基于单片机的汽车防抱死控制器设计
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摘要：汽车电子中应用到单片机的地方非常广泛，例如胎压检测、制动系统、abs防抱死系统、GPS导航系统、发动机智能电子控制器等。例如丰田汽车利用单片机来进行雷达探测行人、障碍物，系统通过刹车和方向控制车体。在遇到紧急刹车也难以避开行人或障碍物时，自动控制系统可改变车体方向，从而避开冲撞。根据防抱死制动控制系统的工作原理,应用汽车单轮运动的力学模型,分析了制动过程中的运动情况。采用基于车轮滑移率的防抱控制理论,根据车速、轮速计算车轮滑移率。以MSP430F149单片机为核心,完成了输入电路、输出驱动电路及故障诊断等电路设计,阐述了ABS系统软件各功能模块的设计思想和实现方法,完成了ABS检测软件、控制软件的设计,汽车防抱死制动控制系统已通过模拟试验台的基本性能试验。结果表明:汽车防抱死制动控制系统的硬件电路设计合理可行,软件所采用的控制策略正确、有效,系统运行稳定可靠,改善了汽车制动系统性能,基本能够满足汽车安全制动的需要。
中图分类号：U461 文献标识码：A
引言
随着国民经济水平的提高，汽车的行驶速度、道路的行车密度都有所增加，这就促使人们对行车安全提出了更高的要求。统计资料显示，目前的道路交通事故中，约有百分之十左右的事故是发生在汽车制动过程中的。
汽车防抱死制动系统，也就是ABS系统，是一种主动制动装置，其利用电子控制技术，在汽车制动过程中最大可能性的维持汽车的制动效率和操作稳定性，以防车轮因抱死而出现偏离行车轨道或者发生甩尾等。
汽车防抱制动系统(Anti-lock BrakingSystem，ABS)可以有效防止车辆在制动过程中出现车轮抱死的状况，从而避免因车轮抱死而导致的转向失灵和甩尾等危险，保证车辆的安全制动。其中，控制器(即电控单元，ECU)是整个ABS的控制核心，也是ABS开发过程中的主要关键。传统的ABS开发过程需要大量的整车道路试验来验证ABS的控制软件功能，受人力和物力的限制，使得ABS的开发周期相当长。
单片机又被称为微控制器，被广泛地应用到了工业控制领域上，对于电子技术的发展起到了极为重要的作用。虽然只是集中在一块芯片上，但是单片机是一个完整的计算机系统，具有定时器、通讯接口、外存、外部总线系统、中断系统、内部总线系统、内存、CPU等，甚至还有些单片机还集成了网络、图像、声音的输出输入系统。从最早的4位、8位单片机开始，目前已经发展到32位300M的高速单片机。 现代人们的生活中离不开单片机的身影，无论是机械产品，还是电子产品，几乎都会集成有单片机。汽车配备40多部单片机，而鼠标、键盘、手机、掌上电脑、电子玩具、电话、家用电器、计算器等都配有1-2部单片机，对于那些较为复杂的工业控制系统而言，甚至会有数百台、数千台单片机在同时工作。
一、防抱死制动系统工作原理分析
汽车的制动液压调节器主要包含以下几个部件：调压电磁阀、电动液压柱塞、储液室、低压储能室、电动液压泵、单向阀等。在制动系统进行常规制动时，调压电磁阀和电动液压泵不通电，进液电磁阀状态为流通，出液电磁阀状态为断流。这种方式的制动主要依靠自制动主缸输出的制动液在进液电磁阀的驱动下进入制动轮缸，改变制动轮缸的压力，实现汽车的常规制动。
一旦需要进行防抱死制动，电子控制单元，也就是ECU系统，会对车轮转速传感器输入的速度信号进行判定，如果判定结果为需要进行制动防抱死，则控制制动轮缸相应的进液或出液电磁阀进行通电换位，并自动判断处理，实现防抱死。
其技术实质就是将传统制动过程转变为瞬态控制过程。当汽车制动时，其车轮速度会明显限于车身的速度，这种情况就会导致车轮在地面的滑移，若量化指标为滑移率，则防抱死系统就是根据车轮相对地面的滑移率进行瞬时制动。当滑移率为百分之八到百分之二十五时，制动性能最佳，汽车防抱死控制器就是将滑移率控制在最佳范围内，保证汽车不会因制动而发生侧滑或者甩尾等现象1。
