它主要由微处理器、电源电路、离合器和直流电动机驱动电路、保护电路和输入信号处理电路等部分组成。PICl6F873微处理器是系统的核心，有关驱动电路、输入信号处理电路在后面将作详细的讨论。车速传感器等也是巡航控制系统的重要组成部分，汽车巡航控制系统所需传感器主要包括车速传感器、节气门位置传感器、制动踏板传感器、离合器踏板传感器等。

 

车速传感器速度信号是车辆巡航控制系统最重要的输入信息之一。车速传感器将产生的车速信号输送给巡航控制ECU，作为实际车速反馈信号，以实现定速行驶功能。因此，要求车速传感器必须准确、可靠地提供信号，且易于与微处理器接口，车速传感器通常与车速表驱动装置相连，如果车速表是电子式的，它所用的车速传感器给出的信号可直接用作巡航控制ECu的反馈信号，而不必为巡航控制系统另设车速传感器，车速传感器有光电式、霍尔感应式、磁阻式等多种结构形式，这里采用霍尔感应式。

 

在汽车巡航控制系统中，节气门位置传感器给出的节气门位置信号是对发动机进行闭环控制的一个重要信号。节气门位置测量采用电位器式角位移传感器，其输出电压经过A／D转换器转换为数字量，再送人微处理器进行处理。

 

制动踏板传感器安装在制动踏板下，取自制动灯开关信号，用于获取制动踏板动作信号。

 

离合器踏板传感器安装在离合器踏板下，用于获取离合器踏板动作信号，该信号为开关信号。

 

2信号的采集和处理

 

    1．车速信号的采集和处理

 

速度信号是巡航控制系统最重要的信号之一，如果速度信号失常，巡航控制系统就不能正常工作，甚至发生事故。该控制系统利用PIC16F873微处理器的16位定时／计数器TMR2和连接到这个定时器上的捕捉与比较寄存器来测得车速信号。

 

由于单片机能识别的信号电压范围是0～5V，而汽车上的电源是12V，所以需要在测车速之前，将这些速度信号转换成0～5V的电压范围。如果速度传感器输出信号为方波，其转换电路如图8-16所示。如果速度传感器输出信号为正弦波，还应对信号进行整形处理。

 

在测量车速时，如果信号齿一周有ZG个齿，信号齿每转一周，则产生ZG个脉冲。这里采用频率法测量车速。在单位时间内，根据脉冲发生器脉冲的个数来计算脉冲的频率。用频率法时车速为

式中N，为每秒钟内传感器产生的脉冲数；ZG为信号齿的齿数；i0为主传动比；R为车轮半径；T为脉冲的采样周期(s)。

 

2．开关量的处理

 

制动开关有手制动和脚制动两种。其中，手制动开关信号的电平转换电路如图8-17所示。手制动开关是当开关接通时为低电平，开关断开时为高电平.

 

脚制动开关信号的电平转换电路如图8-18所示。脚制动开关是在接通时为高电平，断开时为低电平。

 

硬件电路中，除手制动开关和脚制动开关外，空档开关、设定键、加速键、减速键、取消键等均为开关量，电路结构类同于图8-17或图8-18所示。

3．电动机的驱动

 

汽车自动巡航控制系统的执行器是直流电动机，直流电动机的驱动选用L298驱动芯片驱动，驱动电路如图8-19所示，图8-19中的二极管VD1～VD4应选用快恢复二极管。双全桥的驱动可以接受TTL电平，图中的门电路具有驱动能力。

 

表8-1为图8-19的真值表，由真值表8-1可知，只有当EN-ABLE为高电平，IN1和IN2脚电平不同时执行机构才动作。图中的电阻R1是用来检测电动机的工作电流的。

4．PWM控制

 

PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。直流电动机的PWM控制技术可用不同的控制手段来实现，如使用专用集成PWM控制器，或者使用微处理器进行控制，也可以使用集成PWM控制器与微处理器相配合的方法等。

 

接口设计中最大的挑战是处理动态问题，最重要的是直通电流、二极管阶跃、地端反冲等。

 

 (1)直通电流  该电流包含两种成分。最明显的是续流二极管的反向恢复电流。图8-20中，上桥臂左边管子VF1导通，右边管子VF2截止，下桥臂右边管子VF4是脉宽调制的。当其导通时，电流从正极干线流过VF1，然后通过VF2的续流二极管返回干线。当VF4再一次导通时，反向恢复电流将从VF2的续流二极管拉出。这个电流明显是从电源正极流到地将电动机旁路的直通电流。当4个开关管中任何一个在桥电路中被脉宽调制与其续流二极管相反时，这种现象就会发生，并且这时PWM频率与电动机电感足够大，以至于电动机电流在关断期间不会衰减到零。

