abs电子控制单元硬件电路设计

.abs电子控制单元硬件电路设计

现在越来越多的人开始注意与人身安全紧密相关的设备，如ABS、安全气粪等。汽车制动防抱死系统，简称为ABS,是提高汽车被动安全性的一个重要装置。有人说制动防抱死系统是汽车安全措施中继安全带之后的最大进展，是提高汽车制动安全性的乂一重大进步。

ABS有的四大优点：

1.加强对车辆的操纵。装备有ABS的汽车，驾驶员在紧急制动过程中仍能保持

着专门大程度的操控性，能够及时调整方向，对询面的障碍或险情做出及

时、必要的躲避。而未配备ABS的车辆紧急制动时容易产生侧滑、甩尾等意外情形，使驾驶员失去对车辆的操纵，增加危险性。

2.减少浮滑现象。没有配备ABS的车辆在潮湿、光滑的道路上紧急制动，车轮

抱死后会显现车辆在路面上保持惯性连续向询滑动的情形。而ABS山于减少了车轮抱死的机会，因此也减少了制动过程中显现浮滑的机会。

3.有效缩短制动距离。在紧急制动状态下，ABS能使车轮处于既滚动乂拖动的

状况，拖动的比例占20%左右，这时轮胎与地面的摩擦力最大，即所谓的最

佳制动点或区域。一般的制动系统无法做到这一点。

4.减轻了轮胎的磨损。使用ABS排除了在紧急制动过程中抱死的车轮使轮胎遭

受不能修复的损害，即在轮胎表面形成平斑的可能性。大伙儿留心就会发

觉，在道路上留下长长刹车痕迹的是未装备ABS的车辆，而装备了ABS 的车辆，只会留下轻微的刹车痕迹，同时是一小段一小段的，明显减少了轮胎和

地面的磨损程度。

二?ABS的差不多工作原理

ABS通常都山操纵装置和ABS警示灯等组成。在不同的ABS系统中，制动压力调剂装置的结构形式和丄作原理往往不同，电子操纵装置的内部结构和操纵逻辑以及车轮转速传感器、制动圧力调剂装置都不尽相同。

在常见的ABS系统中，每个车轮上各安装一个转速传感器，将有关各车轮转速的信号输入电子操纵装置。电子操纵装置依照各车轮转速传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定，并形成相应的操纵指令。制动压力调剂装置要紧山调压电磁阀组成，电动泵组成和储液器等组成一个独立的整体，通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连。制动压力调剂装置受电子操纵装置的操纵，对各制动轮缸的制动压力进行调剂。

ABS的工作过程能够分为常规制动，制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大等时期。在常规制动时期，ABS并不介入制动压力操纵，调压电磁阀总成中的各进液电磁阀均不通电而处于开启状态，各出液电磁阀均不通电而处于关闭状态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态，而各制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的输出压力而变化，现在的制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同。

在制动过程中，电子操纵装置依照车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时，ABS就进入防抱制动压力调剂过程。例如，电子操纵装置判定右前轮趋于抱死时，电子操纵装置就使操纵右前轮刮动压力的进液电磁阀通电，使右前进液电磁阀转入关闭状态，制动主缸输出的制动液不再进入右前制动轮缸，现在，右前出液电磁阀仍末通电而处于关闭状态，右询制动轮缸中的制动液也可不能流出，右前制动轮缸的刮动压力就保持一定，而其它末趋于抱死车轮的制动压力仍会随制动主缸输出压力的增大而增大；假如在右前制动轮缸的制动压力保持一定时，电子操纵装置判定右前轮仍旧趋于抱死，电子操纵装置乂使右前出液电磁阀也通电而转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制动波就会通过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器，使右询制动轮缸的制动压力迅速减小右询轮的抱死趋势将开始排除，随着右前?制动轮缸制动压力的减小，右前轮会在汽车惯性力的作用下逐步加速；当电子操纵装置依照车轮转速传感器输入的信号判定右前轮的抱死趋势差不多完全排除时，电子操纵装置就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液电磁阀转入关闭状态，同时也使电动泵通电运转，向制动轮缸泵输送制动液，山制动主缸输出的制动液经电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的制动压力迅速增大，右前轮乂开抬减速转动。

