ARM嵌入式开发板汽车节能控制系统

　　引言

　　由于各种原因，公交车总是不断重复加速—减速或停车—再加速的过程。通过加装本节能装置，当汽车需要制动时，在主控单元的控制下，可将汽车行驶时具有的巨大动能通过空气压缩机转化成高压气体的势能并储存起来，从而实现汽车减速或停车。当汽车需要启动或加速时，用储存起来的高压气体势能代替燃油来驱动汽车，从而实现汽车能量的回收再利用，达到节能的效果。同时由于汽车在起动或加速时能耗最大，如果汽车是用燃油驱动，则此时油料燃烧不充分，燃烧效果最差，而且产生的噪音最大。

　　系统工作原理

　　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。本文主要介绍该系统的控制部分。该装置的作用就是将刹车时本应由摩擦来消耗掉的汽车动能，改为由气体的势能来消耗，在启动时，利用刹车时储气罐内储存的高压气体势能来驱动汽车行走，当车速到达一定值如20km/h时，再切换到由汽车发动机驱动的模式。

　　系统硬件设计

　　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的方便，还增加了CAN总线接口，由此构成了整个硬件系统。系统的总体框图如图1所示。

　　
图1 系统框图

　　S3C44BOX

　　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。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DART, 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，是由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMI RISC处理器(66MHz)。ARM7TDMI体系结构的特点是它集成了Thumb代码压缩器，ICE (In Circuit Emulator)断点调试支持，和一个32位的硬件乘法器。

　　数据采集单元

　　数据采集单元的作用就是对需要的模拟信号进行采集、处理后送到处理器进行处理。在该单元中，核心是对模拟信号的调理。由于系统要采集到汽车的储气罐内的压力数据、制动踏板的位置数据、车速、离合器切合位置和油门踏板位置等数据，因此需要多路数据采集通道。各通道的数据必须完成信号的调理后，才能送到处理器进行处理。该采集单元的信号采集通道框图如图2所示。

　　
图2 信号采集通道

　　控制执行单元

　　控制执行单元的功能主要是接收处理器发出的数字量，经过隔离及驱动后，送到执行机构如电磁阀、继电器、离合器等来使行相应的动作。功能框图如图3所示。

　　
图3 控制执行单元

　　这一级相对来说较为简单，但为了防止外界对系统的干扰，须采用隔离。隔离器件采用普通的光电祸器即可，系统中采用TLP521-1。

　　数据显示模块

　　在系统的设计中，为了对采集的数据进行监控，使得调试更为方便、直观，因此增加了数据显示模块。S3C44BOX集成了LCD (Liquid Cristal Display)控制器，该控制器支持在LCD上的单色、4级、16级灰度、256色的显示，具有很强的通用性，S3C44BOX的LCD控制器的作用是将缓存中的数据传送到外部的LCD驱动器，并产生必须的LCD控制信号。LCD控制器可以编程支持不同水平和垂直点数(640×480，320×240，160×160等)、不同数据线宽度、不同接口时序和刷新速率的LCD，支持4位双扫描、4位单扫描、8位单扫描模式，并支持水平/垂直滚动，以用来支持更大的屏幕显示(如1280× 1280)。

　　由于不同尺寸的LCD具有不同数量的垂直和水平象素、数据接口、数据宽度、接口时间和刷新率，S3C44BOX中的LCD控制器可以对相应的寄存器值进行编程，以适应不同的LCD显示板。LCD控制器逻辑框图如下图4所示。

　　
图4 LCD控制器逻辑框图

　　电源模块

　　在本系统设计中，由外部供给系统单一的9V电源，通过三端稳压AS1117-5.0, AS1117-3.3和AS1117-2.5，分别得到5.0V, 3.3V以及2.5V。AS1117系列稳压器最大能提供800mA电流，由于本系统功耗较低，最大需求电流不超过300mA，因此用AS1117足以满足系统的供电需求。另外的两套±15V电源由DC/DC变换器供给。考虑到系统中有数字电路和模拟电路，由于数字电路的电流变化较快，容易产生脉冲干扰，从而影响模拟信号的采样精度，因此应把数字地和模拟地分开。