以單片機(jī)為核心的電子汽車限速器的設(shè)計(jì)方案

我國每年有數(shù)十萬起交通事故發(fā)生，如果汽車限速器能夠普及，將會降低交通事故發(fā)生率，從而挽回不必要的財(cái)產(chǎn)和生命損失。
與近期在市場上熱銷的電子狗產(chǎn)品相比，汽車限速器更具有主動規(guī)避事故的優(yōu)勢，電子狗只是在接近超速測試探頭時才提醒駕駛者控制車速。汽車限速器通常分為兩大類：一種是在車輛超速時發(fā)出語音警報(bào)，提醒駕駛者減速；另一種是在車輛超過限定速度后，通過車載電腦發(fā)出指令，強(qiáng)制控制車輛行駛速度。第1種限速器只起到警示作用，而第2種汽車限速器將更為有效地降低交通事故。因此，本文著重介紹了第2種限速器的實(shí)現(xiàn)原理及設(shè)計(jì)方法。
1 限速器實(shí)現(xiàn)原理
由于早期的汽車是沒有限速功能的，所以在設(shè)計(jì)時要同時考慮到汽車出廠前安裝與售出后安裝兩個不同層面的需求，限速器應(yīng)具備靈活的安裝方式，不破壞汽車的完整性和可靠性。為了設(shè)計(jì)出這樣的限速器，首先需要了解汽車油門系統(tǒng)的工作原理。
一般的電子汽車油門系統(tǒng)包括：油門踏板、踏板傳感器、電子控制單元（ECU）、電機(jī)、節(jié)氣門機(jī)構(gòu)，如圖1所示。駕駛員根據(jù)駕駛所需的功率踩踏油門踏板，油門踏板位置傳感器將采集到的油門踏板位置信號轉(zhuǎn)化為電信號，并將其傳給電子控制單元，由電子控制單元通過電動機(jī)實(shí)現(xiàn)對節(jié)氣門的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門的完全電子控制。

分析組成汽車電子油門系統(tǒng)的幾個環(huán)節(jié)后，在踏板傳感器與ECU這兩個環(huán)節(jié)之間插入限速控制是最易實(shí)現(xiàn)的，同時也具備了出廠前安裝與售出后安裝的條件，因此本文的限速控制設(shè)計(jì)方案就在踏板傳感器和ECU這兩個環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)。插入限速器的電子油門系統(tǒng)模型如圖2所示，圖中虛線框所示的部分即是所設(shè)計(jì)的限速器。

限速器可通過鍵盤和顯示等人機(jī)界面預(yù)置速度上限值Vm。當(dāng)啟動限速器工作后，圖2中的1和3通路連通。限速器檢測踏板傳感器傳遞給它的電信號經(jīng)IIR濾波后得Ux。由于本限速器盡可能地不破壞汽車原有的結(jié)構(gòu)，因此采用油門的開度來判斷汽車行駛速度，但是速度的變化滯后于油門的變化，即油門的變化量并不能直接地表征行駛速度變化量。所以本限速器采用自學(xué)習(xí)算法，通過較長時間段監(jiān)測油門的前后變化情況以及前一時間段油門所處的穩(wěn)定狀態(tài)（如勻速或停止），判斷駕駛者的操作意圖，得出相應(yīng)的行駛速度值Vx。將Vx與預(yù)置的速度上限值Vm比較，如果計(jì)算所得的速度值VxVm，則沒有在超速狀態(tài)，此時踏板傳感器電信號Ux直接提供給ECU，即限速器輸出信號Uy=Ux。如果計(jì)算所得的速度值Vx≥Vm，處于超速狀態(tài)，則限速器恒定輸出預(yù)置的速度上限值Vm所對應(yīng)的電信號Um，即Uy=Um,并傳遞給ECU，實(shí)現(xiàn)限速功能。
圖3所示為速度控制狀態(tài)曲線圖。假設(shè)Vx由0開始逐漸增大，在未達(dá)到Vm時，Vy曲線和Vx曲線完全重合。當(dāng)Vx >Vm時，Vy的值不隨著Vx的增大而增大，保持等于Vm不變。當(dāng)Vx下降，VxVm時，并在Vm附近振蕩，但未降至Vm-Δ，此種情況下，Vy仍保持等于Vm不變，起到了優(yōu)化油門控制的作用，以避免人為操作不穩(wěn)定因素的影響。當(dāng)Vx下降到VxVm-Δ時，Vy曲線和Vx曲線完全重合。

插入限速器后的電子油門系統(tǒng)，駕駛員可以根據(jù)需要選擇是否需要限速功能。當(dāng)駕駛員選擇了限速功能后，在不超速情況下，與原有的電子油門系統(tǒng)工作方式是相同的,最大程度地保證了原有系統(tǒng)的完整性。在設(shè)計(jì)中，限速器中的觸點(diǎn)1和觸點(diǎn)2為常閉開關(guān),使限速器在不能正常工作的情況下，能保證電子油門系統(tǒng)仍能正常工作，保證系統(tǒng)工作的可靠性。
2 限速器的硬件設(shè)計(jì)
從限速器的實(shí)現(xiàn)原理分析，限速器必須具備以下功能：
(1)模擬信號采集、信號處理和信號輸出
限速器需要采集油門踏板傳感器的電信號，故需具備模擬信號采集功能，并對采集的信號進(jìn)行濾波、計(jì)算等處理；同時，限速器根據(jù)采集信號處理后的結(jié)果，輸出相應(yīng)的電信號提供給ECU，故需具備模擬信號輸出功能。
(2)控制電路
限速器根據(jù)用戶的指令或在某些不正常的狀態(tài)下，需要實(shí)現(xiàn)限速器工作模式、報(bào)警器工作模式和關(guān)閉模式的功能。限速器在工作模式時，不但需要監(jiān)測油門踏板傳感器信號，同時要根據(jù)踏板傳感器信號和預(yù)置的速度上限值Vm，實(shí)現(xiàn)限速控制；處于報(bào)警工作模式時，只需監(jiān)測油門踏板傳感器信號，結(jié)合預(yù)置的速度上限值Vm，實(shí)現(xiàn)超速時報(bào)警。
(3)人機(jī)交互功能
限速器需具備顯示、鍵盤、語音報(bào)警輸出等人機(jī)交互方式功能。
根據(jù)上述功能需求，限速器的功能框圖如圖4所示。