ABS通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复而将趋于防抱车轮的滑动率操纵，在峰值附着系数滑动率的邻近范畴内，直至汽车速度减小至专门低或者制动主缸的常出压力不再使车轮趋于抱死时为止。制动压力调剂循环的频率可达3~20H乙在该ABS中对应于每个制动轮缸各有对进液和出液电磁阀，可山电子操纵装置分别进行操纵，因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调剂，从而使四个车轮都不发生制动抱死现象。

制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大这三个时期会在每秒内循环2 一6次，直至没有车轮抱死的顾虑。早期的系统操纵速率是相当低的，然而随着电子元件的进展，操纵速率能够提高，然而因为液压太低的关系，那个作用就抵消了。此外，操纵频率太高，可能会造成前、后轴的共振而损坏零件。

尽管各种ABS的结构形式和工作过程并不完全相同，但差不多上通过对趋于抱死车轮的制动压力进行自适应循环调剂，来防止被操纵车轮发生制动抱死。

汽车内安装的液压或气压制动器，称为常规制动装置。这种装置在紧急刹车时往往将车轮完全抱死，使车轮滑移(拖印)，从而使汽车制动停车距离相对延长, 并伴有制动跑偏、侧滑和失去转向能力等危及行车安全的现象发生。

常规制动系统的正常工作，是ABS系统工作的基础。若常规制动装置发生故障，ABS系统失效。若ABS系统发生故障，常规制动装置仍会正常工作，只是没有防止车轮抱死的功能而已。

三、ABS的理论分析

3.1制动时车轮的受力分析

1 ?地而制动力(F B)

如图3—1所示，Mp为制动器中的摩擦力矩，

V F为汽车瞬时速度，F B为地面制动力,G为车轮垂直载荷，C乙为地面对车轮的反作用力，r为车轮滚动半径，V R为

车轮圆周线速度（V R =CD I ）, Fs 为侧向力,3为车轮角速度,a 为侧偏角。

当汽车使用车轮制动器制动时，山于制动盘（鼓）与制动蹄摩擦衬片之间的摩 擦作用，形成了摩擦力矩M”，此力矩与车轮转动方向相反。车轮在的作用 下给地面一个向前的作用力，与此同时地面给车轮一个与行驶方向相反的切向反 作用力F B ，那个力确实是地面制动力，它是迫使汽车减速或停止的外力。由力 矩平稳原理可得到：

F 3=M w /r

2.制动器的制动力（Fp ）

若把车轮架离地面，这时阻止车轮转动的便是制动器的摩擦力矩21卩。山图1 可知：

F R =M g /r

制动器制动力是山制动器的参数决定的，并与制动踏板力（即制动时液压或汽 压压力）成正比。

3.地面制动力，制动器制动力

与轮胎道路附着力的关系

如图3-2所示为不考虑制动过程中 附着

系数值变化的地面制动力F B 、制 动器制动

力F 卩以及轮胎与道路附着力Fu 三者的关

系。由图可知，当驾驶员踩制 动踏板的力较小，制动器摩擦力矩较小时，车轮只做减速滚动，同时随着Mp 的增加，片和F B 也随之成正比增长，且在车轮未抱死之间，F B =F U ，现在环可 全部转化为地面制动力，但F B 不可能超过F?,即：

F B WF O 二"

G 乙

或地面最大制动力F 沁为

F B MF?

