ARM系统在汽车制动测试系统中的应用.docx

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ARM系统在汽车制动测试系统中的应用

课程设计报告

课程名称：

嵌入式课程设计

专业班级：

自动化XXX班X号

学生姓名：

X

指导教师：

XXX

完成时间：

2014年6月5日

报告成绩：

评阅意见：

评阅教师日期2014.6.7

摘要

汽车的制动性能是汽车性能的重要指标之一，是汽车检测中的重要项目。

目前制动性能检测有台架法和路试法，台架法虽然被广泛使用，但是由于其检测结果不能完全反应汽车实际制动过程中的运动变化，存在一定的缺陷。

而路试法能确切的检测汽车道路行驶制动的性能。

随着计算机技术的飞速发展，越来越多的融入先进技术的便携式道路制动性能测试系统被研制出来。

本文介绍了GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》对路试法检测制动性能的测试标准和测试内容的规定，分析了行车制动的过程，提出了测试各运动量的测试方法。

基于这些测试方法设计了一种基于路试法检测汽车制动性能的测试系统。

该系统采用目前先进的嵌入式软硬件技术，设计了采集和处理试验数据的ARM系统。

ARM系统部分以ARM7内核的微处理器Stm32F103RCT6为核心，扩展了键盘、液晶显示、试验数据存储、J-LINK下载等硬件模块，通过A/D和定时器捕获等功能接口，采集来自ARM系统前端的非接触式传感器的车速信号和制动踏板力信号，处理后的数据可以在液晶上显示出来，存储在数据存储单元，同时也可以通过USB接口将采集和计算的各种数据传送到上位机中。

设计了上位机上对制动性能分析与评价软件，它可以绘制出制动过程中的速度-时间等曲线，并对制动性能做出评价。

关键词：

汽车；制动性能；ARM；μC/OS-Π

Abstract

Theautomobilebrakingperformanceisoneoftheimportantguidelinesautomobileperformanceandanabsolutelynecessarilyinautomobileinspect.Atpresenttherearetwokindsofmethodstocheckbrakingperformance.TheoneisRollertestmethodandtheotherisRoadtest.Althoughnormsmethodisusedextensively.Butbecauseofitsdetectionresultcannotfullyreflecttheactualprocessofsportscarbrakechanges.Alongwiththerapiddevelopmentofcomputertechnology,moreandmoreintotheadvancedtechnologyofportableroadbrakingperformancetestsystemweredeveloped.

ThispaperintroducestheGB7258-2004"motorvehiclesafetyoperationtechnologyconditionsofautomobiShiFadetectionbrakingperformancetestingstandardsandtestcontentregulation,analyzestheprocessofcranebrake,putsforwardthetestingallleveloftestmethod.BasedonthesetestsdesignedakindofShiFadetectionbasedonroadcarbrakeperformancetestsystem,Putsforwardtestingallleveloftestmethod.BasedonthesetestsdesignedakindofShiFadetectionbasedonroadcarbrakeperformancetestsystem.TheARMsystemofthekernel'smicroprocessorARM7Stm32F103RCT6asthecore,expandedthekeyboard,LCDdisplay,testdatastorage,USBinterfacehardwaremodules,throughA/Dandtimerfunctionsuchasinterface,collection,capturedfromARMsystem'sfront-endnon-contactsensorspeedsignalandthebrakepedalforcesignal,theprocesseddatacanbedisplayedontheLCD,storageindatastoragecell,canalsouseUSBinterfacewillcollectionandcalculationofvarioustransferdatatotheuppermachine.Designoftheuppermachinebrakingperformanceanalysisandevaluationsoftware,itcandrawthebrakingprocessofspeed-suchastimeofbrakingperformancecurve,andmakecomments.

