汽車電子限速器的技術原理分析與設計

　　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，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種限速器的實現(xiàn)原理及設計方法。

1 限速器實現(xiàn)原理

　　由于早期的汽車是沒有限速功能的，所以在設計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。為了設計出這樣的限速器，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、節(jié)氣門機構，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實現(xiàn)對節(jié)氣門的調(diào)節(jié)，實現(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計方案就在踏板傳感器和ECU這兩個環(huán)節(jié)之間實現(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計的限速器。

　　限速器可通過鍵盤和顯示等人機界面預置速度上限值Vm。當啟動限速器工作后，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構，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習算法，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，得出相應的行駛速度值Vx。將Vx與預置的速度上限值Vm比較。

　　圖3所示為速度控制狀態(tài)曲線圖。假設Vx由0開始逐漸增大，在未達到Vm時，Vy曲線和Vx曲線完全重合。當Vx >Vm時，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。在設計中，限速器中的觸點1和觸點2為常閉開關,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 限速器的硬件設計

　　從限速器的實現(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，并對采集的信號進行濾波、計算等處理；同時，限速器根據(jù)采集信號處理后的結果，輸出相應的電信號提供給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，需要實現(xiàn)限速器工作模式、報警器工作模式和關閉模式的功能。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置的速度上限值Vm，實現(xiàn)限速控制；處于報警工作模式時，只需監(jiān)測油門踏板傳感器信號，結合預置的速度上限值Vm，實現(xiàn)超速時報警。

　　(3)人機交互功能

　　限速器需具備顯示、鍵盤、語音報警輸出等人機交互方式功能。

　　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，限速器的核心本設計選用具有強大功能的MSP430F169單片機，其內(nèi)置有高速的12位ADC和DAC，能單片實現(xiàn)限速器的功能，無須再擴展外部模塊，即可提高系統(tǒng)運行的可靠性，降低系統(tǒng)成本，非常符合限速器的功能需求。

　　實現(xiàn)限速器功能的主要模塊分析如下：

　　(1)信號處理單元

　　油門踏板傳感器實際上是一個角度傳感器，可提取瞬間油門踏板的位置信號，并將其轉化為電壓信號傳遞給發(fā)動機控制器。以磁阻式油門踏板傳感器為例，為了將角度變化轉化為電壓信號，磁阻元件往往做在同一塊基片上接成三端式結構，且在片上一定高度處放一半圓形的磁鋼，其結構如圖5所示。當主軸帶動磁鋼旋轉時，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,從而有電壓信號從兩個磁阻元件中點輸出,經(jīng)過后面信號處理電路對此輸出的電壓信號進行放大。通過調(diào)節(jié)后級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，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，限速器信號處理原理圖如圖7所示[2]。踏板傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過運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)轉換，實現(xiàn)模擬信號的采集。限速器將踏板傳感器的電信號采集后，用IIR濾波算法對其進行濾波，進行自學習算法計算、處理后，得到汽車行駛速度Vx，并與設定的限速值Vm比較,以比較的結果決定輸出模擬信號輸出的大小。輸出信號通過MSP430F169的D/A輸出引腳DAC0輸出,利用MSP430F169內(nèi)部的12位DAC實現(xiàn)數(shù)模轉換，并通過運算放大器提升輸出模擬信號的驅(qū)動能力。