燃料電池城市客車用整車控制器

1、燃料電池城市客車用整車控制器燃料電池城市客車用整車控制器清華大學汽車工程系汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室孫鴻航朱元田光宇周偉波摘要:本文介紹了美國Cygnal公司新近推出的單片機C8051F020在汽車整車控制器中的應用。在分析了整車控制器的功能需求后，研制出了控制器的硬件平臺，并在此硬件平臺上搭建了實時操作系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)框架，實現(xiàn)了各個功能模塊的軟件設計，包括數(shù)據(jù)采集、控制器局域網(wǎng)(CAN)總線通信和控制策略數(shù)值計算等。關鍵詞關鍵詞:C

2、8051F020；整車控制器；實時操作系統(tǒng)；RTX51整車控制器的功能分析整車控制器的功能分析本文的汽車整車控制器是為國家863重大專項——“燃料電池城市客車”開發(fā)研制的。燃料電池城市客車的結構如圖1所示。與傳統(tǒng)汽車的主要不同是動力源由發(fā)動機改為電動機，同時由燃料電池和輔助電池組合提供電能。這樣車上的主要能量轉換方式就是將電能轉換成機械能。汽車的整車控制器是整個汽車的大腦，它接受到駕駛員的踏板信號和其它信號，然后作出相應的判斷，控制下層

3、各個部件作出動作，驅動汽車正常行駛，并盡可能實現(xiàn)比較高的能量效率。所以說整車控制器是整個汽車的核心控制部件，它的優(yōu)劣直接影響著汽車的可靠性和其它性能。圖1燃料電池城市客車結構簡圖（略）圖2整車控制器功能框圖（略）在此，首先分析一下燃料電池城市客車整車控制器的功能需求。第一，整車驅動系統(tǒng)由驅動電機、燃料電池、蓄電池、DCDC轉換器等部件組成，各個部件之間的信號通過CAN總線來傳遞，因而整車控制器必須具有CAN總線接口；第二，雖然采用CAN

4、總線可以大大簡化系統(tǒng)的布線復雜程度，但從實時性和安全性的角度出發(fā)，有一部分信號還要由整車控制器直接采集，包括制動踏板、油門踏板以及其它一些數(shù)字量信號；第三，整車控制器還要提供一些對相應部件進行直接控制的信號通道，包括DA轉換和數(shù)字量輸出等等；第四，為保證駕駛員的安全操作和對汽車控制的可視化，采用了外接液晶顯示器以及觸摸屏的方式來顯示一些重要的信號量，因此選用了一個串行通信口(UART)。C8051F020的主要功能和資源的主要功能和資源

5、基于以上的功能分析，我們最終選用了Cygnal單片機的特點，C8051F020型號的單片機作為整車控制器的核心器件CPU。其主要功能和資源包括：多達32路12位ADC(速度為100kHz)或高達500kHz的8位ADC；2路12位DAC和2路模擬比較器；內部高精度基準電源、可編程增益放大器和溫度傳感器；精確的VDD監(jiān)視器；4K片內RAM、64K片內FLASH以及64K外部數(shù)據(jù)存儲器接口；64位IO口線，所有口線均可編程為弱上拉或推挽輸出

6、；可同時使用的硬件SMBUSI2C串行總線和SPI串行總線及兩個UART串口；16位可編程計數(shù)器定時器陣列帶5個捕獲比較模塊；5個通用16位計數(shù)器定時器；專用的看門狗定時器和雙向復位等等；獨特的數(shù)字交叉開關陣列(DigitalCrossbar)，可將內部系統(tǒng)資源定向分配到P0，P1和P2；其內部資源的功能框圖從略。整車控制器的功能框圖（略）通過比較整車控制器的功能需求和Cygnal單片機的特點可知，C8051F020芯片是一款非常適合用

7、于汽車整車控制器的芯片。根據(jù)該單片機的特點，我們設計了控制器的整體框架(如圖2)。首先，在外部總線上擴展了一片32K的RAM，設計采用61C256，這樣的RAM容量足夠滿足實時操作系統(tǒng)及所需控制參數(shù)和變量的需求。其次，我們選用獨立的CAN控制器芯片SJA1000擴展了一個CAN接口，用于和各個部件之間進行數(shù)據(jù)通信。同時，由于C8051F020的很多片內資源都是和數(shù)字IO口復用根據(jù)整車控制器所需完成的功能，我們結合RTOS分解其各項功能并

8、制定出相對獨立的任務。目前，我們制定了以下幾個任務：任務0系統(tǒng)初始化及控制策略數(shù)值計算：初始化單片機的相關配置，啟動所有其它的任務。隨后進行控制策略的數(shù)值計算。任務1發(fā)送CAN信息：當任務0完成了控制策略數(shù)值計算后，通過CAN總線發(fā)送相應的控制命令。任務2模數(shù)轉換AD：采集油門踏板和制動踏板的信號，并進行數(shù)字濾波。這些信號將提供給任務0進行控制策略的計算。任務3數(shù)字量的輸入和輸出：讀入鑰匙位置、緊急開關信號等數(shù)字量，輸出Ready等信號

9、。這些信息將提供給任務0來判斷汽車應該選擇的工作模式，同時在液晶屏幕上進行相應的狀態(tài)顯示。任務4故障診斷：判斷單片機系統(tǒng)工作是否正常，CAN通信是否正常，并且給出相應的報警信號。中斷1接收CAN信息：接收其它控制器節(jié)點發(fā)來的CAN信息，并且按照CAN協(xié)議把接收到的數(shù)據(jù)信息進行相應的轉換。上述各任務的程序流程圖從略。結語結語C8051F020這款單片機具有較快的運行速度和豐富的內部資源，非常適合用于汽車整車控制器的開發(fā)。我們在搭建出其硬件