除了反向恢复电流之外，另外还有一个电流被称为PWM中断电流，它是通过开关交换时产生的。当桥电路中一个场效应晶体管导通时，其相对的场效应晶体管的漏极被快速拉到地。这样加在漏极上的di／dt会引起一个流过栅极到漏极电容的电流，对栅极来说，看上去是输入电流。这个电流通过栅极驱动的关断阻抗返回源极。通过驱动阻抗乘以du／dt电流而产生的电压可以将栅极正偏。如果该电压超过了这个关断的场效应晶体管的导通门限，那么这个误导通就会产生直通电流。

 

如果低端的场效应晶体管是脉宽调制的，则du／dt就加到了有释放电阻的高端场效应晶体管上。如果释放电阻是有源开关并且可以近似为零，那么高端场效应晶体管栅极保持为高端干线电压，这时不存在PWM中断电流。但如果释放电阻有几百欧，那么当此场效应晶体管导通时，其栅极会被下拉到足够低以允许误导通出现。当这种情况发生时，：PWM中断电流会从电源干线流到地，使电动机旁路。它有可能比二极管反向恢复电流大好几倍，并占总直通电流的较大部分。

 

(2)二极管阶跃  由误导通引起的直通电流也有有利的一面，电流值过大是不需要的，但存在大于零的一个最佳点。原因是MOSFET的漏源二极管本质上是阶跃的，即其导通和截止是突变的。没有误导通的作用，二极管阶跃会在直通电流中产生过大的di／dt。通过小心地允许一小部分误导通电流流动，二极管的柔性度会增加，结果使EMI特征明显改善。

 

如果释放电阻为0Ω，直通电流完全是反向恢复电流。即使导通转换很慢，反向恢复的阶跃仍很厉害，释放电阻增加到470Ω，电流和时间就会有很大的变化，很明显是由于误导通产生了大量的附加直通电流。同样，尽管误导通直流电流很大，它仍具有柔和度并且是过阻尼的。这个柔和度表明了设计策略。这个策略就是通过有意设计出足够大的误导通电流使反向阶跃恢复特征柔性化，以取得性能上的总体平衡。事实上，这个方法达到了良好的效果。

 

 (3)地端反冲  即使有以上所描述的方法，在有20kHz或更高频率的PWM信号时，电动机驱动中的db/dt仍会相当大，以致有可能产生讨厌的寄生地电压。任何由FET。开关产生的di／dt都会在这些寄生地电感上产生电压。假设电动机电流通过二极管是任意的，那么当FET导通时，流过寄生电感上的di／dt是正向的。但当二极管恢复时，改变方向的di／dt会在寄生电感上产生负电压。它通过FET的栅源电容可以耦合到栅极驱动集成电路上。由于电容两端的电压不会即刻改变，所以负尖脉冲会很快地耦合到集成电路上。由于大多数集成电路采用了结隔离，所以任何值大于二极管压降的负向尖脉冲都有可能使结隔离区正偏，这样会产生不可知的后果。可行的解决办法是将集成电路输出钳位，限制寄生地电感的值，或使di／dt最小。

 

5．离合器的驱动

 

离合器的驱动电路如图8-21所示。离合器的一端接12V电源，另一端接离合器的驱动输出，9014晶体管是NPN的，IRF3205是N沟道MOSFET，高电平导通。因此用了两个晶体管。

3硬件可靠性的设计

 

1．硬件可靠性设计的主要内容

 

硬件可靠性设计的主要内容是抗干扰设计，巡航控制系统的主要干扰源有：

 

(1)电源和接地干扰电源干扰主要有过电压、欠电压、尖峰电压等，一般由电源引线、内阻和感应电动势引起，是危害最严重的干扰源之一。过电压、欠电压一般持续时间较长，将影响芯片的正常工作，引起测量精度的下降，甚至造成系统的毁坏。尖峰电压持续时间短，幅值较低的尖峰干扰一般不会毁坏系统，但对微处理器系统的正常运行危害很大，会使逻辑功能紊乱，产生误动作，使程序不能正常运行。

接地干扰是由于导线在不同的接地点接地时，导线电阻使得两接地点的电位不同，存在电位差，这种干扰主要影响检测精度。

 

(2)发动机点火系统的干扰  火花塞有10kV左右高压放电，其中电流持续时间短、幅值大的部分叫做容性放电电流。容性放电电流通过火花塞高压线等传播，发射高频电磁波产生脉冲电压，这是产生干扰的主要来源之～。随着容性放电电流的增加，干扰也增大。

 

(3)I／O通道的干扰  I／O通道中长线传输，尤其是在系统的主振频率不断提高时，将成为通道干扰的主要因素。整个巡航系统控制单元与各传感器和执行机构的连线由机械位置决定，长线传输使用较多。脉冲在长线传输时会出现衰减等通道干扰。