Keywords:

Car,Thebrakingperformance,ARM,UC/OS-Π

附录一····························································································23

附录二···························································································24

一、设计题目

汽车的制动性能是汽车性能的重要指标之一，是汽车检测中的重要项目。

目前制动性能检测有台架法和路试法，台架法虽然被广泛使用，但是由于其检测结果不能完全反应汽车实际制动过程中的运动变化，而且台架测试中通常以车轮制动力的大小和左右车轮制动力的差值来评价汽车的制动性能。

在台架实验中，一般不对这个制动过程的踏板力、制动力和制动时间的关系进行记录，这对于制动系统没有故障且无迟滞现象的多数汽车是合理的，但是对于制动时有明显迟滞现象的汽车，台架检测合格的汽车，实际上不一定合格；另一方面，在台架上检测时，前后轴为静载荷，不变化。

而在路面测试时，由于惯性的作用，前后轴载荷会发生变化，而这种变化会影响到制动效果，因此台架检测汽车的制动性有一定的局限性和一定的缺陷。

而路试法能比较准确的反映汽车制动的实际过程，但同时也要求路试法检测设备具有很高的实时性和高速数据处理能力。

随着计算机的飞速发展，越来越多的融人先进技术的便携式道路制动性能测试系统被研制出来，国标路试法制动性能的检测项目做出了规定，根据GB7258—2004规定，路试法检测汽车制动性能的检测项目：

①制动距离、②充分发出的平均减速度、③制动踏板力、④制动时间。

这些检测的数据采集和处理，要求的实时性和精度都非常高，而且需要很多扩展功能，为满足汽车的制动性能检测的要求，本文设计了基于ARM的汽车制动性能检测系统。

1.1汽车制动性能检测技术发展

1.1.1制动控制系统的历史

最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这时的车辆的质量比较小，速度比较低，机械制动虽已满足车辆制动的需要，但随着汽车自质量的增加，助力装置对机械制动器来说已显得十分必要。

这时，开始出现真空助力装置。

随着科学技术的发展及汽车工业的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。

20世纪80年代后期，世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱制动系统（ABS）的实用和推广。

ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。

它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。

防抱装置一般包括三部分：

传感器、控制器（电子计算机）与压力调节器。

传感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等传送给控制装置，控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后，给压力调节器发出指令。

1.1.2制动控制系统的现状

传统的制动控制系统只做一样事情，即均匀分配油液压力。

当制动踏板踏下时，主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后平衡。

而ABS或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要时对油液压力进行调节。

目前，车辆防抱制动控制系统（ABS）已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得到了广泛的应用，但是这些产品基本都是基于车轮加、减速门限及参考滑移率方法设计的。

另外，由于编制逻辑门限ABS有许多局限性，所以近年来在ABS的基础上发展了车辆动力学控制系统（VDC）。

结合动力学控制的最佳ABS是以滑移率为控制目标的ABS，它是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率，理论上是一种理想的ABS控制系统滑移率控制的难点在于确定各种路况下的最佳滑移率，另一个难点是车辆速度的测量问题，它应是低成本可靠的技术，并最终能发展成为使用的产品。

