【正文】 N 接口是接 BDM 調(diào)試工具，向 MC9S12DG128 單片機(jī)下載程序后可以有BDM 調(diào)試功能，BDMOUT 是當(dāng)應(yīng)用程序?yàn)?BDM 調(diào)試程序時(shí)，用作 BDM 調(diào)試器輸出。復(fù)位電路中使用了低電壓芯片 MC34064。使用專(zhuān)門(mén)的上電復(fù)位電路使系統(tǒng)上電復(fù)位更加可靠，也可用一只 的電容代替電路中的 MC34064。手動(dòng)復(fù)位按鈕在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)非常有用 [16]。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:321U1MC34064531642BKGDBDMNHEADER 3X2642135PT7BDMOUTHEADER 3X2VCCVCCVCCR44K7R5100KVCCRESETnPT6D11N4148S1SWPB圖 42 調(diào)試接口及復(fù)位電路第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 23 (3) 串行口通信模塊的設(shè)計(jì)通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)電路中的 RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)可以利用異步串行通信協(xié)議同 PC 通信。RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn) TTL 電平與 RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換，然后再通過(guò) 9 芯串行口 J3 和 PC 進(jìn)行串口通信。 MC9S12DG128 單片機(jī)有兩個(gè)串口通信模塊，這里只引出了一個(gè)。在電路設(shè)計(jì)中，使用了符合RS232 通信標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)電路 MAX233AEWP 芯片進(jìn)行串行通信。MAX233AEWP 芯片功耗低、集成度高，采用單一 +5V 電源，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道，可直接與 MC9S12DG128 的串行通信接口引腳相連，如圖 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:R1 OUT 12R2 OUT 9T1 OUT 14T2 OUT 7C2+ 4C2 5R1 IN13 R2 IN8T1 IN11 T2 IN10C13 C1+1V+2V6VCC16GND15VCCC17C18VCCCOMRxTXD0RXD0COM TxC19C7U5MAX232CPE(16) 162738495J9DB9?COM TxCOM Tx圖 43 串口通信模塊電路 電源管理模塊的設(shè)計(jì)在電路中，除了蓄電池的 12V 電壓直接為驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886 供電外，還使用了 MC33989 電源芯片為傳感器和單片機(jī)供電。MC33989 的 VDD1 電流在200~350mA 之間，典型值為 280mA。它包括一個(gè)帶復(fù)位功能的電壓監(jiān)視電路，適合為單片機(jī)供電，如圖 所示。VPWR 輸出電壓為 5V，輸出電流由 PNP型三極管 TIP32C1 決定，具有自可調(diào)功能，其電流連續(xù)值為 3A，峰值為 5A，而單片機(jī)及傳感器工作電流遠(yuǎn)小于 3A。第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 24 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:Vdd13WD0GB28 INTB5CSB27 MOSI26MISO25 SCLK24RX1 TX2GND6 GND7GND8Vsup 12HS1 13GND 23GND 22GND 21GND 20GND 9L1 15L0 14L2 16CANL 18CANL 19L3 17V210V2ctrl11RESET4MC33989R20GNDRESET(12)IOC3/PT3(10)IOC1/PT1(94)PS5/MOSI(93)PS4/MISO(96)PS6/SCLK0GNDC247uFC6106 C447uF T1 TIP32C_1R32K2++圖 44 MC33989 供電示意圖通過(guò) MC9S12DG128 的 SPI 模塊啟動(dòng) MC33989，該芯片的啟動(dòng)使用了MC33989 將單片機(jī)和傳感器電源的分離，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)，也使硬件電路變得簡(jiǎn)單。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)直流電機(jī) PWM 控制系統(tǒng)有不可逆和可逆系統(tǒng)之分。本文應(yīng)用 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886 設(shè)計(jì)了電機(jī)的不可逆 PWM 控制系統(tǒng)和可逆 PWM 控制系統(tǒng)。首先要了解 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886 的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。