车辆电控大作业-发动机转速信号采集与控制

这是车辆电子控制技术的一个课程作业：

设计一个电控系统（硬件和软件），该系统可按照SAEJ1939采集发动机油门踏板和发动机转速信号，如果监测到的发动机转速超过1600rpm，则控制发动机转速稳定工作在1600rpm。

要求：画出电路原理图和PCB图（自行选择单片机、接口电路和绘图软件），给出相关的源程序（编程语言不限）。

备注：禁止任何形式的抄袭，如发现抄袭无论被抄袭者还是抄袭者，该作业一律0分。

发动机转速信采集与控制的设计

作业分析：为完成此项目，首先要确定硬件系统，从而利于进行软件的设计；第二了解SAEJ1939通讯协议，以便进行发动机油门踏板信号和发动机转速信号的解析；第三进行软件编程，实现对硬件系统的初始化，通过CAN总线接收油门踏板信号与转速信号的数值，控制电路实现对发动机稳定转速1600rpm的控制。

（一）硬件系统设计

系统核心MCU采用MC9S12XDP512单片机，负责采集传感信号，实现CAN总线通讯，输出信号控制输出电路。整车硬件系统采用MC9S12XDP512单片机，由频率量采样电路、模拟量采样电路、驱动电路、CAN总线通讯电路组成，通讯速率250kps。

图1 硬件系统原理

频率量采样电路实现对发动机转速、空气流量传感器等具有脉冲输出的功能信号的采集，同时也能实现对开在信号的采集。

模拟量采样电路可以实现对怠速、点火、启动、空档、空调等开关信号的采集，也能实现对空气流量传感器、曲轴、凸轮轴、节气门等位置传感器信号的采集，还能实现对进

气、冷却液等热电阻温度传感器信号的采集。

驱动电路实现对电磁喷油器的PWM控制，对电动汽油泵继电器的通断控制。

CAN总线接口电路实现与整车总线的连接，采集发动机转速、油门的开度信号；实现数据的上传；实现软件升级下载。

1. 供电电路设计

图2 供电电路设计

设定车载供电为24V，电压波动范围是16V至32V。如果车载供电电压为12V，则将LM2937－12的输入与输出短接即可。在此电路设计中增加输入电压钳位保护，利用SMCJ36A将输入电压保护在36V以下，实现对LM2575的保护；利用SMAJ6.0A将单片机工作电压保护在6V以下，防止在调试时操作不当，由于电压过高损坏单片机。

车载传感器可由VCC或+12VDC、+24VDC供电。

2. CAN总线电路设计

图3 CAN总线电路设计

相对而言，PCA82C251相对其它芯片TJA1050、TJA1040、具有更广范围的供电电压，

因此选用82C51。这终端电阻设置在总线拓扑的首尾，并在CANH和CANL上，通常而言总线距离在500m内这两个电阻为120Ω，由于车辆内部总线长度不会超过500m，因此装甲车辆的CAN总线的终端电阻为120Ω。

在总线上，串联两个5.1欧的电阻，起到限流作用，保护82C51，同时增加保护二极管PESD1CAN。

3. 模拟量采样电路设计

图4 模拟量采样电路设计

模拟量输入与开关信号输入共用电路。实现对0－5V信号的AD转换，以及0－24V开关信号的检测。此电路也可实现对频率量的检测，只需将电路与单片机的输入捕捉通道连接即可，对MC9S12而言，接到PT通道即可。

4. 驱动电路设计

图5 额定电流3.7A最大瞬态电流12A驱动电路设计

驱动电路设计了两类，一类是驱动小电流负载的，额定电流为3.7A，但实际中会降额使用，一般不大于2A电流的负载会使用这个电路，对于喷油的电磁阀是适用的。当负载电流大时，可以使用图6的驱动电路。