因此，发展鲁棒性的ABS控制系统成为关键。

现在，多种鲁棒控制系统应用到ABS的控制逻辑中来。

除传统的逻辑门限方法是以比较为目的外，增益调度PID控制、变结构控制和模糊控制是常用的鲁棒控制系统，是目前所采用的以滑移率为目标的连续控制系统。

另外，也有采用其它的控制方法，如基于状态空门及线性反馈理论的方法，模糊神经网络控制系统等。

各种控制方法并不是单独应用在汽车上，通常是几种控制方法组合起来实施。

如可以将模糊控制和PID结合起来，兼顾模糊控制的鲁棒性和PID控制的高精度，能达到很好的控制效果。

1.1.3制动控制系统的发展

今天，ABS/ASR已经成为欧美和日本等发达国家汽车的标准设备。

车辆制动控制系统的发展主要是控制技术的发展。

一方面是扩大控制范围、增加控制功能；另一方面是采用优化控制理论，实施伺服控制和高精度控制。

在第一方面，ABS功能的扩充除ASR外，同时把悬架和转向控制扩展进来，使ABS不仅仅是防抱死系统，而成为更综合的车辆控制系统。

在第二个方面，一些智能控制技术如神经网络控制技术是现在比较新的控制技术，已经有人将其应用在汽车的制动控制系统中。

ABS/ASR并不能解决汽车制动中的所有问题。

因此由ABS/ASR进一步发展演变成电子控制制动系统（EBS），这将是控制系统发展的一个重要的方向。

1.1.4全电路制动（BBW）

BBW是未来制动控制系统的L发展方向。

全电制动不同于传统的制动系统，因为其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间。

其主要包含以下部分：

a.电制动器。

其结构和液压制动器基本类似，有盘式和鼓式两种，作动器是电动机；

b.电制动控制单元（ECU）。

接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等，控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑。

c.轮速传感器。

准确、可靠、及时地获得车轮的速度；

d.线束。

给系统传递能源和电控制信号；

系统一旦出现故障，立即发出信息，确保信息传递符合法规最适合的方法是多重通道分时区（TDMA），它可以保证不出现不可预测的信息滞后。

TTP/C协议是根据TDMA制定的。

第三是抗干扰处理。

车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信号造成的影响，目前存在多种抗干扰控制系统，基本上分为两种：

即对称式和非对称式抗干扰控制系对称式抗干扰控制系统是用两个相同的CPU和同样的计算程序处理制动信号。

非对称式抗干扰控制系统是用两个不同的CPU和不一样的计算程序处理制动信号电制动控制系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种制动系统。

1.1.5结论

汽车电子制动控制系统将与其他汽车电子系统如汽车电子悬架系统、汽车主动式方向摆动稳定系统、电子导航系统、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统，未来的汽车中就不存在孤立的制动控制系统，各种控制单元集中在一个ECU中，并将逐渐代替常规的控制系统，实现车辆控制的智能化。

