纯电动客车状态监测系统的研究.doc

纯电动客车状态参数监测系统
李红，邵金菊
山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049
摘要：纯电动客车的信号采集系统，可实时监测车辆工作状态，为整车控制策略研究和故障诊断打下基础。针对纯电动客车信号监测问题，提出了一种信号监测方案。实验仿真结果表明：信号监测方案的芯片选型及硬件电路连接正确，且可用汇编语言在LY-51S开发板上仿真，以证明信号采集系统软硬件的可行性。
关键词：纯电动客车，单片机，信号监测，KeilC51软件仿真
中图分类号：TP23 TK05 文献标识码： T
The electric vehicle condition，s monitoring system
Li hong Shao jin ju
The university of technology and science，Zibo，255049，China
Abstract: Electric vehicle signal acquisition systems can monitor vehicle operating state in real-time. And it also lays the foundation for the vehicle control strategy and fault diagnosis. For this problem, it proposes a signal monitoring program. Simulation results show that: chip selection of the signal monitoring program and the hardware circuit is connected correctly, so it demonstrates the feasibility of signal acquisition system hardware and software.
Key words: Electric buses, Microcontroller, Signal acquisition, KeilC51 software simulation字典
收稿日期：2011-6-24
基金项目：基金项目类别(项目编号)
作者简介：第一作者姓名 李红（1989.11.28）， 性别 女， 职称 无， 学位 学士，E-mail:lihong9012@ ；
通讯作者：姓名 李红， 性别 女. E-mail: lihong9012@
随着汽车保有量急剧升高，能源和环境问题日益突出。汽车的节能减排问题备受关注，而纯电动客车的研究发展则是当今汽车工业藉以解决能源、环保问题的重要途径[1]。纯电动客车的信号检测系统，可实时监测车辆工作状态，在出现故障时进行提示报警，为整车控制策略研究和故障诊断打下基础。目前，国际上发达国家在信号检测方面已经取得了辉煌的成就，并已广泛的应用于挖掘机等工程车辆上[2、3]。但是，我国在车辆监控领域中的研究开展的比较晚，实际上还处于起步阶段。而近年来出现的以单片机为核心的监测和诊断系统具有功能强、灵活性好、操作方便等优点。因此开发一种以单片机为核心的系统，实现对车辆工作运行参数的实时监测，迅速、准确、可靠、客观地评价其技术状况，具有十分重要的现实意义[2、3]。
1.纯电动客车状态监测系统的设计方案
1.1整体方案
纯电动客车的信号采集系统，可实时监测车辆工作状态，在出现故障时进行提示报警，为整车控制策略研究和故障诊断打下基础。本文需要采集的信号有：模拟量信号、开关量信号。其中模拟量包括：加速踏板开度、制动踏板开度、电池电压、电池温度、车速、电机转速；开关量信号包括：档位开关、钥匙开关、空调开关、充电开关、巡航指示开关，通过对这些参数进行数据处理和分析，可获得电动汽车的动态运行工况和动态运行参数，如车速、加速度、减速度、电机转速及档位等。如图1所示。