当制动器压力（制动踏板力）增大到某一值，F B 达到F?值，即地面制动力达到 最大值(F BHWC )时，车轮即开始抱死不转而显现抱死拖滑现象。当再增大制动器的 压力图3—2

睹板力心

时，F卩随M卩片的增长仍按直线关系上升(见图2中虚线上升段)。然而，F B 已达F

山上述分析知，要想获得好的制动成效，必须同时具备两个条件，即汽车具有足够的环，同时乂要有附着系数较高的路面提供足够的F B

3.2滑移率(S)与最佳制动状态

1.滑移率的定义及其表达式

所谓滑移率，是指车轮在制动过程中滑移成份在车轮纵向运动中所占的比例, 用“s“表示。其定义表达式为：

S=V F-V R/V FX I oo%

其中s为制动时车轮滑移率，VF为实际车速，VR为车轮滚动时圆周速率。

山上式可知:当汽车的实际车速等于车轮滚动时的圆周速度(V F二V R)时，滑移率为零(S=O),车轮为纯滚动；当V R=O时，S=100%,车轮完全抱死而作纯滑(移)动；当OvSvlOO%时，车轮既滚动乂滑动。

2.附着系数与滑移率的关系

在实际制动过程中，附着系数(

山实验还可知，当车轮处在纯滚动状态时，侧向附着系数最大，现在汽车保持转向和防止侧滑的能力最强。随着滑移率的增加，与制动过程方向稳固性有直截了当关系的侧向附着系数却急剧下降。当S=100%时，车轮抱死滑动，侧向附着系数变得极小，轮胎与路面之间的侧向附着力接近于零，车轮将完全丧失抗击外界侧向力作用的能力。现在，稍有侧向力干扰(如路面不平产生的侧向力，汽车重力的侧向分力，侧向风力等)，汽车就会产生侧滑而失去稳固性。

3.最佳制动状态

山上述分析，汽车制动时，若能将滑移率(S)操纵在最大附着系数所对应的滑移率

范畴内，即S为15%-30%时制动成效最佳。现在，不仅车轮的纵向附着系数最大，因而汽车获得的最大的地面制动力最大，制动停车距离相对最短；而且车轮的侧向附着系数也较大(侧向附着系数约为最大侧向附着系数的50%- 75%),因此可使汽车获得转向和防止横向侧滑所需要的侧向附着力，从而保持制动时的稳固性。

汽车在运行中，一般轮胎与道路的附着系数变化专门大，在结冰道路上为0.1, 在干混凝土道路上为0.8。在变化范畴如此大的道路条件下行驶，要使制动接近或达到最佳制动状态，单纯鼎驾驶员操作操纵是不可能实现的，只有机电一体化的防抱死制动系统(ABS),通过电子操纵器(ECU),车轮速度传感器和液压调剂器，对制动压力进行瞬时操纵(每秒约10次)，从而使汽车的实际制动过程接近于最佳制动状态成为可能。

四?ABS运算机差不多操纵系统

期望值

图4一1 典型运算机操纵系统

汽车防抱死制动操纵系统是一个典型的运算机操纵系统，它山上图所示的框图所构成，其核心部分是操纵器，它一方面要负责将传感器信号通过A/D转换或数字输入DI将信号采集道运算机的内存中去进行分析处理，另一方面要将操纵命令通过D/A转换或数字输出去驱动作动系统，而操纵器内部CPU通过软件编程来实现各种操纵算法，因此操纵器是操纵系统的关键，它的实现取决了所选取的运算机的类型。相关于ABS系统，对基于车轮加、减速度门限值的操纵方式而言，输入操纵器的信号是速度脉冲，它山传感器釆集感应出正弦信号，通过模拟电路的滤波整形修正为标准的系列方波信号，然后通过单片机的定时/讣数器端口或数字输入端口输入到单片机内存中去，也能够将方波信号通过频率/电压变换变为连续模拟电压信号后再通过单片机的A/D转换端口采集到单片机的内存中去。单片机内部的微处理芯片将输入