图6 额定电流44A最大瞬态电流90A驱动电路设计

这两个驱动电路，均具有状态反馈功能，控制信号加上后，是否输出24V，这是可以通过反馈的开关信号检测的。这有利于实现故障诊断功能。

利用软件Altium Designer(16.0)完成了四层板的设计，如图7所示。

图7 四层板设计（隐藏了中间两层）

（二）信号解析

根据作业要求，要确认SAEJ1939协议中发动机油门踏板和发动机转速信号的形式，因此查《SAE-J1939-71协议》查到如下相关章节：

5.3.6电子发动机控制器#2：EEC2

传输循环率：50ms

数据长度：8 字节

数据页面：0

PDU格式：240

PDU特定：3

默认优先值：3

参数群数编号：61443（00F00316）

1 状态—EEC18-7未定义

字

节

6-5道路速度极限状态 5.2.6.76

4-3AP 换低挡装置开关 5.2.2.5

2-1AP低空转开关 5.2.2.4

2加速器踏板（AP）位置 5.2.1.8

3当前载入百分比 5.2.1.7

4远程加速器 5.2.1.59

5-8未定义

5.3.7电子发动机控制器#1：EEC1

传输循环率：由发动机速度决定

数据长度：8 字节

数据页面：0

PDU格式：240

PDU特定：4

默认优先值：3

参数群数编号：61444（00F00416）

1 状态—EEC18-5未定义

字

节

4-1发动机/减速器扭矩模式 5.2.2.1

2主动轮命令发动机—扭矩百分比 5.2.1.4

3实际发动机—扭矩百分比 5.2.1.5

4-5发动机速度 5.2.1.9

6针对发动机控制的控制设备源地址 5.2.5.298

5.2.1.8加速踏板位置

这是指加速踏板的实际位置和最大踏板位置的比值。虽然它是用于输入对传动系统的要求，但它也可以为传动和ASR算法提供关于驱动器操作的预设信息。

数据长度：1字节

分辨率：0.4%/位递增，从0 % 开始计算

数据范围：0%到100%

类型：测量值

可疑参数编号：91

参考： 5.3.6

5.2.1.9发动机转速

这是指转过720度最小曲轴角的速度除以气缸的数目所得到的实际发动机转速。

数据长度：2字节

分辨率：0.125 rpm/位递增，从0 rpm开始计算（高位字节分辨率=32 rpm/位）

数据范围：0到8031.875 rpm

类型：测量值

可疑参数编号：190

参考： 5.3.7

J1939是一种支持闭环控制的在多个ECU之间高速通信的网络协议冈。主要运用于载货车和客车上。它是以CAN2.0为网络核心。表1介绍了CAN2.0的标准和扩展格式，及J1939协议所定义的格式。表1则给出了J1939年的一个协议报文单元的具体格式。可以看出，J1939标识符包括:PRIORTY(优先权位)；R(保留位)；DP(数据页位)；PDU FORMAAT(协议数据单元)；PDU SPECIFIC(扩展单元)和SOURCE ADDRESS(源地址)。而报文单元还包括64位的数据场。

表1CAN2.0的标准和扩展格式及J1939协议所定义的格式

由表1：可得到如下计算CAN总线帧标识符的公式：

CAN_ID = [占3位的优先级(P)00B]H‘+’[参数组编号(PGN)D]H‘+’[源地址]H

注：B为二进制；D为十进制；H为16进制，最终均强制转换为16进制。

‘+’代表字符串按顺序联接在一起。

对于油门位置信息：优先级3，参数组编号61443D，源为00H，即来源于发动机1则AcceleratorPedalPosition=[01100B]H‘+’[61443D]H‘+’[00H]H

=0CH‘+’F003H‘+’00H

=0CF00300H

因此可以得到：

（三）软件设计

1. 硬件的资源分配

在设计软件之前，一定先进行硬件的资源分配，即进行信号采集，通讯，控制输出等的通道配置。如表2。

表2 控制器硬件资源分配

2. 软件流程分析

实际的发动机转速控制是很复杂的，为简化处理，假定喷油器控制使能时，代表喷油量增大，转速增加，喷油器控制清零时，代表喷油量减小，从而转速减小。程序流程如图8。

图8 发动机转速控制流程

3. 程序设计要点分析

（1）总线标识符的设定

为了实现程序的良好维护性，一般定义标识符，以代替实际的数字帧号。

//定义加速踏板位置（油门）CAN总线标识符AcceleratorPedalPosition，ID号0CF00300

unsigned long AcceleratorPedalPosition =

(((0x0CF00300<<1)&0x3FF80000)<<2)|((0x0CF00300<<1)&0x000FFFFF|0x00180000);