 

(4)外部干扰  车外收发两用机之类的无线电设备、雷达和广播电台发射的强力电磁波，也会干扰电子控制系统工作。

 

以上干扰源产生的干扰窜入电控系统主要渠道有：通过电磁波辐射窜人系统，产生空间干扰；通过与微处理器相连的前向通道、后向通道和相互通道窜人系统，产生过程通道干扰；由电源窜入系统，产生供电系统干扰。

 

对于一个控制系统，抗干扰设计可以从两方面进行，可采取硬件措施抗干扰，也可采取软件措施抗干扰。绝大多数情况下，抗干扰设计应该同时用这两方面的措施来进行。

 

2．巡航控制系统硬件设计主要采用的抗干扰措施

 

1)电源和接地系统的抗干扰措施，汽车上采用的蓄电池的内阻很小，是较理想的电源。大功率电路可能引起蓄电池的电压波动，抗干扰措施的一种方法是采用DC-DC变换器电源，给微处理器供电，即将12V的直流电逆为交流电，经变压器隔离，再经过整形、滤波和稳压，输出5V直流电压。由于变压器将前、后级电源和地隔离开，使得大功率信号引起的前级电源电压波动不会影响到后级，从而保证微处理器系统的正常工作，但这种方法成本较高，现在采用高性能的专用三端稳压器设计的也很多。由于车用蓄电池还用于汽车点火，而且电动机和电磁阀驱动电路中感性负荷较多，可能引起电源电压的大幅度波动，因此可以在电源的输入端跨接较大电容量的无极性电容，在各集成电路芯片的电源和地线之间接人去耦电容。

 

对于接地来说，各电路接地线应尽可能短而粗，以使地电位不随电流变化而变化，从而提高系统的抗干扰性能；电平低的电路应距地最近，以减少地电位的影响；数字地线和模拟地线分开；有高速逻辑电路，又有线性电路时，应尽量使它们分开，两者的接地不要相混，应分别与电源地线相连接。

 

2)抑制发动机点火系统干扰，点火系统高压部分干扰源的抑制是采用高压阻尼线，可取得良好的抗干扰效果。把高压导线做成带电阻的，使整条高压导线有数千欧的电阻值，因此高压导线的电感与寄生电容不能引起高压波峰辐射，可以对于扰电平产生抑制作用。在点火线圈正极和接地端间接人一金属壳电容器，以抑制一次点火回路的干扰。

 

3)I／O通道的抗干扰措施，为了克服长线传输引起的信号失真，主要措施有光隔离、合理布线等。

 

采用光隔离技术可以将微处理器系统与前向通道和后向通道的电路联系切断，有效地防止干扰从通道进入控制系统。光隔离器的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声的干扰，从而使通道信噪比大大提高。光隔离器在密封条件下实现输入回路与输出回路的光耦合，不会受到外界光的干扰。输入回路与输出回路之间分布电容极小，而且绝缘电阻很大，因此回路一边的干扰很难通过光隔离器馈送到另一边去。

 

利用光隔离器实现输出端的通道隔离时，还需注意被隔离的通道两侧必须使用各自独立的电源，即用于驱动发光二极管的电源与驱动光敏晶体管的电源不应是共地的电源。对于隔离后的输出通道必须单独供电。否则，如果使用同一电源就失去了隔离的意义。对巡航系统中的执行器的驱动电路就可以采用光耦合器来防止车上强电磁干扰。

 

合理布线也是I／O通道的抗干扰措施的一个重要方面。为防止线间窜扰，必须将强、弱信号线分开；高、低压信号线分开；电源线与信号线分开；传输线应尽量短且远离大功率器件；采用双绞线，因双绞线传输的波阻抗高，能使各个小环路的电磁感应互相抵消。

 

4)外部干扰的抗干扰措施。对外部干扰的抗干扰主要措施有静电屏蔽(如导体接地)和电磁屏蔽(如采用导线包围式对反射进行吸收)。电磁屏蔽的具体措施有功率源远离主机、长地线套金属软管、信号线采用屏蔽传输线、采用金属壳体对外部强大电磁场进行屏蔽等。另外，还需对印制电路板实行板间隔离。

 

5)地线设计是一个很重要的问题。在微处理器应用系统中，地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地、模拟地等。在设计时，数字地和模拟地要分开，分别与电源端地线相连。

 

6)对系统中用到的元器件要进行筛选，要选择标准化以及互换性好的元器件或电路。

 

7)单片机进行扩展时，不能超过其驱动能力，否则将会使整个系统工作不正常。

 

8)CM0s电路中不使用的输入端不允许浮空，否则会引起逻辑电平不正常，易接受外界干扰产生误动作。在设计时，根据实际情况，将多余的输入端与正电源或地相连接。