由于各種原因，公交車總是不斷重復(fù)加速-減速或停車-再加速的過程,。通過加裝本節(jié)能裝置,，當汽車需要制動時，在主控單元的控制下,，可將汽車行駛時具有的巨大動能通過空氣壓縮機轉(zhuǎn)化成高壓氣體的勢能并儲存起來,，從而實現(xiàn)汽車減速或停車。當汽車需要啟動或加速時,，用儲存起來的高壓氣體勢能代替燃油來驅(qū)動汽車,，從而實現(xiàn)汽車能量的回收再利用，達到節(jié)能的效果,。同時由于汽車在起動或加速時能耗最大,，如果汽車是用燃油驅(qū)動，則此時油料燃燒不充分,，燃燒效果最差,，而且產(chǎn)生的噪音最大。
　　系統(tǒng)工作原理

　　本系統(tǒng)主要由三部分組成,，即檢測部分,，控制部分和執(zhí)行機構(gòu),。檢測部分包括踏板位置傳感器、曲軸位置傳感器,、壓縮機活塞位置傳感器,、汽車運行速度傳感器、儲氣罐壓力傳感器等信號的檢測,。執(zhí)行機構(gòu)主要包括雙向可控電磁閥和電磁離合器,。控制部分主要由ARM微處理器組成的控制系統(tǒng)及一些外圍電路構(gòu)成,。本文主要介紹該系統(tǒng)的控制部分。該裝置的作用就是將剎車時本應(yīng)由摩擦來消耗掉的汽車動能,，改為由氣體的勢能來消耗,，在啟動時，利用剎車時儲氣罐內(nèi)儲存的高壓氣體勢能來驅(qū)動汽車行走,，當車速到達一定值如20km/h時,，再切換到由汽車發(fā)動機驅(qū)動的模式。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　由于該節(jié)能裝置需檢測的模擬量較多,，如儲氣罐內(nèi)的壓力,、制動踏板的位置、車速,、活塞運行位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù),，而且有些是需實時監(jiān)控的，如儲氣罐內(nèi)的壓力等,，需要使用多任務(wù)執(zhí)行方可實現(xiàn),，而普通單片機無法滿足這一要求。因此需根據(jù)實際情況,，選用合適的處理器芯片,，加上各種數(shù)據(jù)和程序存儲芯片構(gòu)成最小系統(tǒng)。同時,，增加數(shù)據(jù)采集,、顯示、通信接口,、控制執(zhí)行單元和電源管理模塊等,，來組成一個完整的控制系統(tǒng)。由于目前汽車應(yīng)用CAN現(xiàn)場總線比較廣泛,，因此,，為了與汽車的控制系統(tǒng)連接的方便，還增加了CAN總線接口,，由此構(gòu)成了整個硬件系統(tǒng),。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示,。

　

　　圖1 系統(tǒng)框圖

S3C44BOX

　　由于設(shè)計要求系統(tǒng)能隨車采集信號，并進行實時監(jiān)控,，對主控模塊的要求較高,，因此主控制模塊應(yīng)當是以高性能的微處理器為核心而組成的一個最小系統(tǒng)。根據(jù)具體應(yīng)用的要求,，實際應(yīng)用的反映情況,，選用了Samsung公司的ARM芯片S3C44BOX，其主要性能如下：

　　Samsung公司推出的16/32位RISC處理器S3C44BOX為一般類型的應(yīng)用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案,。為了降低成本,，S3C44BOX提供了豐富的內(nèi)置部件，包括:8KB的Cache,，內(nèi)部SRAM, LCD控制器,，帶自動握手的2通道DART, 4通道DMA，系統(tǒng)管理器(片選邏輯,，F(xiàn)P/EDO/SDRAM控制器),，帶有PWM功能的5通道定時器，I/O端口,，RTC, 8通道10位ADC,，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口,，同步SIO接口和PLL倍頻器,。

　　S3C44BOX的突出特性是它的CPU核，是由ARM公司設(shè)計的16/32位ARM7TDMI RISC處理器(66MHz),。ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)的特點是它集成了Thumb代碼壓縮器,，ICE (In Circuit Emulator)斷點調(diào)試支持，和一個32位的硬件乘法器,。