的各个轮速信号按一定的算法进行运算，如运算车辆参考速度和车轮角减速度，依照

这些值的大小确定岀相应的操纵命令，即压力增加、压力减小及压力保持，然后将操

纵信号通过数字输出端口DO输出，通过模拟电路的驱动功率放大就能够直截了当驱

动电磁阀，进而操纵制动压力。同时输出的信号中还包括警告指示等。ABS系统是

一类涉及车辆安全的系统，为保证这一系统的可靠性，操纵器本身还有一套附加的安

全检测系统, 一样附加一个CPU专门用于安全检测，它对工作CPU进行监测。例如

微处理器的功能检查：1.ROM区数据和RAM区数据输入输出的A/D转换的检查，

I/O 口的检查；2?电磁阀的检查，使电动机转动判定是否正常；3.电动机检查，使电

动机转动判定是否正常；4.确认各轮速传感器采集的信号是否合适正常；5.电源电

压的检查，当电压低于或高于工作电压承诺的范畴时，安全电路则向CPU送信息，

所有这些故障都能够向CPU发送输入信号，山CPU通过处理后，再发出相应的故障

代码，便于诊断和查找故障。

就LT前而言，实现汽车的操纵系统一样釆纳单片机运算机，在开发时期也有采

纳通用微机的，采纳微机在于能够利用微机强大的软、硬件资源以及网络功能实现复

杂操纵算法、高效的编程手段以及高速的运算速度。但作为研制的最终产品，无一例

外差不多上釆纳单片机作为操纵器的核心。所谓单片机确实是一块硅晶片上把CPU、

ROM、RAM中断操纵，定时/计数器，I/O以及A/D转换运算机部件和电路集成在

一起的智能器件，只需外接直流电源及时钟脉冲发生器就能工作。单片机在操纵领域

乂称微操纵器(Microcontroller),由于单片机体积小，重量轻，高可靠性，价格低廉，

使用方便，因此十分使用于开发汽车电子操纵系统。早期的汽车操纵系统采纳八位单

片机，LI前差不多过渡倒十六位，有些系统如发动机治理系统已开始采纳32位微机。

U前防抱死系统釆纳较多的单片机是摩托罗拉(Motorola)、英特尔(Intel)及西门子

(Simens)16位单片机。

当今16位嵌入式微操纵器以打开了市场，随着技术的积存和工业操纵的细致化、智能化、结构密集化，要求嵌入式系统有更高的处理速度和寻址能力，更好的电磁兼容性能，支持多任务系统。LI前推出的16位单片机确实是按照这些进展趋势的要求而设计的。

在速度上，新型16位微操纵器现在能够达到20MIPS的处理速度，如此高的处理

速度不仅仅因为时钟速度的提高，更要紧的式来源于结构上的流水线设讣。结构上的

改变能够在相同的时钟速度情形下大幅度提高实际处理速度。而适中的时钟速度关

于降低芯片和应用系统设计压力、提高电磁兼容和抗干扰性能、减小功耗等差不多上

有利的。

在寻址能力上，各大公司的产品都达到了24位的线性地址空间规模。在寻址方式上，支持间接寻址、扩展寻址、相对寻址和位寻址。

五.ABS电子操纵单元硬件设计

5.1 ABS操纵单元单片机的选择

操纵器的硬件一样釆纳单片机作为它的核心部件，所谓单片机确实是将中央处理器(CPU)、随机储备器(RAM)、只读储备器(ROM/EPROM)、定时器/讣数器和一些输入/输出(I/O)接口电路集成在一块芯片上的微型运算机，乂可称为微操纵器(MICROCONTROLLER) <>它的特点是操纵功能强，体积小，功耗小，成本低，因此它广泛应用于汽车电子操纵系统中。选择单片机应依照实际情形，一样要求有合理的性能价格比，在满足性能要求的前提下釆纳较低位的单片机，最大限度地利用单片机的资源。操纵器的核心便是单片运算机。

