尋跡小車中分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

本文將介紹一種應(yīng)用于尋跡小車的分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)可對(duì)電機(jī)模塊、傳感器模塊和燈控模塊進(jìn)行分布式控制。這樣設(shè)計(jì)是為該系統(tǒng)將來(lái)從尋跡小車到真車進(jìn)行移植提供方便。

此尋跡小車模型采用7.5V電池驅(qū)動(dòng)，通過(guò)改變PWM占空比調(diào)速。小車可以在不完全確定的道路環(huán)境下，通過(guò)自我判斷，對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，并做出相應(yīng)的反應(yīng)（如左拐彎、右拐彎和改變速度等）。目前用在機(jī)器人上的多為價(jià)格較貴的超聲波傳感器和紅外傳感器等，本設(shè)計(jì)采用價(jià)格便宜的反射式光耦傳感器來(lái)完成對(duì)周圍環(huán)境的感知。此外，小車還具有良好的導(dǎo)航系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。因?yàn)樵谲嚿砜刂葡到y(tǒng)中控制對(duì)象多而且分散，若采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的集中控制方式，控制模塊與被控對(duì)象之間就需要大量連接電纜，會(huì)導(dǎo)致車內(nèi)布線復(fù)雜且制造和安裝困難，并存在故障隱患。分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)控制對(duì)象的位置來(lái)設(shè)計(jì)控制模塊，從而縮短了控制對(duì)象與控制模塊之間的距離。各模塊間通過(guò)LIN總線來(lái)通信，該方式僅需要一根線作為通信線。此外，分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還可降低單板的靜態(tài)電流，增加單板的穩(wěn)定性。

圖1 分布式車身控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 主控制器模塊硬件原理圖

1 主控制模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本控制系統(tǒng)被分成主控模塊和三個(gè)子模塊（傳感器模塊、電機(jī)控制模塊和燈控模塊）。其中主控模塊主要檢測(cè)車身主體部分控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并根據(jù)這些控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制策略，然后將控制命令通過(guò)CAN總線和LIN總線發(fā)送給相應(yīng)的子模塊，之后根據(jù)各子模塊反饋的負(fù)載狀態(tài)判斷是否存在故障，若有故障則報(bào)警顯示。同時(shí)，CAN總線接收上層CAN網(wǎng)絡(luò)的某些信息。主控制模塊的微控制器采用了可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的汽車專用芯片XC164CS，其內(nèi)部集成了CAN的控制器。圖2是主控制模塊的硬件原理圖。

2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制模塊的設(shè)計(jì)

電機(jī)控制模塊中的微控制器采用的也是XC164CS，這是由于該系列微控制器中都有相應(yīng)的單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，相當(dāng)方便。本設(shè)計(jì)使用了兩路電機(jī)控制小車的后輪驅(qū)動(dòng)和前輪轉(zhuǎn)向。對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制采用了電機(jī)控制接口芯片TLE6209，它的內(nèi)部集成了一個(gè)H型橋式電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)制動(dòng)。16位微控制器XC164CS通過(guò)內(nèi)部的CAPCOM模塊產(chǎn)生一個(gè)10kHz的PWM信號(hào)給TLE6209，觸發(fā)H橋電路。

3 傳感器模塊的設(shè)計(jì)

傳感器模塊中采用了微控制器XC866，主要用來(lái)采集8個(gè)傳感器的值，傳送給主控制板的XC164CS進(jìn)行處理，然后產(chǎn)生相應(yīng)的策略改變PWM占空比對(duì)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向電機(jī)做出相應(yīng)的控制。同時(shí)，還要完成對(duì)通信模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，其硬件框圖如圖3所示。

圖3 傳感器模塊硬件框圖

當(dāng)反光板反射式光電開(kāi)關(guān)CNY70檢測(cè)到給定的白色（或黑色）路線時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的電平信號(hào)，經(jīng)XC866采集再通過(guò)LIN總線傳送給主控制器。

系統(tǒng)通信

小車的各個(gè)電子控制單元之間通過(guò)LIN總線和CAN總線連接。

本系統(tǒng)中CAN收發(fā)器采用了TLE6250G，電機(jī)信息的傳輸需要高速的數(shù)據(jù)傳輸率（200Kb/s）以達(dá)到實(shí)時(shí)控制電機(jī)的要求。CAN的數(shù)據(jù)發(fā)送速率高達(dá)1Mb/s，可工作于只接收模式和空閑模式，具有優(yōu)良的EMC特性和各種保護(hù)功能；而LIN總線因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸率較低以及從確保高安全性能的角度來(lái)考慮并不合適。

圖4 串行通信/LIN總線硬件電路

使用CAN、LIN結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以兼顧C(jī)AN總線實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、通信速率快、互操作性好、靈活性高和LIN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，更好地搭建汽車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用了TLE6258系列LIN總線收發(fā)器，它作為介于協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，特別適合在汽車和工業(yè)應(yīng)用的LIN系統(tǒng)中用來(lái)驅(qū)動(dòng)總線，且可用于標(biāo)準(zhǔn)的ISO9141系統(tǒng)。TLE6258提供空閑模式以減少電流損耗，通過(guò)在總線上發(fā)送喚醒幀，可把主機(jī)或從機(jī)從空閑模式喚醒，返回到正常的操作模式。圖4是本系統(tǒng)的LIN總線硬件電路圖。

如圖4所示，系統(tǒng)通過(guò)接插件K1在串行通信和LIN總線通信之間進(jìn)行選擇，TXD0（串行發(fā)送）和RXD0（串行接收）信號(hào)來(lái)自微控制器。當(dāng)TXD0和RXD0同TLE6258接通時(shí)，系統(tǒng)與LIN總線連接，而與MAX232連接時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行串行通信功能。圖4中INH是禁止輸入引腳，高電平有效，收發(fā)器引腳TxD接收來(lái)自微控制器引腳TXD0的數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送至總線，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行自接收，并通過(guò)引腳RxD將自接收的數(shù)據(jù)反饋給微控制器。微控制器接收到反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)后調(diào)用接收中斷，接收中斷不斷發(fā)送和自接收數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)LIN總線的通信。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信主要是主模塊向三個(gè)模塊發(fā)送控制命令和三個(gè)子模塊向主模塊反饋狀態(tài)數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中各個(gè)ECU通過(guò)CAN總線發(fā)送接收命令，實(shí)現(xiàn)相互通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享等。軟件設(shè)計(jì)基于DAVE和KEIL軟件編寫，程序主要由CAN初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)三部分組成，如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

結(jié)論

本設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)分布式車身控制系統(tǒng)的基本功能，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。此外，這一設(shè)計(jì)思想同樣也適用于真車的控制。汽車電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，將促使CAN、LIN和正在發(fā)展的更高速、具有容錯(cuò)性的總線技術(shù)有機(jī)組合，構(gòu)成安全、舒適，更滿足人們需求的汽車網(wǎng)絡(luò)。