【文章內(nèi)容簡介】 和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。電子技術的發(fā)展為 FSAE 方程賽車電子化提供了良好條件，國外汽車廣泛采用的計算機控制裝置和電子設備已成為批量極大的機電一體化產(chǎn)品，如點火控制、制動防滑控制、汽油分配及車內(nèi)空調(diào)、音像及門窗控制等。這些裝置和系統(tǒng)的采用，使汽車的行駛安全性、可靠性和舒適性有很大提高，節(jié)約了燃料，降低了對環(huán)境的污染，改進和提高了汽車的性能。這些系統(tǒng)的廣泛使用，在很大程度上得益于性能優(yōu)良的微處理器的發(fā)展， 汽車上的計算機控制系統(tǒng)基本上采用的都是單片機。計算機由運算器、控制器、存儲器、輸人設備以及輸出設備五部分組成。早期的計算機因為體積龐大，價格昂貴，很少能在汽車上應用，采用大規(guī)模集成電路的單片機把計算機的五個組成部分集成在一個芯片之內(nèi)， 它體積小、價格低、性能高，因此在儀器儀表、化工石油、航空航天領域得到了廣泛的應用。一輛國外先進轎車就使用幾十個單片機。（1）FSAE 方程賽車單片機控制系統(tǒng)的組成及特點單片機控制系統(tǒng)中除了單片機這個系統(tǒng)核心，尚需要前向通道、后向通道及人機接口等。有些系統(tǒng)包括所有全部，而有些只包含幾部分，根據(jù)系統(tǒng)要求決定系統(tǒng)規(guī)模。單片機是系統(tǒng)中樞，作出決策。前向通道是系統(tǒng)的信息輸人端，將各種傳感器如水溫、氣壓、位置開關、空氣流量計、電池電壓等有關參數(shù)和連續(xù)模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理得到標準信號送人單片機。使單片機及時獲取系統(tǒng)運行信息。后向通道將微機計算或邏輯判斷得到的控制量送給執(zhí)行機構，使系統(tǒng)按預定的規(guī)律運行。這些執(zhí)行機構可能是閥門或電磁鐵等。系統(tǒng)框圖如 1 所示。系統(tǒng)運行過程中，需要駕駛員設定一些參數(shù)，同時要求及時控制運行過程的一些狀態(tài)，因此系統(tǒng)還要有一些人機交互接口， 汽車單片機系統(tǒng)的人機交互不象電腦有鍵盤和顯示器，一般比較簡單，輸人設備為按鈕或簡單鍵盤，輸出一般為指示燈、L E D 或數(shù)碼與點陣式液晶顯示器。FSAE 方程賽車上使用的單片機一般為 16 位單片機。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)除江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）9了必要的硬件支撐， 還要設計軟件。單片機軟件開發(fā)一般需要借助專用開發(fā)工具，每年單片機均有自己特定的指令系統(tǒng)，可以用匯編語言或 BASIC、C 等高級語言編寫?？刂撇呗杂泻芏嗳缥皇娇刂啤 I D 控制、模糊控制、自適應預測預報控制等， 這些控制方案使得系統(tǒng)智能化程度越來越高。開發(fā)軟件完成后， 用將程序固化在存儲器中或做掩膜。（2）單片機測控系統(tǒng)在 FSAE 方程賽車上的實現(xiàn)目前 FSAE 方程賽車上已廣泛使用各種單片機控制以及報警檢測系統(tǒng)， 涉及發(fā)動機控制、安全防護及車內(nèi)環(huán)境等很多方面。如電腦防盜安全報警系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、汽車導行定位系統(tǒng)、電子安全防滑系統(tǒng)及防抱死系統(tǒng)、電腦安全氣囊系統(tǒng)、電腦控制懸架系統(tǒng)、汽車電子地圖、電子自動行駛系統(tǒng)、汽車自診斷系統(tǒng)、電子控制自動變速器、聲音警告系統(tǒng)、車門控制系統(tǒng)、旅行指導系統(tǒng)和微電腦空調(diào)系統(tǒng)等。