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基于DSP的汽车动力监控系统分析与设计.pdf

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - I摘 要 随着 DSP 技术在汽车电子中的不断应用 ,汽车上电子装置逐步进入数字化。为了进一步提高汽车运行的安全性, 本文设计了一种汽车动力监控系统,对汽车发动机和发电机运行状况进行实时 监控,代替原有模拟表测量系统,以便于用户更直观的观察整车系统运行状况。 本系统由 DSP数据采集处理系统以及 AV R单片机控制系统两部分组成,通过相应传感器对汽车发动机油压、油温、 水温等工作参数进行实时采集,同时采集汽车发电机的相电压、相电流等参数,并送入 DSP数据处理系统进行处理, DSP通过 CAN总线将数据传输到汽车驾驶室的 AVR 单片机控制系统,由VFD液晶显示器进行显示,一 旦某项参数异常,系统 存储故障内容,并报警提示驾驶员停车检查,以免对设备造成进一步的损坏。 本文首先对汽车发动机和发电机输出信号进行研究,根据输出信号特性完成了信号调理电路硬件 设计。然后设计了 DSP数据处理系统,设 计实时时钟电路,方便显示时间;设计存储 电路,方便存储故障记录。最后设计 AV R单片机控制系统,利用 CAN总线接收 DSP数据处理系统的数据,采用 12864型 VFD液晶显示器循环显示汽车发动机工作参数, 并设计有八个控制按键,方便控制显示屏的翻页、参数设置以及故障查询等。 该课题利用 DSP强大的数据处理功能,实现汽 车动力监控系统的数字化,从而整车系统操作者能够方便、直观地观 察到汽车发动机和发电机工作状况,对进一步提高了汽车的安全性和舒适度有重要意义。 关键词 汽车动力;监控系统; DSP;单片机; CAN 总线 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - IIAbstract With the continuous application of DSP technology in automotive electronics, automotive electronics are developing into the digital step by step. To further enhance the safety of vehicle operation, this paper designed a monitoring system to monitor the situation of automotive power in real time. Replace the original analog measurement system in order to guarantee the user a more intuitive operation situation. This system consists of two parts. One is the data acquisition and processing system based on DSP, and the other is the control system based on AVR microcontroller. Collection oil pressure, oil temperature, water temperature and other engine operating parameters of automotive engine by the corresponding sensor in real-time. And concurrent collection the phase voltage、 phase current of electric generator. Then send the data into the DSP data processing system for processing. Through the CAN bus, DSP transmitted the data to the vehicle cab AVR microcontroller control system and carried out by the VFD LCD to display. Once the parameters of an exception, the system will store the fault content, and alarm the driver to stop the car to make a check, so as to avoid further damage to the equipment. In this paper, firstly study the output signals of Automobile electric engine and generator. Completion the signal conditioning circuit hardware design based on the output signal characteristics. And then designed the DSP data processing system; designed a real-time clock circuit to facilitate display the time; designed memory circuits to store fault record. Finally design the hardware circuits of the AVR microcontroller control system. Using CAN bus data processing system to receive data from DSP. Using 128 64-type VFD LCD to display the automobile engine operating parameters. And designed eight control buttons for easily control the screen for turning page、 setting parameter or polling fault ination. Using the powerful processing functions of the DSP, The subject completion the digital control system of automotive power , and thus the vehicle operator can easily and intuitively observed the working condition of automobile engineer and power. This monitoring system has great significance to further improve vehicle 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - IIIsafety and comfort. Keywords automobile power, monitoring system, DSP, MCU, CAN bus 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - IV目 录 摘 要 ......................................................................................................................I Abstract .................................................................................................................. II 第 1 章 绪论 ........................................................................................................... 1 1.1 课题来源、学术背景及研究意义 ............................................................... 1 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析 ........................................................... 