S3C44B0X微处理器在汽车防抱死控制系统中的应用

引言：基于ARM微处理器和µC/OS-Ⅱ开发的嵌入式防抱死制动系统具有实时性好，可靠性高等特点，能在很大程度上提高控制器的可靠性和车辆的制动性能。 一 S3C44B0X微处理器和µC/OS-Ⅱ操作系统的结合是我们开发的基础。 1、微处理器：一个成功的汽车电子控制单元，取决于设计时对所用微处理器的选择。现代发动机和自动变速箱的电子控制单元一般需要采用32位的CPU来处理实时算法。而在汽车的底盘、安全和车身系统等领域，就可以根据控制的复杂程度使采用16位或者32位两种微处理器。但是，底盘控制器在其大部分工作时间内，要对传感器进行扫描，而CPU又必须时时刻刻能够提供相应的处理能力，能在仅仅几个毫秒的时间内完成整个判定程序，并起动应用程序。三星公司的S3C44B0X是一种主频达66MHz的高性能微处理器，具有丰富的接口资源，已经在众多行业得到了高性价比的验证。据悉，在上海浦东张江已经有某家汽车产品开发公司在使用该微处理器开发汽车相关控制方面的产品。 2、编程语言：在过去，软件工程师们开发基于8位处理器和16位处理器汽车电控单元时，大多采用汇编语言来编制程序。而当今随着开发周期的缩短和软件复杂性的提高，使得设计师们不得不采用PLM，C语言等高级语言，总的看来，汽车嵌入式系统的开发中，软件的趋势是向C语言发展。将µC/OS-Ⅱ移植到ARM7TDMI微处理器上所采用的是可产生可重入代码的C编译器，而且因为操作系统本身其代码大部分就是用C语言编写的 3、操作系统：控制器设计师必须分析控制性能对操作系统的要求。随着嵌入式系统复杂程度的增加，汽车工业将采用实时操作系统RTOS和更复杂的软件开发工具。高度综合的娱乐、话音识别和路况引导系统，早已用实时软件处理来自用户和通信信息源的异步输入。但是，汽车嵌套系统的设计师们还是抱怨，对于容量大而存储器少的车辆控制系统，商用的RTOS还是太大，功能也过多。为了解决这些抱怨，欧洲汽车制造商们规定OSEK标准为汽车嵌套控制器开发的公共平台的应用编程接口。（OSEK的名称来源于德国的一种叫法：“车内电子设备的开放系统和接口 ”）。一种免费的源代码公开的实时操作系统µC/OS-Ⅱ于上世纪90年代初应运而生，国外界内专业人士已经在非常广泛的领域使用了该操作系统，适用于该操作系统的芯片几乎包含了全球各主要芯片生产商，如Intel，AMD等，国内同行较多在Motorola芯片上成功使用了该操作系统，越来越多的用户已经在Intel的16位微处理器比如8XC196KC上成功的实现了µC/OS-Ⅱ的运行。 基于此，我们选择三星公司的这种微处理器和已经得到广泛应用的源代码公开的操作系统来开发我们的电控单元。 二 防抱死制动系统的控制原理 一般的，防抱死制动系统就是在每一个车轮上车轮转速传感器，用以测量转速。这些传感器将车轮转速转变为电信号输入电控单元，而在每一个车轮附近都安装有开关电磁阀，电控单元根据转速信号计算车轮和车辆本身的运动状态，当发现车轮制动趋于抱死时，就向这些或常开或常闭型的电磁阀发出电信号，以执行开或关的动作，使得一部分制动液从制动轮缸中流出，从而减小轮缸的制动压力，即减压；在制动压力减小到一定程度时，车轮抱死趋势消除，就保持制动轮缸的制动压力，即保压；当车轮在惯性作用下又加速到一定程度时，在增大制动轮缸的制动压力，即增压；当车轮又被制动到趋于抱死的状态时，再执行减压过程，如此往复循环，确保车轮在制动过程中得到最大的路面附着力，最短的制动距离，避免了抱死现象的发生。下面是某车型防抱死制动系统结构分布图（图一）： 三 硬件设计 ABS 的硬件原理图见图二 1、MCU：该控制器所采用的微处理器为Samsung公司的S3C44B0X，采用0.25µmCMOS工艺，其CPU采用ARM公司的主频为66MHz并带8KB缓存的ARM7TDMI RISC结构，支持片上ICE中断调试，并具有32位硬件乘法器。它还有两个DMA通道，5个PWM定时器及1个内部定时器，8个外部中断源，8个10位的ADC，71个通用I/O口；另外，在能耗控制方面的性能显得尤为突出，它总共有四种能量控制模式，包括正常、低、休眠和停止。片上ICE中断调试支持JTAG调试方式，是该微处理器最显著的特点，这也是与以往单片机开发方式最明显的区别之一。它的接口资源也及其丰富，有IIS总线接口，I2C总线接口，同步串行I/O口。 2、ROM电路：采用AM29F010-120/BUA(32)型DIP－32封装的Flash，既可以满足ABS数据容量的需要，又可以为后续设计扩容。