單點式燃油噴射系統(tǒng)：系統(tǒng)組成如下： I / 0 板、 CPU 板、A /D 轉換器、8k ROM 、2k EPROM 、256 k RAM、ECU。輸人信號有進氣歧管絕對壓力、氣壓力、冷卻水溫、混合器溫度、節(jié)流角度和電源電壓等信號，經(jīng) A / D 轉換后送入計算機，最初的數(shù)字化輸人信號包括分電器基準信號，點火開關、節(jié)流閥開關、空調(diào)離合器電源開關等信號。輸出信號有噴射閥驅動信號，點火正時控制信號，廢氣再循環(huán)控制信號和怠速控制信號等。汽車不僅僅應用單片機，還促進單片機技術的發(fā)展，IZC 技術就是首先應用在德國某型轎車，隨后得到廣泛應用。（3）單片機在 FSAE 方程賽車上應用存在的主要問題系統(tǒng)都有自診斷功能，自診斷功能使維修容易，能夠自動診斷出故障位置、故障原因并給出代碼。提高系統(tǒng)的可維修性。系統(tǒng)中使用的單片機多為專用單片機，且程序掩膜，這樣維修起來困難，只能借助專用開發(fā)工具。單片機在汽車上應用主要問題：高壓點火、繼電器火花和電源干擾( 電壓波動)等是汽車上電子系統(tǒng)的主要干擾源。單片機一旦被干擾，會對系統(tǒng)的安全運行造成威脅。因此各種單片機系統(tǒng)在硬件和軟件設計初期應重視和實施抗干擾設計。設計時必須權衡分配硬件和軟件抗干江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）10擾分工，且在系統(tǒng)發(fā)生干擾引起系統(tǒng)故障時能帶故障按安全參數(shù)運行。FSAE 方程賽車在外面行駛和存放，電子系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，夏季當氣溫達到 3 5℃ 時， 路面達 70℃，車內(nèi)溫度也會很高，電子元件工作受溫度影響很大，超過設定溫度時很容易失效，造成系統(tǒng)故障。c .振動FSAE 方程賽車上的電器設備必須經(jīng)受得住強烈的振動，結構和工藝要保證這一要求。減少接插件造成的維修不便。（4）今后的發(fā)展趨勢我國單片機在 FSAE 方程賽車電子設備上的應用研究起步較晚，技術落后。我國從 80 年代引進單片機，主流系列為英特爾公司 51 系列，在我國應用較為成熟，近年其他公司的性能優(yōu)良的單片機較多地引進，為單片機應用提供更好的條件。我國汽車專用微電腦較少，清華大學曾用 MC68HCOS 單片機進行汽車安全氣囊控制系統(tǒng)開發(fā)研究。一般開發(fā)汽車電子產(chǎn)品選用單片機。但我國經(jīng)過 20 年的單片機引進、消化和開發(fā)，已積累了一定的技術，培養(yǎng)了很多人才，單片機技術引起了各個行業(yè)的重視。在不久的將來，我國汽車行業(yè)將研制出更多、更先進可靠的單片機應用系統(tǒng)。 根據(jù)上述的介紹，單片機控制系統(tǒng)具有多重優(yōu)點，因此本設計的 FSAE 方程賽車電控系統(tǒng)定位基于單片機控制的系統(tǒng)。 FSAE 方程賽車電控系統(tǒng)框架設計 FSAE 賽車主要電器部件布置匹配設計（1）蓄電池的安裝位置設計FSAE 賽車蓄電池的安裝應考慮重量平衡問題，與發(fā)電機、起動機的接線盡可能短, 并遠離熱源。（2）發(fā)動機 ECU發(fā)動機電子控制單元(ECU Electronic control unit) 是賽車電氣系統(tǒng)的核心，其工作電壓范圍一般在 615～16 V (內(nèi)部有穩(wěn)壓裝置) 、工作電流 01015～011 A 、工作溫度40 ～+ 80 ℃，能承受 1000 Hz 以下的振動。ECU 安置有以下幾個方面要求：通江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）11風情況良好，避免積灰現(xiàn)象；遠離熱源；選擇相對較高并且干燥防水的位置；便于安裝與接線。