2 1.3 论文主要研究内容 ...................................................................................... 5 第 2 章 DSP 数据采集与处理系统 ........................................................................ 6 2.1 概述 ............................................................................................................. 6 2.2 信号调理电路 .............................................................................................. 7 2.2.1 发电机三相电压 ....................................................................................7 2.2.2 发电机三相电流 ....................................................................................8 2.2.3 发动机机油压力 ....................................................................................8 2.2.4 发动机冷却水温度和油温 ....................................................................9 2.2.5 发动机转速 ............................................................................................9 2.3 AD 采样电路及处理系统 ............................................................................. 9 2.3.1 AD 采样电路 ..........................................................................................9 2.3.2 DSP 和 FPGA 电路 .............................................................................. 11 2.3.3 时间芯片 ............................................................................................. 12 2.3.4 存储器电路 .......................................................................................... 12 2.4 本章小结 .................................................................................................... 13 第 3 章 AV R 单片机控制系统设计 ..................................................................... 14 3.1 概述 ........................................................................................................... 14 3.2 AVR 单片机最小系统设计 ......................................................................... 14 3.3 VFD 液晶显示电路 .................................................................................... 15 3.4 18 按键功能 .............................................................................................. 17 3.5 本章小结 .................................................................................................... 17 第 4 章 CAN 总线在监控系统中的应用 ............................................................. 18 4.1 CAN 总线概述 ............................................................................................ 18 4.2 CAN 总线通信协议 .................................................................................... 18 4.2.1 CAN 总线的基本概念 .......................................................................... 18 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - V4.3 报文的格式和分类 .................................................................................... 21 4.4 通信的错误检测和处理机制 ..................................................................... 23 4.4.1 CAN 总线中的错误类型 ...................................................................... 23 4.4.2 故障界定 ............................................................................................. 24 4.5 DSP 中 CAN 控制器模块 ........................................................................... 25 4.5.1 消息邮箱 ............................................................................................. 25 4.5.2 发送邮箱 ............................................................................................. 26 4.5.3 接收邮箱 ............................................................................................. 26 4.5.4 CAN 模块的正常配置 .......................................................................... 27 4.6 单片机中 CAN 控制器模块 ...................................................................... 27 4.6.1 发送数据帧或远程帧 .......................................................................... 27 4.6.2 接收数据帧或远程帧 .......................................................................... 