选用单片机要充分利用各种外部端口的资源，同时要利用内部的储备器、中断，充分发挥它的运算速度，要紧要考虑CPU的运算速度、内外部储备器以及输入、输出端口资源等。

CPU运算速度取决于主频及内部、外部数据总线的位数，LI前16位的单片机的主频能够达到50MHz,另外与CPU的结构有专门大关系，在常规的累加器结构中通常数据运算差不多上通过累加器来进行的，移进移出数据，将导致运算放慢, 而寄存器一一寄存器结构的CPU操作能够在内部寄存器之间进行，大大加快运算速度。CPU 的时刻一样消耗在数学运算过程中，专门式32位的浮点数运算，运算时刻成倍的增加，一样情形下应幸免釆纳浮点数运算，因为ABS系统要求运算频率专门高，一样5毫秒到10毫秒之间，CPU要完成各种运算，例如加减速度、参考滑移率等等，这种运算差不多上实时完成的。一样CPU的逻辑操作，如移位、输入、输出的操作都耗时较少。因此采纳实际有效的操纵算法是减少CPU耗时的关键。因此32位CPU 要比16位CPU性能好，运转速度快，但价格相应要高的多。另外采纳汇编语言要比采纳高级语言，如C语言、PL/M语言，要快的多，但编程效率低。因此选择CPU速

度要综合考虑。

同样的CPU类型其内、外部数据与程序储备器也是多样的。操纵器要依照需要选择不同的内、外部储备器，同时编程时要提高内存利用率，多用通用的变量, 少定义专用的变量，以节约内存。口前ABS系统的程序容量一样在8K?32K之间, 内存数据储存器在256个字节以上。进入90年代，已大批量使用带有ROH、EPROH、EEPROM、FLASH EEPROM和一次写入（OTP型）的单片机。绝大多数的批量产品不再使用总线外引式的单片机。它真正符合了单片机的小型、简单、可靠、廉价的设计初衷。

输入输出端口要充分地利用，假如使用不足则白费了资源，外部总线8位的单片机I/O资源太少，无法用于ABS系统，外部总线16位的单片机一样能够满足ABS 系统的要求，有些系统集成了防滑操纵系统，16位总线也差不多能满足要求。

针对ABS系统操纵，要求单片机具有操纵功能强、处理速度快、体积小、成本低等特点，本文中设计的是基于亿恒科技的C164CI及C505CA双CPU结构的ABS操纵器硬件电路。

5. 2 CPU的特点及系统的总体布置

ABS操纵器框图见图5—1,采纳双CPU结构，操纵器包括输入、输出、诊

断、通讯网络、系统电源治理五个大的模块及辅助模块。

图5 — 1 ABS操纵器系统框图

CPU是整个系统的心脏，它的性能决定了操纵器性能的优劣。□前绝大多数产品都采纳16位单片机。本文中选用的忆恒C161单片机是一款专门优秀的16 位单片机，高性能CPU结合功能丰富的外设，每秒可执行1250万条指令，其功能结构图如图5 — 2。在CPU时钟20MHz时具有下面的性能特点。

?带有4级流水线高性能16位CPUo 80ns最小指令循环时刻，大多数指令仅需1个循环，即两个CPU循环。16位乘16位需400ns （20个CPU循环），32位除16位需800ns （20个CPU循环）。在20MHz时处理能力达到10MIP：多级高带宽内部数据总线；带有多级可变的寄存器池的基于寄存器设讣；支持单循环上下文切换：16位数据/程序线性地址空间（冯?诺以曼结构）；

?带有自动堆栈上溢/下溢探测的系统堆栈缓存；带高效率的用于操纵的指令集；

位、字节子数据类型；灵活的有效的寻址模式；具有直截了当寻址6K 字节的增强的逻辑位操作，可用于外设操纵和用户定义标志；在运行时的硬件陷阱用于识别例外情形；HLL支持旗语操作和有效的数据访问；

?电源治理特点；可编程的系统减慢功能(SDD)；灵活的外设治理(单独关闭); 在睡

眠模式时通过外部中断唤醒功能：可编程系统频率输出

?集成在片存贮器。64K 字节在片可编程FLASH 或掩膜ROM 储备器；2K 字节内

部RAM(IRAM),用于变量寄存器池、系统堆栈和代码；2K 字节在片高速扩展 RAM (XRAM),用于变量、用户堆栈和代码；4K 字节在片数据FLASH/EEPROM 用于 non-volatile 变量；