见图三： 图三 扩展ROM电路 3、UART电路，S3C44B0X有2个带DMA和中断的UART，即有两路TXD1、RXD1，TXD0、RXD0；支持5位、6位、7位、8位串行数据传送与接收及传送与接收时的双向握手；每一个通道有2个内部32位FIFO。 4、电磁阀（12V）驱动电路，电机（12V）驱动电路 用最新AG4的ECU电磁阀专用驱动芯片。 四 软件设计：软件设计是整个ABS电控单元设计的核心。因为采用该32位的微处理器，在很大程度上是为了简化硬件的结构，并可以利用其丰富的I/O和接口，在现有基础上实现底盘集成控制系统的研制。为了充分协调各项控制功能并提高CPU的利用率，软件采用模块化设计，将每一模块当作一独立的任务来管理。 1、 控制逻辑的进一步分析：ABS的主要任务是控制逻辑算法以保持高制动力，同时通过调整产生符合要求的侧倾力以保持车辆的操纵稳定性。这些信息要靠制动及回转时对附着系数－滑移率（µ－s）曲线和车辆行驶状态的假定来获得。控制规则是要对车轮转速进行调节而不是制动压力，它解决了车轮制动压力到底要减少多少这个问题。如果车轮减速太快，那么就意味着制动压力的减少；而又因为制动压力的减少，车轮又会加速，那么相应的制动压力又会增长。压力的增加要逐步进行，以减少车轮运转状态中瞬时现象的影响，而如果减速度很大的话，就可以快速减少制动压力。为了更好的进行控制逻辑的研究和改进，要建立各项模型，并对其逻辑进行纯软件仿真。 2、 操作系统的移植： 1） 程序下载至Flash的过程：要在ARM7的Boot模式下把程序装入AM29F010，此时该Flash的地址为0x70000000，CS0是其片选信号。ARM内部有个128B的ROM，存放初始化ARM内部COM口的程序，还有一个2K的SRAM。采用Boot模式启动ARM后，初始化程序即对COM口进行初始化，并从该口接受2K程序到内部SRAM，程序接受完毕即自动跳转到这段2K程序执行，用这段程序再次初始化内部COM口，然后就可以通过该COM口接受µC/OS-Ⅱ到DRAM了，完成了这些过程，就可以把程序由DRAM装入AM29F010了。装入完毕后，要将模式切换到运行一般程序用的Normal模式，并重新启动系统，改变模式后的Flash地址变为0x00000000，重新启动后的系统会自动跳到该地址开始运行µC/OS-Ⅱ。 2） 用typedef声明10个数据类型（OS_CPU.H），并用＃define声明三个宏： ＃define OS_ENTER_CRITICAL（） ARMDisableInt（） ＃define OS_EXIT_CRITICAL（） ARMEnableInt（） ＃define OS_STK_GROUTH 1 以C语言编写6个与µC/OS-Ⅱ相关的函数。包括OSTaskStkInit（），OSTaskCreateHook（），OSTaskSwHook（），OSTaskStatHook（），OSTimeTickHook（）； 3) 用汇编语言编写4个和S3C44B0X相关的函数。包括OSStartHighRdy（），OSCtxSw（），OSIntCtxSw（），OSTickISR（）； 五 总结 本文从实时性的角度描述了采用S3C44B0X微处理器和µC/OS-Ⅱ操作系统开发防抱死控制器的基本过程。主要分析了防抱死控制原理和操作系统的移植，并给出了部分硬件电路原理图。经过硬件在环仿真初步验证了软硬件的可行性，实践证明，采用实时操作系统以及基于ARM7TDMI核的32位微处理器，大大的提高了系统的实时性能，并使得系统的扩展有了更大的可行性和更优的简易性。真正的嵌入式系统，将在汽车电子控制单元的开发中得到更为广泛的应用。 参考文献： 1. 嵌入式系统构件 （美）Jean J.Labrosse 著 袁勤勇 黄绍金 唐菁 等译 机械工业出版社 2002年2月第一版 2. 嵌入式系统编程源代码解析 （美）Dreamtech 软件研发组 著 王勇 盖江南 阎文丽 等译 电子工业出版社 2002年9月第一版 3. µC/OS-Ⅱ——源码公开的实时嵌入式操作系统 Jean J.Labrosse 著 邵贝贝 译 中国电力出版社 2001年8月第一版 4. 2001年嵌入式系统及单片机国际学术交流会论文集 沈绪榜 何立民 主编 北京航空航天大学出版社 2001年10月第一版 5. S3C44B0X RISC MICROPROCESSOR 用户手册 英文版 6. 嵌入式系统设计与实例开发——基于ARM微处理器与µC/OS-Ⅱ实时操作系统 王田苗 主编 清华大学出版社2002年9月第一版 7. 汽车理论 余志生 主编 机械工业出版社 8. 其它网络资料