDRESS,MPU6050_ACCEL_CONFIG,0x06);//低通濾波器帶寬5HzI2C_WriteAddr(MPU6050_I2C_Moudle,MPU6050_ADDRESS,MPU6050_GYRO_CONFIG,0x08);//不自檢 ±500°/sI2C_WriteAddr(MPU6050_I2C_Moudle,MPU6050_ADDRESS,MPU6050_ACCEL_CONFIG,0x08);//不自檢 ±4g}int16MPU6050_GetDoubleData(uint8Addr){uint16data=0x0000;data=I2C_ReadAddr(MPU6050_I2C_Moudle,MPU6050_ADDRESS,Addr);data=(uint16)((data<<8)&0xff00);data+=I2C_ReadAddr(MPU6050_I2C_Moudle,MPU6050_ADDRESS,Addr+1);MPU6050_ADDRESS,MPU6050_CONFIG,I2C_WriteAddr(MPU6050_I2C_Moudle,xout=MPU6050_GetDoubleData(MPU6050_ACCEL_XOUT);voidMPU6050_Init(void){I2C_init(MPU6050_I2C_Moudle);I2C_WriteAddr(MPU6050_I2C_Moudle,MPU6050_ADDRESS,MPU6050_PWR_MGMT_1,0x00);I2C_WriteAddr(MPU6050_I2C_Moudle,MPU6050_ADDRESS,MPU6050_PWR_MGMT_2,0x00);return(int16)data;//合成數(shù)據(jù)，為有符號(hào)整形數(shù)}return(int16)data;//合成數(shù)據(jù)，為有符號(hào)整形數(shù)}附錄4 DMA測(cè)速程序u32DMA_Count_Get(DMA_CHnCHn){u32temp= count_init[CHn]-DMA_CITER_ELINKNO(CHn) ;returntemp;}voidDMA_Count_Reset(DMA_CHnCHn){DMA_CITER_ELINKNO(CHn)=count_init[CHn];}voidPIT0_Interrupt() //中斷執(zhí)行函數(shù){