由于此輛 FSAE 賽車改換了原有發(fā)動機系統(tǒng)中的進排氣兩個子系統(tǒng)，相應工況隨之改變，針對原有發(fā)動機 ECU 軟件及控制接口無法更改設置等問題，只能對ECU 外圍電路、傳感器進行改進調(diào)校，于是設計了一個輔助的 ECU，通過改變部分傳感器的信號，使之匹配改換后的進排氣子系統(tǒng)，以期通過這種改變來調(diào)節(jié)噴油和點火，提高賽車的加速性能。（3）調(diào)壓整流器FSAE 賽車上的電能是由蓄電池與發(fā)電機提供的，發(fā)電機內(nèi)雖有整流器，但是經(jīng)整流后的直流電壓仍然會隨發(fā)動機的轉速而波動，因此需通過電壓調(diào)節(jié)器將發(fā)電機輸出的電壓穩(wěn)定在一定范圍。（4）起動繼電器發(fā)動機起動的過程為：按下賽車的起動按鈕后，起動繼電器吸合接通起動機電源，吸合起動齒輪，起動機轉動帶動飛輪轉動，起動發(fā)動機。起動繼電器流過的電流高達 200 A 以上，是一個較易損壞的電器件，安裝時應盡可能靠近起動機和電。（5）油泵繼電器與噴油器FSAE 賽車的油泵繼電器安裝位置見圖 21 電器布置總圖，ECU 通過接收各個傳感器送來的信號來計算噴油量和噴油的時刻，以控制噴油器工作。油泵繼電器也是一個較易損壞的電器件。剎 車 燈 開 關超 行 程 開 關點 火 開 關儀 表 位 置熄 火 開 關熔 斷 器 盒起 動 繼 電 器剎 車 燈 位 置油 泵 繼 電 器E C U電 壓 調(diào) 節(jié) 器啟 動 按 鈕江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）12圖 21 電器布置總圖（6）剎車燈及開關賽車剎車燈選用的是汽車上用的 LED 高位剎車燈，這樣可以更加美觀和節(jié)能。而剎車開關可選能自動回位的常開式開關，當踩下踏板時，開關電路才接通，剎車燈亮。（7）剎車超行程開關FSAE 賽車(2022 年)規(guī)則上要求裝一個剎車超行程開關，具體要求如下：1) 當剎車系統(tǒng)發(fā)生故障，比如制動泵漏油使制動踏板超過其有效行程時，此開關必須使發(fā)動機停止運轉(切斷點火系統(tǒng)和電動燃油泵系統(tǒng)的所有電源)；2) 此時即使松開制動踏板，上述部件的電源也不會恢復(此開關具自鎖功能)，且此開關的安裝位置，必須使得駕駛員(在車上)不能重新啟動它；3) 此開關必須通過本身的某部件使其生效(實現(xiàn)應有的功能) ， 而不能通過可編程的邏輯控制器件、發(fā)動機控制單元或類似的數(shù)字控制器來控制。超行程開關安裝后，若制動系統(tǒng)發(fā)生故障而超過有效行程，則開關被按下，發(fā)動機熄火； 此時,即使松開制動踏板，發(fā)動機也不能重新啟動。只有通過拆車身，才可以使開關復位。（8）電器安裝布置總圖綜上對各主要電器部件進行說明之后，結合它們的安裝位置的要求和條件，最后形成 FSAE 賽車電氣系統(tǒng)中各主要電器部件的安裝布置圖, 如圖 21 所示。江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）13 電控系統(tǒng)框圖設計 E C U空 氣 流 量 計燃 油 壓 力 控 制燃 油 泵 控 制點 火 器怠 速 控 制 閥冷 起 動 噴 油 器噴 油 器其 他 信 號空 擋 起 動 開 關蓄 電 池E F I 主 繼 電 器點 火 開 關車 速 傳 感 器氧 傳 感 器爆 震 傳 感 器水 溫 傳 感 器進 氣 溫 度 傳 感 器節(jié) 氣 門 位 置 傳 感 器凸 輪 軸 位 置 傳 感 器曲 軸 轉 速 傳 感 器故 障 防 護自 診 斷 系 統(tǒng)E G R 控 制圖 22 電控系統(tǒng)框圖系統(tǒng)工作過程：傳感器接收來自賽車的不同工況下的信號，以模擬信號的形式傳給 CPU，經(jīng)過模數(shù)轉換器轉換成電信號傳到 CPU 模塊給 CPU 分析處理并實時調(diào)用存儲器中存儲的各種工況的 2 進制代碼通過 I/O 輸出端口傳送給執(zhí)行電路執(zhí)行，通過調(diào)節(jié)噴油器的噴油量和節(jié)氣門開度等調(diào)整方程賽車的工作狀態(tài)，達到最佳的工況。