ECU
加速踏板信号
车速
电机转速
电池温度
档位开关
钥匙开关
空调开关
制动踏板信号
巡航开关
充电开关

图1输入量示意图
1.2传感器的选择
汽车传感器是汽车电子控制系统的关键部件，是汽车电子控制系统信息的主要来源，它的主要功能是利用安装在汽车各部位的信号转换装置，测量或检测汽车在各种运行状态下相关机件的工作参数，并将它们转换成单片机能接受的电信号后送给ECU，ECU根据这些信息进行运算处理， 进而发出指令对执行元件进行实时的控制。
为了实现纯电动客车信号的实时监测，本文将用到以下传感器：车速传感器、电机转速传感器、电池温度传感器、加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器，以及开关量如：钥匙开关、充电开关、空调开关、档位开关、巡航开关。
2．信号监测硬件设计
硬件芯片的选型由信号采集所需要的芯片功能来确定。根据对电动客车信号分析并考虑成本以及安全性能等因素，经过比较和分析，最终采用了上海朗译科技公司LY-51S单片机开发板作为信号监测的硬件设备。在LY-51S单片机开发板上，本课题使用到的芯片有微控芯片STC89C52RC、数据锁存芯片74HC573、数码管LG3641、模数转换芯片PCF8591及独立按键。
2.1微控芯片STC89C52RC
STC89C52RC系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，STC89C52RC/RD+系列单片机的特点[4]：
1）增强型6时钟/机器周期
2）工作电压：5.5V-3.4V(5V单片机)
3)工作频率范围：0-40MHz,相当于普通8051的0-80MHz。实际工作频率可达48 MHz。
4)用户应用程序空间8K字节
5)片上集成512字节RAM
6)通用I/O口（32个），复位后：P0/P1/P2/P3是是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），P0口是开漏输出，作为总线扩展时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
7)工作温度范围：0℃-70℃
8)封装：PDIP-40
2.2 数据显示电路
数据显示电路硬件芯片包括数据锁存芯片74HC573、数码管LG3641。20管脚的74HC573芯片是八进制 3 态非反转透明锁存器，也是高性能硅门 CMOS 器件，SL74HC573 跟 LS/AL573 的管脚一样。器件的输入和标准 CMOS输出兼容，加上上拉电阻，它们能和 LS/ALSTTL 输出兼容。当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能端变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。数码管LG3641为8个共阴极数码管，高电平有效。电路连接如图2所示。

图2显示电路硬件连接
2.3 数据采集电路
数据采集电路的芯片是模数转换芯片PCF8591，PCF8591是一款单电源（2.56 V）、低功耗8位CMOS型A/D、D/A转换芯片，它具有4路8位A/D输入通道，属于逐次比较型；内含采样保持电路，1路8位 D/A 输出，内含有 DAC的数据寄存器 ；A/D 、D/A 的最大转换速率约为 11 kHz，但是转换的基准电源需由外部提供。其电路连接如图3所示。

图3数据采集电路硬件连接
2.4 独立按键
文中用独立按键模拟纯电动客车信号监测中的开关量，根据纯电动客车工作特点，所需采集的开关量信号有：档位开关、钥匙开关、空调开关、充电开关、巡航指示开关。硬件电路连接[4]如图4所示。
把对应的端口赋值为高电平时，即“1”；若按键按下，则端口被拉低至低电平，即“0”，故通过检测该端口的电平即可判断按键是否按下。

图4 按键电路连接

3.信号检测软件设计
3.1 主程序
程序开始后先进行变量定义，给所需变量一个地址来存放数据，接着调用数据采集子程序，最后调用显示子程序，显示结果，并判断键K1是否按下，若按下switch则取反后调用按键子程序，进而返回主程序；若未按下则直接调用按键子程序，再返回主程序。流程图如图5所示。
开始
定义变量
N
Y
调用显示子程序
P3.0是否按下
Switch取反
调用按键子程序
调用数据采集子程序

图5主程序流程图

3.2 信号采集子程序
PCF8591是一种具有I2C总线接口的A/D转换芯片。在与CPU的信息传输过程中仅靠时钟线（SCL）和数据线（SDA）就可以实现。在I2C总线通信过程中，通信双方之间所传输的信息种类如下：
主机向模数转换芯片PCF8591发送的信息种类有：启动信号、停止信号、7位地址码、读／写控制位、10位地址码、数据字节、重启动信号、应答信号、时钟脉冲。
模数转换芯片PCF8591向主机发送的信息种类有：应答信号、数据字节、时钟低电平。整个A/D转换的时序图[4]如图6所示。

图6 A/D转换时序图
由模数转换芯片PCF8591的I2C总线时序图可知，信号采集子程序包括：总线启动子程序、总线停止子程序、非应答子程序、应答子程序、写数据子程序、数据读取子程序。
程序开始时先调用总线启动子程序来启动I2C总线，随即主机便发送地址字节（最后一位为写），然后芯片PCF8591进行应答位检测，若应答程序则继续向下执行，若不应答程序则等待。程序应答后，主机发送控制字节，芯片PCF8591写入数据，主机进行应答位检测，若应答程序则继续向下执行，若不应答程序则等待。程序应答后便调用读数据子程序，读完数据（A/D转换）后，主机发送非应答信号，接着调用总线停止子程序来停止I2C总线，最后返回主程序。其流程图如图7所示。
N
N
N
Y
Y
Y
调用开始子程序
发送地址字节（写）
等待
是否应答
发送控制字节，写入数据
是否应答
调用开始子程序
是否应答
调用读字节子程序
非应答检测
调用停止子程序
返回