#define AcceleratorPedalPosition_0 ((AcceleratorPedalPosition&0xFF000000)>>24)

#define AcceleratorPedalPosition_1 ((AcceleratorPedalPosition&0x00FF0000)>>16)

#define AcceleratorPedalPosition_2 ((AcceleratorPedalPosition&0x0000FF00)>>8)

#define AcceleratorPedalPosition_3 (AcceleratorPedalPosition&0x000000FF)

对于XDP512单片机而言，是由CAN0TXIDR0、CAN0TXIDR1、CAN0TXIDR2、CAN0TXIDR3是来保存扩展帧的标识符的。

总线扩帧：为上图蓝色与红，第0字节为MID28-MID21；第1字节为MID20-MID18+空2位+MID17-MID15；第2字节为MID14-MID7；第3字节为MID6-MID0+空1位。

因此对于扩展帧标识符的定义是：

(1)整个标识符左移1位，(0x0CF00300<<1)，是为了空出第3字节的最低的空1位；

之后再按位与0x3FF80000，((0x0CF00300<<1)&0x3FF80000)，是为了得到高11位，其余位均去除；

之后再左移两位，(((0x0CF00300<<1)&0x3FF80000)<<2，是为了空出第2字节的中间空的两位。这样就得到了待存入标识符寄存器中的31－19位；

(2)整个标识符左移1位，(0x0CF00300<<1)，是为了空出第3字节的最低的空1位；

之后再按位与0x000FFFFF，(0x0CF00300<<1)&0x000FFFFF，是为了得到低20位，其余位去

除，注意第19位为扩展标识位，扩展帧时必须为1，因此不是按位与0x0007FFFF。

之后再按位或，((0x0CF00300<<1)&0x000FFFFF|0x00180000)，即可得到低20位在标识符寄存器中的排列。注意，第20位，扩展模式下，设置为1，因此是按位或0x00180000。

(3)将1、2步得到的值按位或，即得到所需符合S12单片机所要求的标识符。

(((0x0CF00400<<1)&0x3FF80000)<<2)|((0x0CF00400<<1)&0x000FFFFF|0x00180000)

同理得到发动机转速CAN总线标识符。

//定义发动机转速CAN总线标识符EngineSpeed，ID号0CF00400

unsigned long EngineSpeed =

(((0x0CF00400<<1)&0x3FF80000)<<2)|((0x0CF00400<<1)&0x000FFFFF|0x00180000);

#define EngineSpeed_0 ((EngineSpeed&0xFF000000)>>24)

#define EngineSpeed_1 ((EngineSpeed&0x00FF0000)>>16)

#define EngineSpeed_2 ((EngineSpeed&0x0000FF00)>>8)

#define EngineSpeed_3 (EngineSpeed&0x000000FF)

（2）关于总线数据的过滤处理

总线上存在大量数据，如果对总线上的数据都进行接收中断，则会使大量无关的数据进入，产生总线中断，造成单片机的运行效率下降，如果只让有用的信息进入，同时阻止无用的数据进入，这就要用到总线标识符接收寄存器，CANIDAR，和标识符屏蔽寄存器CANIDMR。

本设计只接收加速踏位置与发动机转速的信息，因此设置2个32位过滤器。只允许这两帧信息进入CAN0总线的中断。

//接收屏蔽设置只允许加速踏板位置，即标识符0x00CF00300的数据进入滤波器0

CAN0IDAR0 = AcceleratorPedalPosition_0;

CAN0IDAR1 = AcceleratorPedalPosition_1;

CAN0IDAR2 = AcceleratorPedalPosition_2;

CAN0IDAR3 = AcceleratorPedalPosition_3;

