曾曲洋（三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北宜昌，443000）

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基于單片機(jī)和組態(tài)軟件的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)

曾曲洋
（三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北宜昌，443000）

［摘要］針對(duì)電子節(jié)氣門的控制，以ATMEG16L單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，并通過(guò)MCGS組態(tài)軟件與單片機(jī)之間的通信，顯示控制結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明利用單片機(jī)完成的控制系統(tǒng)可以滿足控制要求。

［關(guān)鍵詞］電子節(jié)氣門；單片機(jī)；MCGS組態(tài)

1　前言

傳統(tǒng)汽車的機(jī)械式節(jié)氣門，采用鋼絲繩和杠桿與駕駛室內(nèi)的油門踏板相連，駕駛員通過(guò)踩油門踏板的行程來(lái)控制節(jié)氣門的開(kāi)度，亦即改變節(jié)氣門進(jìn)氣通道的截面積，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，達(dá)到改變發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的目的。

由于傳統(tǒng)節(jié)氣門只是單一的反映駕駛員的操縱意圖，當(dāng)駕駛員加速或者減速的時(shí)候，節(jié)氣門開(kāi)度隨之變大或者減小，因此節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，并能夠迅速準(zhǔn)確反映駕駛員的意圖，所以可靠性也很高。但這同時(shí)也造成了傳統(tǒng)節(jié)氣門的一些缺陷，因?yàn)槠囋诘缆飞闲旭倳r(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不能僅僅根據(jù)駕駛員的意圖來(lái)判斷，它還要考慮道路狀況，汽車工況，環(huán)境等，所以直接根據(jù)駕駛員的意圖來(lái)控制節(jié)氣門的開(kāi)度會(huì)導(dǎo)致節(jié)氣門的開(kāi)度不能達(dá)到最佳，這樣就影響了燃油的經(jīng)濟(jì)性和汽車的動(dòng)力性，同時(shí)使汽車有害排放物質(zhì)增加。

2　電子節(jié)氣門的工作原理

電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

它的工作原理是：駕駛員操縱油門踏板，油門踏板位置傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，即節(jié)氣門開(kāi)度的參考信號(hào)，控制單元對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣處理，然后經(jīng)過(guò)CAN總線和整車控制單元進(jìn)行通訊，獲取其它工況信息以及各種傳感器信號(hào)如車速、車距、節(jié)氣門位置、路面附著系數(shù)等等，綜合分析計(jì)算得出一個(gè)期望的節(jié)氣門開(kāi)度值，并輸出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用下，節(jié)氣門閥片達(dá)到期望位置。在整個(gè)控制過(guò)程中，節(jié)氣門位置傳感器將節(jié)氣門開(kāi)度信號(hào)不停的反饋給控制單元，控制單元將得到的開(kāi)度信號(hào)與目標(biāo)值不停比較并修正，直到實(shí)際的節(jié)氣門開(kāi)度值達(dá)到與期望的節(jié)氣門開(kāi)度值相對(duì)應(yīng)的位置。

控制系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2所示：

圖2　控制系統(tǒng)硬件電路框圖

3　單片機(jī)與組態(tài)軟件通信

為了更好的觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)論，本次實(shí)驗(yàn)建立了上位機(jī)界面來(lái)顯示結(jié)果，上位機(jī)采用的是MCGS組態(tài)軟件，選用莫迪康- RTU為設(shè)備構(gòu)件，它是遵從Modbus協(xié)議的，所以單片機(jī)的通信程序必須也符合Modbus協(xié)議才能和上位機(jī)通信。

在網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中，上位機(jī)按照Modbus協(xié)議規(guī)則給下位機(jī)發(fā)送命令，下位機(jī)接收到上位機(jī)的命令以后產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，如果上位機(jī)需要下位機(jī)將結(jié)果返回那么下位機(jī)就要按Modbus協(xié)議規(guī)則進(jìn)行應(yīng)答。當(dāng)上位機(jī)與多個(gè)下位機(jī)通信時(shí)，每個(gè)下位機(jī)都有其固定的地址，這個(gè)地址信息是包含在Modbus協(xié)議中的。

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中使用的是Modbus的RTU協(xié)議，它有固定的協(xié)議格式，在數(shù)據(jù)通訊時(shí)，主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息，從機(jī)在收到正確消息后發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)響應(yīng)請(qǐng)求，下面對(duì)該協(xié)議做簡(jiǎn)單介紹。

上位機(jī)發(fā)送的命令格式依次是設(shè)備地址(一個(gè)上位機(jī)可以與多個(gè)下位機(jī)通信，設(shè)備地址決定和哪個(gè)下位機(jī)通信)、命令號(hào)(當(dāng)上位機(jī)要讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)命令號(hào)為01)、起始寄存器地址高8位、起始寄存器地址低8位(上位機(jī)打算讀取的數(shù)字量的起始地址)、讀取寄存器數(shù)高8位、讀取寄存器數(shù)的低8位(從起始地址開(kāi)始要讀的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù))、CRC校驗(yàn)碼的低8位、CRC校驗(yàn)碼的高8位(為了保證數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性對(duì)傳遞數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn))。