第三章 FSAE 賽車數(shù)字儀表電路設計 硬件電路框架設計 單片機選型該賽車儀表選用 NEC 公司的 UPD78F0883 單片機，采用 0883 單片機的好處在于簡化的外部電路，省去了諸如外部存儲芯片、外部看門狗、低電平復位等電路。整個外部支持電路只有晶振電路、去耦電容和復位按鈕，這樣就使得電路板上的單片機部分的電路十分簡潔。但由于其集成度較高，封裝僅為 10mm 方，其上有 44 個引腳，焊接有一定難度；同時軟件設置上的復雜度變高，需要花費更大精力去解決。江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）14 儀表硬件電路原理數(shù)字化汽車儀表硬件電路設計主要包括主控模塊、傳感器及信號處理模塊、顯示模塊、電源模塊、報警模塊和復位電路等的設計，系統(tǒng)硬件組成原理如圖 31 所示。車速傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)過前置脈沖處理電路濾波、放大、隔離、整形后成為標準的方波信號，送入單片機完成速度、里程的運算；燃油液位傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過前置電壓信號處理電路轉換，然后送 UPD78F0883 的內(nèi)部 A/D 轉換器，再由UPD78F0883 將測量結果送 LED 顯示模塊實現(xiàn)數(shù)字化顯示。車 速 傳 感 器報 警 提 示L E D 顯 示U P D 7 8 F 0 8 8 3單 片 機電 源 模 塊信 號 處 理信 號 處 理信 號 處 理信 號 處 理水 溫 傳 感 器油 量 傳 感 器轉 速 傳 感 器復 位 電 路圖 31 儀表硬件組成框圖 儀表硬件主要模塊化設計與實現(xiàn) 車速傳感器及信號處理電路目前應用在汽車上的車速傳感器主要有磁電式轉速傳感器、光電式轉速傳感器以及霍爾式轉速傳感器等。其中磁電式傳感器結構簡單，抗干擾能力強，在汽車發(fā)動機轉速的檢測中有很多應用,但由于它為自發(fā)電性，在低速時輸出信號很微弱，在速度接近零時無法使用。光電式傳感器分辨率高，但易受外界的影響，灰塵、振動等干擾很容易使其失效。而霍爾式轉速傳感器具有分辨率很高,能保證在低速時都有江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文）15很強的信號。所以，選擇有良好的低速性能和抗干擾能力的霍爾式傳感器較為理想。由霍爾傳感器的輸出特性可知，車速信號是一占空比不變，頻率與車速成正比的脈沖信號。但傳感器輸出信號不是標準方波信號，往往存在諸多干擾。前置信號處理電路的作用就是去除其中的干擾信號，并把信號整形為標準的方波,再輸入給單片機。車速信號前置電路如圖 32 所示， RC6 構成微分電路,改善輸入波形，使脈沖上升沿更陡。三極管 Q1 工作在開關狀態(tài),完成信號的放大驅動 ,與電阻 RR光耦U10 構成光電隔離電路,以提高抗干擾能力。穩(wěn)壓二極管 D3 對脈沖輸入信號起到限幅作用，以保護三極管 Q1 的發(fā)射結不致正反向電壓擊穿。由車速前置處理電路出來的信號為標準的方波脈沖,通過 89C51 單片機的 T0 斷口進行計數(shù)，同時通過 T1端口進行計時，通過計算 1s 內(nèi)的脈沖數(shù)，來計算出速度和里程。C 6R 52 7 KD 3R 61 0 0 KG N DG N DG N D+ 5 VR 71 0 KR 81 0 K2 N 3 9 0 4U 1 7 A12 O U TS N 7 4 L S 1 4V C CO U T P U TG N DU 1 3霍 爾 車 速傳 感 器I N圖 32 車速前置電路