(1) H 橋驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)不可避免會(huì)以正、反轉(zhuǎn)的狀態(tài)工作，這時(shí)需要使用 H 型 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其工作原理如圖 所示：4 個(gè)開(kāi)關(guān)管QQ4 為一組，QQ3 為另一組。同一組的開(kāi)關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。當(dāng) QQ4 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電流方向如 A 所示，電機(jī)產(chǎn)生正向扭矩；QQ3 導(dǎo)通時(shí)，電流方向如 B 所示，電機(jī)產(chǎn)生反相扭矩。因此采用 H 橋驅(qū)動(dòng)電路可以控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。試驗(yàn)中采用的 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片為 MC33886，圖 為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，左側(cè)為邏輯控制部分，右側(cè)為功率驅(qū)動(dòng)部分。MC33886 持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)到第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25 5A，驅(qū)動(dòng)的最高頻率可以達(dá)到 30KHz。該芯片具有監(jiān)測(cè)低壓、短路、溫度過(guò)高等功能。其工作環(huán)境溫度變化范圍在40176。C 到＋125176。C 之間，工作電壓在 5V 到28V 之間，完全能夠勝任汽車(chē)環(huán)境中的工作。圖 45 直流電機(jī) H 橋控制原理表 MC33886 邏輯真值表 IN1 IN2 OUT1 OUT2 電機(jī)工作狀態(tài) H L H L 電機(jī)正轉(zhuǎn) L H L H 電機(jī)反轉(zhuǎn) L L L H 電機(jī)慣性滑行（低速） H H H H 電機(jī)慣性滑行（高速）圖 46 MC33886 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖在圖 中，DD2 是 MC33886 的使能端，ININ2 為輸入端，OUT OUT2 為其輸出端。將 MC33886 的輸入端接到 DG128 的 PWM 輸出口，第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 26 在其輸出端可以得到與單片機(jī) PWM 輸出口相應(yīng)的并可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的PWM 信號(hào)。通過(guò) MC33886 的兩個(gè)輸出端口，就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、方向控制及制動(dòng)等。其邏輯真值表如表 所示 [17]：(2) 直流電機(jī)不可逆 PWM 控制電路本文首先設(shè)計(jì)了不可逆 PWM 驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電子節(jié)氣門(mén)進(jìn)行了控制，如圖 所示。ECU 產(chǎn)生的 PWM5 通過(guò) IN1 引腳輸入，以調(diào)節(jié) MC33886 的 OUT1 口的輸出電壓，并且在 IN2 接地使 OUT2 輸出為 0，這樣 OUT1 和 OUT2 之間就有了一個(gè)電壓差，ECU 通過(guò)改變 PWM5 的占空比就可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。電機(jī)電樞平均電壓與占空比成正比，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。(3) 直流電機(jī)的可逆 PWM 控制電路MC33886 芯片可靠性和保護(hù)功能都比較強(qiáng)，但使用時(shí) H 橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要兩路 PWM 信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，方向位控制也比較麻煩。該控制系統(tǒng)硬件電路中，需要單片機(jī)產(chǎn)生兩路 PWM 分別控制 MC33886 的 IN1 和 IN2，以分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。因此，系統(tǒng)需要復(fù)雜的控制算法保證兩路 PWM 信號(hào)的配合，以避免電機(jī)與電源短路，控制的靈活性降低，控制難度加大。為了解決兩路 PWM 輸入和方向控制問(wèn)題，采用與門(mén) CD4049UB 和三極管設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)電路，如圖 所示。其中左半部分為控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的邏輯電路原理圖，原先兩路ININ2 輸入的 PWM 信號(hào)經(jīng)由邏輯電路轉(zhuǎn)換為一路方向控制位和一路 PWM輸入，這樣我們就解決了 MC33886 芯片需要兩路 PWM 信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、方向位控制比較麻煩的問(wèn)題。