燃料電池城市客車用整車控制器

1、燃料電池城市客車用整車控制器燃料電池城市客車用整車控制器清華大學(xué)汽車工程系汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫鴻航朱元田光宇周偉波摘要:本文介紹了美國Cygnal公司新近推出的單片機(jī)C8051F020在汽車整車控制器中的應(yīng)用。在分析了整車控制器的功能需求后，研制出了控制器的硬件平臺(tái)，并在此硬件平臺(tái)上搭建了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊的軟件設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集、控制器局域網(wǎng)(CAN)總線通信和控制策略數(shù)值計(jì)算等。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:C

2、8051F020；整車控制器；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；RTX51整車控制器的功能分析整車控制器的功能分析本文的汽車整車控制器是為國家863重大專項(xiàng)——“燃料電池城市客車”開發(fā)研制的。燃料電池城市客車的結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)汽車的主要不同是動(dòng)力源由發(fā)動(dòng)機(jī)改為電動(dòng)機(jī)，同時(shí)由燃料電池和輔助電池組合提供電能。這樣車上的主要能量轉(zhuǎn)換方式就是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。汽車的整車控制器是整個(gè)汽車的大腦，它接受到駕駛員的踏板信號(hào)和其它信號(hào)，然后作出相應(yīng)的判斷，控制下層

3、各個(gè)部件作出動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)汽車正常行駛，并盡可能實(shí)現(xiàn)比較高的能量效率。所以說整車控制器是整個(gè)汽車的核心控制部件，它的優(yōu)劣直接影響著汽車的可靠性和其它性能。圖1燃料電池城市客車結(jié)構(gòu)簡圖（略）圖2整車控制器功能框圖（略）在此，首先分析一下燃料電池城市客車整車控制器的功能需求。第一，整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燃料電池、蓄電池、DCDC轉(zhuǎn)換器等部件組成，各個(gè)部件之間的信號(hào)通過CAN總線來傳遞，因而整車控制器必須具有CAN總線接口；第二，雖然采用CAN

4、總線可以大大簡化系統(tǒng)的布線復(fù)雜程度，但從實(shí)時(shí)性和安全性的角度出發(fā)，有一部分信號(hào)還要由整車控制器直接采集，包括制動(dòng)踏板、油門踏板以及其它一些數(shù)字量信號(hào)；第三，整車控制器還要提供一些對(duì)相應(yīng)部件進(jìn)行直接控制的信號(hào)通道，包括DA轉(zhuǎn)換和數(shù)字量輸出等等；第四，為保證駕駛員的安全操作和對(duì)汽車控制的可視化，采用了外接液晶顯示器以及觸摸屏的方式來顯示一些重要的信號(hào)量，因此選用了一個(gè)串行通信口(UART)。C8051F020的主要功能和資源的主要功能和資源

5、基于以上的功能分析，我們最終選用了Cygnal單片機(jī)的特點(diǎn)，C8051F020型號(hào)的單片機(jī)作為整車控制器的核心器件CPU。其主要功能和資源包括：多達(dá)32路12位ADC(速度為100kHz)或高達(dá)500kHz的8位ADC；2路12位DAC和2路模擬比較器；內(nèi)部高精度基準(zhǔn)電源、可編程增益放大器和溫度傳感器；精確的VDD監(jiān)視器；4K片內(nèi)RAM、64K片內(nèi)FLASH以及64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；64位IO口線，所有口線均可編程為弱上拉或推挽輸出

6、；可同時(shí)使用的硬件SMBUSI2C串行總線和SPI串行總線及兩個(gè)UART串口；16位可編程計(jì)數(shù)器定時(shí)器陣列帶5個(gè)捕獲比較模塊；5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器定時(shí)器；專用的看門狗定時(shí)器和雙向復(fù)位等等；獨(dú)特的數(shù)字交叉開關(guān)陣列(DigitalCrossbar)，可將內(nèi)部系統(tǒng)資源定向分配到P0，P1和P2；其內(nèi)部資源的功能框圖從略。整車控制器的功能框圖（略）通過比較整車控制器的功能需求和Cygnal單片機(jī)的特點(diǎn)可知，C8051F020芯片是一款非常適合用

7、于汽車整車控制器的芯片。根據(jù)該單片機(jī)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了控制器的整體框架(如圖2)。首先，在外部總線上擴(kuò)展了一片32K的RAM，設(shè)計(jì)采用61C256，這樣的RAM容量足夠滿足實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及所需控制參數(shù)和變量的需求。其次，我們選用獨(dú)立的CAN控制器芯片SJA1000擴(kuò)展了一個(gè)CAN接口，用于和各個(gè)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，由于C8051F020的很多片內(nèi)資源都是和數(shù)字IO口復(fù)用根據(jù)整車控制器所需完成的功能，我們結(jié)合RTOS分解其各項(xiàng)功能并

8、制定出相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)。目前，我們制定了以下幾個(gè)任務(wù)：任務(wù)0系統(tǒng)初始化及控制策略數(shù)值計(jì)算：初始化單片機(jī)的相關(guān)配置，啟動(dòng)所有其它的任務(wù)。隨后進(jìn)行控制策略的數(shù)值計(jì)算。任務(wù)1發(fā)送CAN信息：當(dāng)任務(wù)0完成了控制策略數(shù)值計(jì)算后，通過CAN總線發(fā)送相應(yīng)的控制命令。任務(wù)2模數(shù)轉(zhuǎn)換AD：采集油門踏板和制動(dòng)踏板的信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)字濾波。這些信號(hào)將提供給任務(wù)0進(jìn)行控制策略的計(jì)算。任務(wù)3數(shù)字量的輸入和輸出：讀入鑰匙位置、緊急開關(guān)信號(hào)等數(shù)字量，輸出Ready等信號(hào)

9、。這些信息將提供給任務(wù)0來判斷汽車應(yīng)該選擇的工作模式，同時(shí)在液晶屏幕上進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)顯示。任務(wù)4故障診斷：判斷單片機(jī)系統(tǒng)工作是否正常，CAN通信是否正常，并且給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。中斷1接收CAN信息：接收其它控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的CAN信息，并且按照CAN協(xié)議把接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。上述各任務(wù)的程序流程圖從略。結(jié)語結(jié)語C8051F020這款單片機(jī)具有較快的運(yùn)行速度和豐富的內(nèi)部資源，非常適合用于汽車整車控制器的開發(fā)。我們?cè)诖罱ǔ銎溆布?/p>