28 4.6.3 远程帧的自动回复 .............................................................................. 28 4.7 CAN 通信重要参数配置 ............................................................................ 29 4.7.1 CAN 位定时器配置 .............................................................................. 29 4.7.2 CAN 位率计算 ..................................................................................... 30 4.8 本章小结 .................................................................................................... 30 第 5 章 监控系统软件设计 .................................................................................. 31 5.1 AD 转换程序 .............................................................................................. 31 5.2 数据处理程序 ............................................................................................ 32 5.2.1 数据去噪滤波 ...................................................................................... 32 5.2.2 发电机电压处理程序 .......................................................................... 32 5.2.3 发电机相电流处理程序 ...................................................................... 34 5.2.4 发电机频率处理程序 .......................................................................... 34 5.2.5 发电机功率和功率因数处理程序 ....................................................... 35 5.2.6 发动机油压处理程序 .......................................................................... 35 5.2.7 发动机水温和油温处理程序 .............................................................. 36 5.2.8 发动机转速处理程序 .......................................................................... 37 5.3 系统时间控制程序 .................................................................................... 37 5.4 CAN 总线通信程序 .................................................................................... 38 5.4.1 DSP 发送采集数据到单片机 ............................................................... 39 5.4.2 传感器类型请求与确认 ...................................................................... 40 5.4.3 系统工作参数设置 .............................................................................. 42 5.4.4 故障数据信息与确认 .......................................................................... 43 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - VI5.4.5 CAN 数据接收程序 .............................................................................. 44 5.5 单片机按键控制与液晶显示程序 ............................................................. 45 5.6 本章小结 .................................................................................................... 46 结 论 ................................................................................................................... 48 参考文献 ............................................................................................................... 49 附录 1.................................................................................................................... 52 附录 2.................................................................................................................... 54 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 ......................................................... 55 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 ......................................................... 56 致 谢 ..................................................................................................................... 57 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - 1第 1章 绪论 1.1 课题来源、学术背景及研究意义 汽车自上个世纪末诞生以来,已经走过了风风雨雨的一百多年。从卡尔 .本茨造出的第一辆三轮汽车以每小时 18 公里的速度,到现在,已经诞生了从速度为零到加速到 100 公里 /小时只需要三秒钟多一点的超级跑车。这一百年,汽车发展的速度是如此惊人 1769 年,法国人 N.J.居纽 Cugnot制造了世界上第一辆蒸汽驱动三轮汽车;到 1804 的年,脱威迪克 Trouithick又设计并制造了一辆蒸汽汽车;到1883 年 10 月,德国工程师卡尔 .苯茨 KartBenz制成了第一辆苯茨专利机动车;再到 1886 年制成的世界上第一辆 “无马之车 ”,至此世界上第一辆汽油发动机驱动的四轮汽车就此诞生了。进入 20 世纪以后,汽车不再仅是欧洲人的天下了,汽车发明于欧洲,但获得大发展那是在本世纪初 30 年代的美国。美国人亨利 .