但是，汽车制动控制技术的发展受整个汽车工业发展的制约。

有一个巨大的汽车现有及潜在的市场的吸引，各种先进的电子技术、生物技术、信息技术以及各种智能技术才不断应用到汽车制动控制系统中来。

同时需要各种国际及国内的相关法规的健全，这样装备新的制动技术的汽车就会真正应用到汽车的批量生产中。

1.2设计要求

采用ARM系统构建一个路试法的汽车制动性能测试系统。

检测项目有：

①制动距离②充分发出的平均减速度③制动踏板力④制动时间。

这些检测的数据采集和处理，要求的实时性和精度都非常高，而且需要很多扩展功能，为满足汽车的制动性能检测的要求。

二、汽车制动性能测试方法

2.1制动过程分析

图2-1所示是汽车制动过程中制动踏力板、速度、减速度、距离随时间变化的理想曲线。

如图2-1（a）驾驶员接到紧急制动信号，由于驾驶员有个反应过程，不可以立即采取行动，需要经过

时间才开始踩制动踏板，这段时间叫驾驶员反应时间。

它包括驾驶员发现障碍，识别障碍并作出决定，脚从油门踏板换成制动踏板的时间，以及消除制动间隙时间。

这一般时间为0.3~1s。

接下来驾驶员持续踩下制动踏板，踏板力不断增加，一直到达最大值，这段时间踏板力增大时间

，如图2-1（b）从脚踩下制动踏板，到汽车开始减速需要经过

时间，这些主要用于消除制动的一些间隙，减速度从1点开始持续增加，到最大值的2点，此后减速度保持不变，持续制动到3点，汽车停止在3点，这段时间称持续制动时间从

～

时间内，由于汽车并未产生减速，这段时间内，汽车基本上保持匀速运动，从1点以后，由于有减速度，速度一直减小直至停止，如图2-1（c）。

通过以上的制动分析可知，本系统测量的制动过程是制动踏板被踩下到汽车完全停止住，故汽车的制动是

，这段时间汽车驶过的距离就是制动距离，如图2-1（d）。

2.2测试标准与测试内容

2.2.1制动距离检测行车制动性能标准

制动距离是指汽车在规定初速度下急刹车，从脚接触制动踏板至汽车停时汽车驶过的距离。

制动稳定性要求：

机动车的任何部位不允许超出规定宽度的实验通道的边缘线。

表2-1是GB7258—2004《机动车运行安全技术条件》路试法测试行车制动性能对制动距离和制动稳定性要求。

表2-1制动距离与制动稳定性要求

汽车类型

制动初速度

满载制动距离要求

空载制动距离要求

实验通道宽度

三轮汽车

20

2.5

乘用车

50

2.5

总质量

的低速货车

30

2.5

其它总质量

的汽车

50

2.5

其它汽车、汽车列车

30

3.0

2.2.2充分发出的平均减速度检验行车制动性能标准

充分发出的平均减速度

（3-1）其中：

实验车制动初速度，

；

-0.8

，实验车速，

；

-0.1

，实验车速，

；

-实验车速从

到

之间车辆行驶距离，

；

-实验车速从

到

之间车辆行驶距离，

；

三、系统硬件部分设计

3.1系统硬件部分总体设计

从制动性能测试系统的功能要求出发，设计了如图3-1的测试系统。

包括微处理器、信号输人、键盘驱动电路、液晶显示、接口、数据存储等模块。

图3-1测试系统总体框图

3.2传感器信号调理

如图3-2踏板开关信号POW_WE经过光电隔离后在经过74HC04反向后输入到Stm32F103RCT6的外部中断1引脚；速度传感器的速度脉冲信号VEL_WE经过光电耦合后经过74HC04反向后输入到Stm32F103RCT6的定时器捕获引脚CAP1.0。

光耦输出端使用的电源经过DC-DC模块4N25隔离的。

这样就实现了踏板开关信号、速度信号与Stm32F103RCT6信号输入端的隔离。

图3-2车速传感器与踏板开关信号处理电路图

如图3-3踏板力传感器输出的信号是0～12V的电压信号，而Stm32F103RCT6的A/D口的模拟电压输出范围是0～3.3V，实现这一电压转换使用两级运算放大器是实现。

图3-3踏板力传感器信号处理器

3.3ARM微处理器Stm32F103RCT6

类别：

集成电路（IC）

家庭：

嵌入式-微控制器

系列：

STM32

芯体尺寸：

32-位

速度：

72MHz

连通性：

CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB

外围设备：

DMA，电机控制PWM，PDR，POR，PVD，PWM，温度传感器，WDT

输入/输出数：

51

程序存储器容量：

256KB（256Kx8）

程序存储器类型：

FLASH

RAM容量：

48Kx8

电压-电源（Vcc/Vdd）：

2V~3.6V

振荡器型：

内部

工作温度：

-40°C~85°C

封装/外壳：

64-LQFP

包装：

托盘

功能

■ 内核：

ARM 32位的Cortex™-M3 CPU 

− 最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz（Dhrystone 2.1） 

− 单周期乘法和硬件除法 

■ 存储器 

− 从64K或128K字节的闪存程序存储器− 高达20K字节的SRAM 

■ 时钟、复位和电源管理 

− 2.0～3.6伏供电和I/O引脚 − 上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD） 

− 4～16MHz晶体振荡器 

− 内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器 − 内嵌带校准的40kHz的RC振荡器 − 产生CPU时钟的PLL 

− 带校准功能的32kHz RTC振荡器 

■ 低功耗 

− 睡眠、停机和待机模式 

− VBAT为RTC和后备寄存器供电 

■ 2个12位模数转换器，1μs转换时间（多达16个输入通道） 

− 转换范围：

0至3.6V − 双采样和保持功能 − 温度传感器 

■ DMA：

− 7通道DMA控制器 

− 支持的外设：

定时器、ADC、SPI、I2C和USART 

■ 多达80个快速I/O端口 

− 26/37/51/80个I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号

■ 调试模式 

− 串行单线调试（SWD）和JTAG接口 

■ 多达7个定时器 

− 3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入 

− 1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器 

− 2个看门狗定时器（独立的和窗口型的）− 系统时间定时器：

24位自减型计数器 

■ 多达9个通信接口 

− 多达2个I2C接口（支持SMBus/PMBus） − 多达3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制） − 多达2个SPI接口（18M位/秒） − CAN接口（2.0B 主动） − USB 2.0全速接口