?外部总线接口。独立或复用总线配置：段分配和片选信号产生；8位或16位 数据

总线；5个可编程地址空间的总线循环特点选择；

? 16位优先级中断系统。可达33个中断节点带有独立的中断矢量；在内部程

序执行时，240/400ns 中断等待时刻；快速外部中断；

? 8通道外设事件操纵器(PEC)o 中断驱动的单循环数据传递；传递计数选择;

排除中断要求的储备和复原系统状态的过载;

?智能在片外设子系统。8通道10位A/D 变换器，带有可编程转化时刻（最小

XRAM EEPROM r -------------------------- 7

I CAN Module I

图5-2 C164功能结构图

7.76M）、自动扫描模式、通道注射模式；GPT1三个16位定时器/计数器最大

辨论率为fcpu/8； GPT2两个16位定时器/计数器，最大辨论率为fcpu/4；具有独立时钟源的两个捕捉/比较单元，灵活的PWM发生器；同步/异部串行通道（USART）、带有波特率发生器、奇偶校验、错误检查；带有可编程数据长度和移位方向的高速同步串行通道；带有15个信息体的CAN模块（2.0 B 标

准）；实时时钟：可编程时刻间隔的监测定时器（看门狗定时器）；用于系统初始化的程序引导装载器；

?59个10引脚具有位寻址功能。输入模式具有三态；可选择输入门槛方式（不是所有引脚都有此功能）;可互补输出或开漏输出模式;可编程口驱动操纵（快 /减少边沿）

?不同的温度范畴。0~70弋-40"85°C -40"125°C；

?忆恒CMOSo低能耗的CMOS技术，包括休闲、睡眠、掉电模式；

?80引脚MQFP封装。0.65mm引脚间距，表面裸装技术。

C505CA是一款高性能的8位单片机，C505CA单片机在通用型C505A单片机的基础上增加了CAN操纵接口，是C500系列单片机最差不多的CAN操纵型单片机。其功能单元见图5 — 3。采纳了强化C500 CPU核，具有1K字节XRAM和8个数据指针；片内ROM为32K字节，3X16位定时/计数器，8X8位A/D转换器，Watchdog 定时器、串行I/O接口和多个并行I/O接口。C505CA单片机可广泛应用于工业操纵和汽车中的智能传感器。

图5-3 C505功能单元图

C505CA 单片机要紧特性如下：

?强化C500 CPU 核，与80C51/52单片机兼容； ?时钟频率：20MHz （指令周期：300ns ）；

?片内 ROM ： 32K 字节（C305CA ）；具有 ROM 爱护功能；0TP 型：C505CA-4E ；

? 片内 RAM ： 1 K 字节 XRAM ： C505CA ； ?数据指针：8X16位；

?寻址范畴：64K 字节程序和数据储备器；

?定时/计数器：3X16位；0TO 、Tl ： 0T2； 4通道比较/捕捉定时器CCU ： CC0、

CC1、CC2 和 CC3； PWM 功能; ? Watchdog 定时器；

? A/D 转换器：8X10位（C503CA ）； A/D 转换输入端可作数据输入端（PI ）； ?串行I/O 接口：全双工串/同步接口 USART ；可编程波特率发生器； ? 并行 I/O 接口： 4X8 位+2 位；4X8 位；P0、Pl 、P2 和 P3； 2 位：P4； ?中断：12个（4个优先级）；

? CAN 操纵接口： TX/RX 移动寄存器：位流处理器BSP ：循环校验码CRC 寄存

①-npo

乏

toddns

I/O

8 analoa inputs / 8 digit. I/O I/O

I/O

I/O (2-bit I/O port)

PortO Port 2 Port 3

Fort 4 Oscillator Watchdog A/D Converter

C505/C506C : 8-bit C505A/C505CA:10-bit

Timer 2

Full-CAN Controller

C505C/C50E

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