單片機(jī)響應(yīng)的命令格式依次是設(shè)備地址(設(shè)備地址應(yīng)與上位機(jī)發(fā)送設(shè)備地址一致)、命令號(hào)(命令號(hào)與上位機(jī)發(fā)送命令號(hào)一致)、返回的字節(jié)個(gè)數(shù)(返回了N個(gè)字節(jié))、數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2…..數(shù)據(jù)N、CRC校驗(yàn)碼的低8位、CRC校驗(yàn)碼的高8位。

協(xié)議中提到了CRC校驗(yàn)，在這里具體介紹一下CRC校驗(yàn)過(guò)程，CRC校驗(yàn)是一種使用較多的校驗(yàn)方法，RTU模式采用的就是這樣的一種校驗(yàn)方法，CRC校驗(yàn)碼有兩個(gè)字節(jié)，在通信的過(guò)程中，把它加到傳輸?shù)南⒑?，?dāng)接受消息的設(shè)備收到消息后也進(jìn)行CRC校驗(yàn)，比較兩個(gè)CRC的校驗(yàn)值看是否一致，如果一致表示接受消息正確，如果不一致表示接受消息錯(cuò)誤[35]。

CRC的校驗(yàn)碼的產(chǎn)生過(guò)程具體如下：首先給定一16位寄存器，寄存器的值為0XFF，將第一個(gè)8位的字符與給定的16位寄存器值異或，然后將得到結(jié)果向右移動(dòng)一位，左邊用0補(bǔ)充，如果異或結(jié)果最低位為1，那么將異或結(jié)果在與預(yù)置的值（這里取的是0XA001）或一下，如果最低位為0，只向右移動(dòng)一位，循環(huán)8次，然后取第二個(gè)8位字符和16位寄存器當(dāng)前值異或，重復(fù)前面過(guò)程，最后當(dāng)消息中的所有8位字符執(zhí)行以后，得到的16位寄存器的值就是最終的CRC的值。當(dāng)把CRC校驗(yàn)碼加到消息中的時(shí)候，低8位放在前面，高8位放在后面。下面是它的C代碼：

Unsigned int GetCheckCode (char * pSendBuf, int nEnd)//獲得校驗(yàn)碼

{

Unsigned int wCrc=0xFFFF;

for(int i=0;i

{

wCrc^=WORD(BYTE(pSendBuf[i]));

for(int j=0;j<8;j++)

{

if(wCrc&1)

{

wCrc>>=1;

wCrc^=0xA001;

}

else wCrc >>=1;

}

}

return wCrc;

}

4　控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)采用的電子節(jié)氣門體型號(hào)是BOSH- DVE5 圖3為節(jié)氣門由平衡位置到最大開(kāi)度的響應(yīng)曲線，由于節(jié)氣門全開(kāi)時(shí)電壓信號(hào)約為4.44V，因此給定參考電壓信號(hào)為4.35V，可以看出節(jié)氣門響應(yīng)時(shí)間約為250ms，穩(wěn)態(tài)誤差為2%，滿足前面給定的性能指標(biāo)。

圖3　節(jié)氣門最大開(kāi)度響應(yīng)曲線

圖4為節(jié)氣門半開(kāi)度響應(yīng)曲線，參考電壓信號(hào)約為2.67V，節(jié)氣門穩(wěn)定時(shí)電壓約為2.64V，在上升時(shí)間有少量超調(diào)現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)誤差為1.12%。

圖4　節(jié)氣門半開(kāi)度響應(yīng)

圖5為1s方波快速跟隨實(shí)驗(yàn)，通過(guò)曲線可以看出在跟隨的過(guò)程中會(huì)有滯后的現(xiàn)象產(chǎn)生，無(wú)超調(diào)現(xiàn)象，在電子節(jié)氣門的實(shí)際應(yīng)用中基本能夠滿足控制要求。

圖5　 0.8s方波跟隨曲線圖

圖6為方波慢速跟隨曲線，可以看出當(dāng)給定信號(hào)變化越慢，跟隨性能就越好，跟隨過(guò)程中無(wú)超調(diào)，無(wú)滯后現(xiàn)象。

圖6　 5s方波跟隨曲線圖

5　結(jié)語(yǔ)

本章通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證了系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間能夠達(dá)到性能指標(biāo)，當(dāng)給定信號(hào)頻率過(guò)快的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，但在對(duì)節(jié)氣門控制要求不太高的情況下可以滿足基本的控制要求。

[參考文獻(xiàn)]

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Electronic Throttle Control Systems Based on Microcontroller and Configuration Software

ZENGQuyang
（Sanxia Power Vocational College, Yichang443000, Hubei）

［Abstract］In view of the electronic throttle controller, the design of the electronic throttle control system is based on the ATMEGA16L microcontroller core, and display control results through the communication of MCGS and the microcontroller. Experiments showthat the control systemperformed bymicrocontraller can meet the control requirements.

［Key words］electronic throttle, microcontroller, configuration software MCGS

［作者簡(jiǎn)介］曾曲洋（1983-），女，湖北宜昌人，湖北三峽電力職業(yè)學(xué)院講師、碩士，研究方向：非線性系統(tǒng)控制、信號(hào)處理。

［收稿日期］2015- 4- 9

［中圖分類號(hào)］U464

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1671- 5004（2015）03-0020-03