　　數(shù)據(jù)采集單元

　　數(shù)據(jù)采集單元的作用就是對需要的模擬信號進行采集,、處理后送到處理器進行處理。在該單元中,，核心是對模擬信號的調(diào)理,。由于系統(tǒng)要采集到汽車的儲氣罐內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)、制動踏板的位置數(shù)據(jù),、車速,、離合器切合位置和油門踏板位置等數(shù)據(jù)，因此需要多路數(shù)據(jù)采集通道,。各通道的數(shù)據(jù)必須完成信號的調(diào)理后,，才能送到處理器進行處理。該采集單元的信號采集通道框圖如圖2所示,?！　?br />


圖2 信號采集通道

　　控制執(zhí)行單元

　　控制執(zhí)行單元的功能主要是接收處理器發(fā)出的數(shù)字量,，經(jīng)過隔離及驅(qū)動后，送到執(zhí)行機構(gòu)如電磁閥,、繼電器,、離合器等來使行相應(yīng)的動作。功能框圖如圖3所示,?！　?br />


圖3 控制執(zhí)行單元

這一級相對來說較為簡單，但為了防止外界對系統(tǒng)的干擾,，須采用隔離,。隔離器件采用普通的光電禍器即可，系統(tǒng)中采用TLP521-1,。

　　數(shù)據(jù)顯示模塊

　　在系統(tǒng)的設(shè)計中,，為了對采集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，使得調(diào)試更為方便,、直觀,，因此增加了數(shù)據(jù)顯示模塊,。S3C44BOX集成了LCD (Liquid Cristal Display)控制器,，該控制器支持在LCD上的單色、4級,、16級灰度,、256色的顯示，具有很強的通用性,，S3C44BOX的LCD控制器的作用是將緩存中的數(shù)據(jù)傳送到外部的LCD驅(qū)動器,，并產(chǎn)生必須的LCD控制信號。LCD控制器可以編程支持不同水平和垂直點數(shù)(640×480,，320×240,，160×160等)、不同數(shù)據(jù)線寬度,、不同接口時序和刷新速率的LCD,，支持4位雙掃描、4位單掃描,、8位單掃描模式,，并支持水平/垂直滾動，以用來支持更大的屏幕顯示(如1280× 1280),。

　　由于不同尺寸的LCD具有不同數(shù)量的垂直和水平象素,、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)寬度,、接口時間和刷新率,，S3C44BOX中的LCD控制器可以對相應(yīng)的寄存器值進行編程,，以適應(yīng)不同的LCD顯示板。LCD控制器邏輯框圖如下圖4所示,。



圖4 LCD控制器邏輯框

　　電源模塊

　　在本系統(tǒng)設(shè)計中,，由外部供給系統(tǒng)單一的9V電源，通過三端穩(wěn)壓AS1117-5.0, AS1117-3.3和AS1117-2.5,，分別得到5.0V, 3.3V以及2.5V,。AS1117系列穩(wěn)壓器最大能提供800mA電流，由于本系統(tǒng)功耗較低,，最大需求電流不超過300mA,，因此用AS1117足以滿足系統(tǒng)的供電需求。另外的兩套±15V電源由DC/DC變換器供給,?？紤]到系統(tǒng)中有數(shù)字電路和模擬電路，由于數(shù)字電路的電流變化較快,，容易產(chǎn)生脈沖干擾,，從而影響模擬信號的采樣精度，因此應(yīng)把數(shù)字地和模擬地分開,。

　　調(diào)試接口

　　S3C44BOX內(nèi)嵌JTAG測試電路,，使得調(diào)試起來非常方便。JTAG是一種國際標準測試協(xié)議,，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進行仿真,、調(diào)試，JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù),，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路TAP (Test Access Port,，測試訪問口)，通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進行測試,。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起,，形成一個JTAG鏈，能實現(xiàn)對各個器件分別測試,。JTAG接口還常用于實現(xiàn)ISP(In System Programmable)功能,，如對Flash器件進行編程等。

　　目前JTAG接口的連接有兩種標準,，即14針接口和20針接口,，在本設(shè)計中，采用的是14針的接口,。該接口主要通過下載電路與計算機的并行口相連,，在集成開發(fā)環(huán)境之下，使用相應(yīng)的JTAG下載代理軟件就可以用來進行系統(tǒng)調(diào)試，而不需專門的仿真器,，這樣可以降低開發(fā)的成本,。

　　通信單元

　　在系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到數(shù)據(jù)傳送,、下載以及調(diào)試的方便,，增加了串行通信RS-232C接口。另外,，考慮到系統(tǒng)升級的方便,，以及為了與現(xiàn)在流行的汽車總線接口的方便，增加了CAN現(xiàn)場總線的接口,。