福特 HeneryFord在 1908 年 10 月开始出售著名的 “T”型车,此间的1913 年福特汽车公司还首次推出了流水装配线的大 量作业方式,使汽车成本大跌,汽车价格低廉,不再仅仅是贵族和 有钱人的豪华奢侈品了,它开始逐渐成为大众化的商品。日本在此期间也大力 发展车工业,成为汽车行业的后起之秀,引起了世界的广泛关注。 而在我国,我国的第一辆汽车于 1929 年 5 月在沈阳问世,由张学良将军掌管的辽宁迫击炮厂制造。张学良让民生工厂厂长李宜春从美国购进 “瑞雪 ”号整车一辆,作为样车。李宜春将整车拆卸 ,然后除发动机后轴、电气装置和轮胎等用原车零件外,对其它零件重新设计制造,到 1931 年 5 月历时两年,终于试制成功我国第一辆汽车,命名为民生牌 75 型汽车,开辟了中国自制汽车的先河。 当今,随着汽车工业的迅猛发展,汽车的应用领域也不短的扩大。由军用到民用,应用的普遍性也越来越高,特种车辆也在各个行业扮演着重要的角色。同时,人们对特种车的安全性也提出 了越来越高的要求,使得车内的各种电子模块日益增多。通过各种电子系统可 以分别监控发动机以及传动系统的运行状况,当汽车相应部位发生故障时,便 可及时向驾驶员显示及报告,及时排除故障[1],有效的保证了汽车运行的可靠性[2]。目前汽车普遍采用的均为模拟表测量系统,显示数据不精确,并且功能 单一,存在很多安全隐患,为了解决哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - 2这些问题,模拟系统的数字化成为必然趋势[3]。 数字信号处理器( Digital Signal Processor,简称 DSP) ,以其强大的数据处理功能,逐步取代模拟信号处理器 ,成为当今各种领域的主流处理器。 本课题是采用 DSP 技术研究开发一种新型的汽车 动力智能监控系统。汽车动力智能监控仪不仅能够动态监测显示 发动机和发电机工作时的各种工作参数,如汽车发动机工作参数(包括发动机 机油压力、冷却水温度、油温及发动机转速等)和发电机电力参数(包括发电 机的输出电压、电流、功率及功率因数等) ,当汽车工作过程当中某 一个或多个参数超过了 设定值时,系统便会通过报警装置提醒驾驶人员,促使驾驶人员采取必要措施,排除安全隐患[4]。同理当某些参数超过了设定的停机值时,系统将自动切断电源迫使发动机停车,避免因发动机转速过高而导致安全隐患。 该系统设置了汽车动力监控系统远传显示器,主要目的是为了远程显示发电机以及发动机的运行情况,便于远程控 制。监控系统和远传显示器之间采用CAN 总线实现通讯功能。远传显示器可显示发 动机和发电机工作时的转速、油温、水温、油压、三相电压、三线电压 、三相电流、频率、功率、功因数等16 路参数,并且当主机有报警参数时远 传显示器也能显示并存储故障内容,提醒操作人员使汽车发动机和发电机能得到及时的保护。 该课题利用 DSP 强大的数据处理功能,实现汽车动力监控系统的数字化,当发电机或者是发动机发生故障时, 系统对其进行相应的保护操作,有效的保证了操作人员的安全,对进一步提高 了汽车的安全性和舒适度有十分重要的理论及实践意义。 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析 随着全球电子技术的发展,电子技术已经深入应用到汽车制造业当中。无论是在汽车动力系统、行驶参数、操控参 数以及车载影音娱乐系统都有着广泛的应用。尤其是在动力系统以及行驶过程 中各项数据的采集处理,更有着较高水平的应用。另外,随着网络化,集成控制技术广泛应用,通过 EMS 系统的主要单位的车辆控制 CAN 总线和其它控制系统,如安全系统(如 ABS(牵引力电子稳定控制系统) 、 ESP(电子稳定程序) ) ,底盘系统(如主动悬挂ABC(主动车身控制系统) ) ,巡航控制(速度控制系统) ,空调,保安,音频和其他系统互连网络信息共享和统一控制 的集成优化实施。在不久的将来,汽车将使用现有的无线通信平台,驾驶车辆 的通信网络,以提供更广泛的咨询,娱乐及其他增值服务(如 GPS 全球定位系统应用) 。 汽车发动机电子控制系统技术的汽车电子产品的关键技术领域,并占据汽哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - 3车电子市场的主要份额。由于环保政策, 能源政策努力增加限制,强烈的利用电子控制技术,汽车发动机电子控制系统产品的发展,是汽车行业的必然未来。在国际上,汽车发动机电子控制系统 和成熟的发展模式的规模。知名品牌的汽车厂商背后有着国际顶尖汽车零部件 制造商的支持,为客户提供全方位的汽车配件及相关服务。其主要特点归纳在以下几个方面 - 垄断性行业; - 产业链模式,集中化,配套化经营模式; - 高标准的生产成品。 目前,各大汽车厂商电子配套供应商如表 1-1 所示 表 1-1 汽车发动机电子控制系统产品链开发、配套机制 汽车整车制造 汽车电子产品配套 半导体产品供应 汽车电子计算机技术开发 北美通用、福特、戴姆勒等 德尔福 Motorola ADI、 ATI、PHYTFC 欧洲大众、宝马 Bosch Infineon ETAS、 TNO、Windriver 日本本田、丰田、三菱等 日本电装 Renesas 日立、三菱电机 由于我国汽车行业电子设备监控系统的应用起步较晚,自主研发的产品较国际水平还有一定的差距,主要都是在国 外研制的基础上,进行升级或改装。并且在目前市场中,仍然采用传统老式指 针式仪表进行显示。通过使用传统老式指针式仪表来显示汽车的运行状况以及各项参数 [6-7]。主要参数包括汽车的油压、油温、水温、转速等。传统指针显示,具有直观、结构简单、成本低、易于维修等特点。但不乏很多缺点, 诸如灵敏度低,环境适应能力较差,因此,在汽车仪表显示领域中,在应用传统指针有以下方面的特点。 通过指针式仪表只能简单的显示汽车的工作参数,当参数超过某个值时,并不能给出相应的保护操作。当需要增加 保护功能时,只能通过增加相应的报警装置。对于指针式仪表显示来说,各个 报警装置或者传感器之间的工作时相互独立的,并不能进行联动工作,如此便 导致系统的结构庞大,而且保护性能的可靠性不高。 对于传统的指针式仪表来说,最大的缺点在于显示的精度不够精确。由于模拟指针的固有缺陷,一般情况下压 力表,油温表以及水温表的精度最高为 4级。而转速表的最高精度也很难到达 1.5 级以上。另外,模拟指针器件维修比较困难,由于不同的仪表之间零部件的匹 配度比较低,维修将会显著地降低仪哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - - 4表的精度。 传统指针式仪表的功能单一性,不精确性以及抗干扰能力差已经无法满足用户以及生产厂家在汽车自动控制,功能 的多样性以及安全性能领域的实际需求。同时,功能多样、精确度高、抗干扰 能力强的仪表的出现,已经成为了汽车行业迫切的需求点。 随着市场的不断需求,国内有不少电子公司开始以 51 系列单片机为核心微处理器,构建汽车电子监控系统。国内 汽车电子监控系统监控参数主要包括以下内容 首先,实现对发动机运行参数的显示[8]。 通过数码管显示的方式,包括运行的 总时间、发动机的实时转速、水的即时温度、当前油压以及油温等参数。 其次,实现对相应超过指定门限的参数给出相应的报警以及信号灯的闪烁。当出现水温或油温超过指定极限、油压低于正常标准以及发动及转速过快。然后,实现发动机停止与启动,停止 与启动信号灯的亮与灭以及停止与启动信号的显示输出。自动控制停止状况主要包括以下两种情况 1.油压低于标准门限; 2. 发动机转速过快。由于以单片机为核 心的控制系统中,只需用改变系统软件便可实现不同功能的控制以及 监控,可方便的增加或者增强系统功能,具有很强的可编程以及系统重构性。 目前,国内汽车电子监控系统主要有以下特性 首先,基本以采用微处理器[9]作为电子监控系统的核心器件。其次,前端采用模数转换电路[10]将模拟信号转换为数字信号便于微处理器进行后续处理。然后,以液晶显示屏的方式显示具体的参数,较指针式精度有较高的提高。再次,停机以及报警参数极限值可设定。 对于不同厂家的不同型号的汽车来说 ,发动机的额定转速各不相同,但一般情况下最低不低于 750r/min,最高不高于 1800r/min。通过控制面板可方便的设置额定转速以及各报警的极限参数 值,便于同一套电子监控系统应用于不同的车型中,有效的减少了人力,财力的投入。 国内电子监控系统的不足主要包括 报警装置传感器的传感精度以及可靠性有待提高;在极端条件下稳定性以及抗干扰能力不足。 国外发动机技术发展比较迅速,电控燃油喷射技术在 20 世纪就已经得到了广泛的应用,由其时电控系统从“位置控制”到“时间控制”[15]的新发展阶段。采用 ECU 以及高灵敏度的现代传感器的应 用,可实现对运行参数的准确监控以及实现对发动机的精确控制以及反馈[11]。
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