二、防抱死控制器硬件部分实现
2.1基本理论
汽车的防抱死控制器是整个ABS系统的核心部件，它可以实现对传感器传入的速度信号的实时分析，进而确定车轮的转速、加速度等信息，结合其他配件传入的路面信息，防抱死控制器可以根据内在的逻辑进行情况分析和判断，并发出适当的控制信号，经过特定电路进行制动压力调节，实现不同制动状态的切换，保证汽车的安全行驶。具体而言就是，防抱死控制器中的单片机对不同部位的传感器传入的信息进行数据分析和处理，然后根据分析结果确定控制输出信号，该信号通过驱动电路进行放大后对进液或者出液电磁阀进行制动压力调节，如减压、增压或保压等，实现制动状态的实时切换2。
同时，控制器部分还能够对各部件的功能进行动态监测，故障判断或处理。一旦某一部件工作出现异常，则在显示端发出警报，并控制制动系统由防抱死制动转向常规制动。
本文中的控制器采用单片机型号为MSP430F149，该系列单片机的优势在于其具有集成度、抗干扰性强、功率损耗低、I/O接口和中断源丰富等，这些特性可以帮助简化外部电路，实现最优设计。该单片机的特性为系统的各模块完全独立，任一模块需要主CPU配合工作时都可以以中断的方式调用CPU，这样就能在无情况下保证CPU的低功耗运行3。
本文所采用的传感器均为变磁阻式电磁式传感器，这种传感器的优势在于几乎不受温度和灰尘等外部环境的影响。传感器获得信息可以直接送至计数测量模块进行数据处理，传感器与单片机内部电路之间采用光电耦合器耦合，可以减小干扰。
2.2实现方式
汽车制动时，ECU单元对传感数据进行分析，判断是否有抱死倾向。一旦出现抱死倾向，ECU发出控制信号控制车轮的进液和出液电磁阀进入适当状态，保持制动轮缸的制动压力。如果该方式无法解决抱死，则ECU控制进液和出液电磁阀的电位进行转换，减小制动轮缸的压力，同时控制液压泵工作，将制动液泵回制动主缸，促使制动踏板出现抬升或反弹，减小制动压力，降低车轮抱死程度。但是这种减压过程也不是一直持续的。一旦车轮转速达到设定门限值后，ECU可以通过控制指令重新调整进液和出液电磁阀，保证汽车车轮制动的保压、减压、增压为一个适当的循环过程，实现防抱死的目的4。
三、防抱死控制器软件实现部分
借鉴当前的数据编程方式特点及代码高效性要求，软件部分的实现可以利用C语言和汇编语言进行混合编程实现，其中常规部分可以利用C语言通过代码转换变为汇编语言，对于实时性或者准确性较高的部分，可以直接进行汇编语言编写。
软件系统主要实现功能为：车轮转速采集、防抱死轮速处理、相关模块控制实现等。
分析硬件实现，可以看到，防抱死实现主要利用逻辑门限值的方法，故如何选取门限值是系统实现最为主要的部分。车轮抱死主要出现在角加速度超过某一限定值时，也就是值，利用实验的方式确定该值的上限值和下限值，分别设定上限值和下限值为ECU单元的对比值，超过上限值时进行减压处理，低于下限值时进行增压处理，实现保压、减压、增压过程5。
鉴于防抱死控制器对系统的可靠性要求较高，故应该编写相应的自检测代码和自修复代码。在汽车启动时，自检系统首先对各模块进行监测，确定是否有故障，若无故障，报警灯不提示，若发现故障，确定故障出现在软件部分还是硬件部分，利用重启初始化的方式确认是否能够排除故障，若无法排除，控制报警灯发出警告信号6。
结束语：
本文设计分析了一种基于逻辑门限值的，以单片机为控制核心的汽车防抱死控制器，该控制器控制实现方式简单，计算量小，便于工程实现，可以实现较好的控制效果。
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