汽車電子限速器的技術(shù)原理分析與設(shè)計(jì)

　　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(dòng)規(guī)避事故的優(yōu)勢，電子狗只是在接近超速測試探頭時(shí)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(shí)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(shí)要同時(shí)考慮到汽車出廠前安裝與售出后安裝兩個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將其傳給電子控制單元，由電子控制單元通過電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)環(huán)節(jié)后，在踏板傳感器與ECU這兩個(gè)環(huán)節(jié)之間插入限速控制是最易實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)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(gè)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(dòng)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(hào)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(shí)間段監(jiān)測油門的前后變化情況以及前一時(shí)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。

　　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(shí)，Vy曲線和Vx曲線完全重合。當(dāng)Vx >Vm時(shí)，Vy的值不隨著Vx的增大而增大，保持等于Vm不變。

　　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(hào)采集、信號(hào)處理和信號(hào)輸出

　　限速器需要采集油門踏板傳感器的電信號(hào)，故需具備模擬信號(hào)采集功能，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、計(jì)算等處理；同時(shí)，限速器根據(jù)采集信號(hào)處理后的結(jié)果，輸出相應(yīng)的電信號(hào)提供給ECU，故需具備模擬信號(hào)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(shí)，不但需要監(jiān)測油門踏板傳感器信號(hào)，同時(shí)要根據(jù)踏板傳感器信號(hào)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(shí)，只需監(jiān)測油門踏板傳感器信號(hào)，結(jié)合預(yù)置的速度上限值Vm，實(shí)現(xiàn)超速時(shí)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。

　　為了滿足上述功能需求，限速器的核心本設(shè)計(jì)選用具有強(qiáng)大功能的MSP430F169單片機(jī)，其內(nèi)置有高速的12位ADC和DAC，能單片實(shí)現(xiàn)限速器的功能，無須再擴(kuò)展外部模塊，即可提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低系統(tǒng)成本，非常符合限速器的功能需求。

　　實(shí)現(xiàn)限速器功能的主要模塊分析如下：

　　(1)信號(hào)處理單元

　　油門踏板傳感器實(shí)際上是一個(gè)角度傳感器，可提取瞬間油門踏板的位置信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。以磁阻式油門踏板傳感器為例，為了將角度變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，磁阻元件往往做在同一塊基片上接成三端式結(jié)構(gòu)，且在片上一定高度處放一半圓形的磁鋼，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)主軸帶動(dòng)磁鋼旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁阻元件MR1、MR2的電阻值隨通過它們的磁通量Φ的變化而變化,從而有電壓信號(hào)從兩個(gè)磁阻元件中點(diǎn)輸出,經(jīng)過后面信號(hào)處理電路對(duì)此輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。通過調(diào)節(jié)后級(jí)放大電路的放大倍數(shù)，可以得到所需要的、大小合適的電壓信號(hào)，其等效電路如圖6所示[1]。

　　根據(jù)油門踏板傳感器的工作原理，限速器信號(hào)處理原理圖如圖7所示[2]。踏板傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器降低輸出阻抗,然后輸入到MSP430F169的ADC輸入腳A3,利用MSP430F169內(nèi)部的12位ADC完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的采集。限速器將踏板傳感器的電信號(hào)采集后，用IIR濾波算法對(duì)其進(jìn)行濾波，進(jìn)行自學(xué)習(xí)算法計(jì)算、處理后，得到汽車行駛速度Vx，并與設(shè)定的限速值Vm比較,以比較的結(jié)果決定輸出模擬信號(hào)輸出的大小。輸出信號(hào)通過MSP430F169的D/A輸出引腳DAC0輸出,利用MSP430F169內(nèi)部的12位DAC實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，并通過運(yùn)算放大器提升輸出模擬信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。