图7数据采集流程图
3.3信号显示子程序
当位锁存器使能端为高电平时，位锁存器开始工作，此时将位码送入锁存器U3中，当为低电平时位锁存器实现锁存功能，即位码仍然锁存在锁存器U3中。当段锁存器使能端为高电平时，段锁存器开始工作，此时将段码送入锁存器U2中，当为低电平时段锁存器实现锁存功能，即段码锁存在锁存器U3中。随即8位共阴极数码管便显示相应数据，从而实现显示功能。其流程图如图8所示。

将转换后的数据放入寄存器A中
将百位存入C_BIT
将十位存入B_BIT
将个位存入A_BIT
指定查表地址
送出位代码（#0FBH）
位锁工作
取个位数
查表
送个位段码
段锁工作，显示个位
调用延时子程序
送出位代码（#0FDH）

查表
取十位数
位锁工作
送出十位段码
段锁工作，显示十位
调用延时子程序
送出位代码（#0FEH）
位锁工作
取百位数
查表
送出百位段码
段锁工作，显示百位
返回
调用延时子程序

图8显示子程序
3.4 按键子程序
若switch为0时送出位代码#07FH，即右边第一个数码管工作，这时让位锁存器工作，将位码存在锁存器中。然后送出段码#03FH（显示0），再使段锁存器工作，也就是说当switch=0时，右边第一个数码管显示0;若switch为1时送出位代码#07FH，即右边第一个数码管工作，这时让位锁存器工作，将位码存在锁存器中。然后送出段码#06FH（显示1），再使段锁存器工作，也就是说当switch=1时，右边第一个数码管显示1。
开始执行程序时switch=0，此时数码管显示0；当按下按键时，switch取反，即switch=1此时数码管便显示1。流程图如图9所示。
N
Y
switch是否为0

送出位代码（#07FH）
位锁工作
送出位段码（#03FH）
段锁工作
返回主程序
送出位代码（#07FH）
位锁工作
送出位段码（#06FH）
段锁工作
返回主程序

图9按键子程序
3.5 实验仿真
本实验采用51系列单片机STC89C52RC芯片作为微处理器，设计了信号采集系统的硬件电路。并将硬件电路用杜邦线、跳帽连接。
采用模数转换芯片PCF8591设计了相应的模拟信号采集电路。用可变电阻W4模拟车速传感器、电机转速传感器、电池温度传感器、加速踏板开度传感器和制动踏板开度传感器，给出模拟量信号的采集电路。采用独立按键K1模拟钥匙开关、充电开关、空调开关、档位开关、巡航开关，给出开关量信号的采集电路。采用LED数码管LG3641芯片及74HC573芯片设计了信号显示电路，对所采集的模拟及开关信号进行显示，实时监测纯电动客车的工作参数。
最后将程序烧进单片机，打开单片机开关，观察仿真结果是否符合要求，若不符合则继续调试程序，直到达到所要求的仿真结果。仿真结果如图10所示。

图10仿真结果
参考文献
[1]姜海斌.纯电动车整车控制策略及控制器的研究:[硕士研究生论文].上海交通大学，2010,5-59
[2]Rao Ming, Yang Haibin,Yang heming. intergrated intelligent system architecture for incidents monitoring and diagnosis.[J].[Computer in Industry].1998(37):143-151
[3]Thomas B.Sheridan,,”Telerobotics, Automation,and Human Supervisory Control.”The MIT Press,USA,1992
[4]LY-51S开发板说明书.上海朗译科技有限公司,8-250
第一作者姓名 李红
性别 女
单位全称 山东理工大学交通与车辆工程学院交通运输0701班
出生年 1989年11月28日
职称 无
学位 学士
研究方向 汽车电子技术
通讯地址 山东理工大学交通与车辆工程学院交通运输0701班
邮编 255049
联系人姓名 李红
联系电话 [phone]
E-mail地址 lihong9012@