　　本系統(tǒng)中選用MAX232,。MAX232可以實現(xiàn)TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。由于在實際應(yīng)用中,，器件對電源噪聲很敏感,，因此MAX232的VCC引腳必須要對地加0.lmF去耦電容，另外,，為提高抗干擾能力,，添加了四個l0mF電容，在連接在內(nèi)部電源引腳輸出端,。MAX232芯片第7, 8引腳接入分別到串行口的第3, 2引腳;9, 10引腳接處理器的RXD, TXD引腳,，實現(xiàn)與處理器的連接。

　　需要注意的是,，MAX232是5V器件,，而處理器芯片是用的是3V供電,，因此需要考慮電平轉(zhuǎn)換,，否則將無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)。由于Maxim公司已經(jīng)注意到這點并推出了專用3V供電的器件MAX3232C,，利用它就可以無需考率3V到5V的電平轉(zhuǎn)換問題,。MAX3232C與處理器的接口電路如圖5所示。

　　

圖5 RS-232C與處理器的通信接口電路　　

系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　在本系統(tǒng)中,，主程序是整個程序的核心,，擔負著系統(tǒng)的運行、控制的主要任務(wù),，需要對其控制流程進行仔細考慮,，以完成所需的控制要求。

　　在程序開始時,，首先對系統(tǒng)進行初步的初始化,。之后，采集各種數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否正常，如果正常,，則顯示數(shù)據(jù)并等待中斷,，根據(jù)中斷轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。如果數(shù)據(jù)不正常,，則通過報警來提示用戶檢查數(shù)據(jù),，直到數(shù)據(jù)正常才執(zhí)行其他程序。如果一切正常,，且沒有剎車和啟動等控制,，則可以與其他設(shè)備進行通信等操作。具體的流程見圖6所示,?！　?br />


圖6 系統(tǒng)總程序流程圖

　　系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

　　要達到良好的系統(tǒng)控制效果需要在系統(tǒng)設(shè)計中非常注意它的抗干擾性和可靠性。本系統(tǒng)由于采用高速ARM作為核心處理器,，它的高頻信號不僅容易受到干擾,，而且也會成為系統(tǒng)的干擾源，因此有必要對整個系統(tǒng),，特別是ARM部分的抗干擾及保護做更多的處理,。

　　硬件部分，控制系統(tǒng)的電源及功率驅(qū)動部分抗干擾措施主要就是從防和抗兩方面入手,。其總原則是：抑制或消除干擾源;切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道;降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性,。抗干擾設(shè)計的具體措施包括：隔離,、接地,、屏蔽、濾波等常用方法,。

　　軟件部分,，本系統(tǒng)的軟件主要采用了以下幾種軟件抗干擾設(shè)計：

　　軟件陷阱法

　　測試系統(tǒng)在遇到外界干擾時，往往會導致運行程序進入程序存儲器的空白區(qū)(即無指令區(qū)),，這種現(xiàn)象叫做程序"跑飛",。于是在各子程序之間、各功能模塊之間和所有空白處,，都寫上連續(xù)3個空操作指令(nop),，后接一無條件轉(zhuǎn)移指令，一旦程序跑飛到這些區(qū)域,，就會自動返回執(zhí)行正常程序,。

　　程序的冗余設(shè)計

　　在程序存儲器的空白區(qū)域，寫入一些重要的數(shù)據(jù)表和程序作為備份,，以便系統(tǒng)程序被破壞時仍有備份參數(shù)和程序維持系統(tǒng)正常工作,。由于TMS320LF2407A的數(shù)據(jù)存儲以數(shù)據(jù)頁為基準,，如果對不同數(shù)據(jù)頁的數(shù)據(jù)進行操作而不指定相應(yīng)的數(shù)據(jù)頁，會導致程序跑飛,。因此需要對程序未使用滿的數(shù)據(jù)頁進行填充,，防止數(shù)據(jù)頁混亂導致的系統(tǒng)誤操作。

　　加裝了能量回收再利用裝置后,，當汽車在加速或重新起動初期,，可以利用存儲的高壓氣體驅(qū)動汽車，不需要燃料,，可以較少汽車尾氣對環(huán)境的污染,。因此，該裝置不僅可以節(jié)約能源,，而且有利于環(huán)保,。