CAN0IDMR0 = 0x00;

CAN0IDMR1 = 0x07;

CAN0IDMR2 = 0x00;

CAN0IDMR3 = 0x07;

//接收屏蔽设置只允许发动机转速，即标识符0x00CF00400的数据进入滤波器1

CAN0IDAR4 = EngineSpeed_0;

CAN0IDAR5 = EngineSpeed_1;

CAN0IDAR6 = EngineSpeed_2;

CAN0IDAR7 = EngineSpeed_3;

CAN0IDMR4 = 0x00;

CAN0IDMR5 = 0x07;

CAN0IDMR6 = 0x00;

CAN0IDMR7 = 0x07;

说明：CAN0IDAR用于存放待接收的基本标识符，CAN0DMR用于设定与基本标识符相比，可接收的标识符能在哪些位与基本标识符不同，某位为1，则0、1均可进入，为0，则必须该位与基本标识符一样才能进入，如果基本标识符该位为0，则进入的信息该位也必须为0。如果基本标识符该位为1，则进入的信息该位也必须为1。但CAN0DMR1、3、5、7的低3位必须全为1。

（3）主程序

#include /* common defines and macros */

#include /* derivative information */

#pragma LINK_INFO DERIVATIVE "mc9s12xdp512"

#include

#include

#include

#include

#include

void main(void)

{

SystemInitialize(); //系统初始化

EnableInterrupts; //开中断，以利于总线CAN0接收信息

for(;;)

{

CheckSystemCurrentState(); //检测系统当前状态

if(EngineState==Running)

{

OilPumpPowerOn(); //汽油泵通电

OilPumpLowSpeedRunning(); //汽油泵低速运转

GetEngineSpeedInformationByCAN0(); //通过CAN0获取发动机转速信息if(EngineSpeedValue>1600) //如果发动机转速值大于1600rpm {

DecreaseInjectionOilValue(); //则减小喷油量

}

if(EngineSpeedValue<=1600)

{

IncreaseInjectionOilValue(); //如果不大于1600rpm

//则增大喷油量

}

}

if(EngineState==Stop) //如果发动机熄火

{

OilPumpPowerOff(); //汽油泵断电

}

} /* wait forever */

/* please make sure that you never leave this function */

}

（4）关键子程序的设计

检测点火开关的子程序

//检测系统当前状态

void CheckSystemCurrentState()

{

//通过AD0－AN00通道检测点火开关值

EngineFireSwitchValue=ResultsLimiteFilter(AD0,AN00,limiteValue);

if (EngineFireSwitchValue>RunningValue) //开关电压高于512时

{ //则认为点火成功

EngineState=Running;

}

else

{

EngineState=Stop;

}

}

总线中断程序

#pragma CODE_SEG NON_BANKED/**/

void interrupt 38 CAN0RxISR(void)

{

unsigned char length,i;

length = (CAN0RXDLR & 0x0F); /*确定所接收到的数据的长度*/

WhichFiterHit=(CAN0IDAC & 0x07);

switch(WhichFiterHit)

{/**/

case 0:

{

//命中滤波器0,则进入的信息是加速踏板位置信息

//设最大位置为100，换算当前位置值

//分辨率为0.4

AcceleratorPedalPositionValue=CAN0RXDSR1*0.4;

}break;

case 1:

{

//命中滤波器1,则进入的信息是发动机转速信息

//换算当前转速值

//分辨率为0.4

EngineSpeedVale=(CAN0RXDSR3*256+CAN0RXDSR4)*0.125;

}break;

default:

break;

}/**/

CAN0RFLG = 0x01; /*清零接收缓冲区满标志位,这样才可以接收新数据到缓冲区*/ }

#pragma CODE_SEG DEFAULT

系统初始化程序

void SystemInitialize(void)

{

IOInitial(); //IO输入输出配置

CAN0Initial(); //CAN0初始化,配置通讯速率为250kps ATD0Initial(); //AD0初始化,10位AD转换

EnableCAN0RxInterrupt(); //使能CAN0接收数据中断

}

其它文件请详见文件夹。