3.4系统电源电路

Stm32F103RCT6使用双电源，其内核CPU采用+3.3V~+3.6V电压，I/O口使用+3.3V电压，而液晶显示模式使用+5V电压，踏板力传感器和非接触式传感器使用+5V电压供电。

故需为系统提供以上2种电压，本系统中电源部分采用+12V电压输入。

外部提供+5V电源，经过两级DC-DC转换可以得到Stm32F103RCT6所需要的两种电压，第一级经过L7805CV将12V转到+5V，第二级则分别使用电源模块AMS1117是将+5V转成+3.3V。

系统电源转换电路如图3-4所示。

图3-4系统电源电路

3.5复位晶振电路

复位是将微处理器初始化为某个确定的初始化状体，复位信号的产生电路有很多种，最简单的阻容复位电路，但这种复位电路可靠性较差，不能保证任何情况下都能对微处理器进行复位。

图3-5是使用外部手动的复位电路。

图3-5复位电路

Stm32F103RCT6是采用电平复位，NRST与LPC2294的复位引脚连接，可以产生10ms宽度的高电平复位脉冲，实现对LPC2294的复位。

Stm32F103RCT6在使用外部晶振时，微控制器仅支持4～16MHz的外部晶振，Stm32F103RCT6的振荡器可以在工作在从属模式和振荡模式，本系统外部晶振模式时，晶振电路图如图3-6。

图3-6外部晶振电路

3.6键盘扩展电路

3.6.1特点

1.I2C串行接口提供键盘中断信号方便与处理器接口；

2.可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键；

3.可控扫描位数可控任一数码管闪烁；

4.提供数据译码和循环移位段寻址等控制；

5.8个功能键可检测任一键的连击次数；

6.无需外接元件即直接驱LED可扩展驱动电流和驱动电压；

7.提供工业级器件多种封装形式PDIP24SO24引脚图如3-7所示。

图如3-7ZLG7290的引脚图

3.6.2功能描述

（一）键盘部分

ZLG7290可采样16个按键或传感器可检测每个按键的连击次数其基本功能如下。

1.键盘去抖动处理

当键被按下和放开时可能会出现电平状态反复变化称作键盘抖动若不作处理会引起按键盘命令错误，所以要进行去抖动处理以读取稳定的键盘状态为准。

2.双键互锁处理

当有两个以上按键被同时按下时ZLG7290只采样优先级高的按键优先顺序为S1>S2>…>S64。

如同时按下S2和S18时采样到S2。

3.连击键处理

当某个按键按下时，输出一次键值后如果该按键还未释放该键值连续有效就像连续压按该键一样。

这种功能称为连击连击次数计数器RepeatCnt，可区别出单击某些功能不允许连击如开。

关或连击判断连击次数可以检测被按时间以防止某些功能误操作如连续按5，秒经入参数设置状态。

4.功能键处理

功能键能实现2个以上按键同时按下来扩展按键数目或实现特殊功能如PC机上的Shift，Ctrl，Alt键典型应用图中的S57-S64为功能键。

ZLG7290的内部结构如图3-8所示。

键盘扩展电路如图3-9所示。

图3-9矩阵键盘扩展电路

四、系统软件部分设计

4.1系统软件总体设计

系统软软件部分主要由系统层、驱动层和应用层组成。

系统层设计首先是进行嵌人式操作系统内核的移植，再对内核扩形成一个简单、高效的操作系统。

驱动层是在系统层上开发硬件驱动程序，它是实现应用层对硬件使用的接口。

应用层设计是在操作系统的基础上进行任务设计，如数据采集任务、数据处理任务、通讯任务、显示任务和键盘扫描任务。

系统软件部分总体设计框图如图