MOTOROLA33886 芯片 ININ2 引腳分別與控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的邏輯電路相連，由其改變兩路 PWM 為一路 PWM 與一路方向位，以上兩電路分別由電源管理芯片提供 12V 和 5V 電源。第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 27 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:AGND1 FS2IN13 V+4V+5 OUT16OUT17 DNC8PGND9 PGND10DNC 20IN2 19D1 18V+ 16Ccp17OUT2 15OUT2 14D2 13PGND 12PGND 111 2VCCPWM5 VCC 33nFC647uFVCCJMOTOR33886MC33886_CON+圖 47 直流電機(jī)不可逆 PWM 控制電路圖1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 27May2022 Sheet of File: E:\下下\Examples\Xilinx XACT\ By:IN1IN2FSD1D2OUT2V+Ccp PGNDOUT1AGND338862 1C133uF+C247uF+VCCMOTORQ2Q1Q3Q4R?10K23454049U2B4049U1AR210KPort2Port1PWM圖 48 直流電機(jī)可逆 PWM 控制電路圖 本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了電子節(jié)氣門(mén)控制器的硬件電路主要結(jié)論有：選取 MC9S12DG128 作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)控制算法中的模糊推理部分。并設(shè)計(jì)電源管理電路、串行通信電路、功率驅(qū)動(dòng)電路等，并分析了 PWM 方式控制直流電機(jī)的原理。應(yīng)用 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了不可逆 PWM 和可逆 PWM 控制電路。采用不可逆 PWM 驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)只能單向驅(qū)動(dòng)。而采用可逆 PWM 控制，電機(jī)能雙向驅(qū)動(dòng)。第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28 第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件的總體功能分析電子節(jié)氣門(mén)控制系統(tǒng)中要求節(jié)氣門(mén)閥具有較快的響應(yīng)性、良好的穩(wěn)定性和良好的位置跟隨性。系統(tǒng)軟件主要包括控制功能和通信功能。系統(tǒng)程序的軟件功能結(jié)構(gòu)如圖 51 所示。TPS 輸入信號(hào)PPS 輸入信號(hào)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控電子節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM 輸出通信協(xié)議控制算法A/D 轉(zhuǎn)換A/D 轉(zhuǎn)換圖 51 系統(tǒng)程序的軟件功能結(jié)構(gòu)圖第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 29 開(kāi)始常量變量初始化定時(shí)器初始化串行口初始化PWM 初始化允許 T2 和 PWM 中斷PWM 中斷子程序T2 中斷子程序TPS 故障診斷子程序PPS 故障診斷子程序角度計(jì)算子程序控制算法子程序串行通信子程序圖 52 控制軟件整體流程控制軟件總體上分為初始化部分和工作循環(huán)部分。其整體流程如圖 52 所示。初始化部分主要用于完成常量和變量的初始化；定時(shí)器 T2 中斷的初始化；MC9S12DG128 輸出 PWM 初始化和串行口收、發(fā)數(shù)據(jù)初始化?？刂栖浖墓ぷ餮h(huán)部分包括信號(hào)的采集、傳感器的故障判斷、電子節(jié)氣門(mén)角度和踏板角度計(jì)算，根據(jù)控制算法計(jì)算控制量以及串行通信等 [18]。 軟件子程序流程圖(1) PWM 輸出子程序流程圖電子節(jié)氣門(mén)直流電機(jī)通過(guò) PWM 控制，MC9S12DG128 單片機(jī)內(nèi)部的 PWM模塊通過(guò)中斷方式可以產(chǎn)生周期和脈寬可調(diào)的連續(xù)方波。系統(tǒng)采用的 PWM 周期為 1ms，脈寬由控制量確定。圖 53 是 PWM 輸出子程序流程圖。當(dāng) PWM中斷時(shí)首先要關(guān)閉中斷，以避免其他中斷的影響。然后判斷當(dāng)前輸出電平的高低，若為高電平，則下次中斷時(shí)應(yīng)輸出低電平，同時(shí)要裝入高電平的持續(xù)時(shí)間。若當(dāng)前輸出為低電平則相反。返回之前要打開(kāi)中斷。第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 30 關(guān)中斷當(dāng)前輸出為 1？下次中斷輸出為 0裝入高電平時(shí)開(kāi)中斷返回下次中斷輸出為 1裝入低電平時(shí)YN開(kāi)始 開(kāi)始關(guān)中斷開(kāi)中斷調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序