1 引言

當(dāng)車(chē)輛行駛在轉(zhuǎn)彎路面或巷道時(shí)，傳統(tǒng)燃油汽車(chē)通過(guò)左右輪間的機(jī)械差速器保證了兩側(cè)車(chē)輪能夠以不同速度旋轉(zhuǎn)，雖然滿(mǎn)足了汽車(chē)行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，同時(shí)也增加了減震懸架系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的效率。本文研究的電動(dòng)汽車(chē)采用獨(dú)立的輪式驅(qū)動(dòng)方式，即每個(gè)車(chē)輪有一個(gè)直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)。這樣，汽車(chē)兩個(gè)后輪都能獨(dú)立提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，可以按運(yùn)行工況需求獨(dú)立分配功率，該電子差速控制器是以?xún)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)輪的附著系數(shù)相等為目標(biāo)分配兩輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使車(chē)輛發(fā)生滑轉(zhuǎn)的可能性減小到最小，具有操作靈活，運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要方向。電動(dòng)汽車(chē)差速控制器的設(shè)計(jì)除了要考慮穩(wěn)定性好，更要考慮在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)便于維護(hù)、升級(jí)。使用傳統(tǒng)方法對(duì)CPU重新編程存在很多不便，所以，采用在系統(tǒng)編程(ISP技術(shù))設(shè)計(jì)控制器系統(tǒng)。

2 開(kāi)發(fā)模式介紹及芯片選擇

本文介紹的應(yīng)用系統(tǒng)采用了一種新的開(kāi)發(fā)模式(類(lèi)似于編程器開(kāi)發(fā)模式)。由于利用了芯片的在系統(tǒng)編程(ISP)功能，因此不需要移動(dòng)芯片。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)成:一旦代碼文件被重新編過(guò)，即自動(dòng)下載到芯片，并自動(dòng)復(fù)位運(yùn)行，是真正的“所編即所得”。

目前很多單片機(jī)都支持在系統(tǒng)編程。8051系列單片機(jī)支持在系統(tǒng)編程的也很多，但大多數(shù)是支持通過(guò)PC機(jī)的串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。這樣有四個(gè)不方便的地方:一是項(xiàng)目本身與PC機(jī)串行通信不方便;二是要增加1片MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片;三是有的芯片要按特定的步驟進(jìn)入下載模式，編程過(guò)程需要手工干預(yù);四是有的芯片需要固件(定制的程序)的支持，如果不小心損壞了固件，則芯片的在系統(tǒng)編程功能也沒(méi)有了。

經(jīng)過(guò)比較，ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega16L是一款比較理想的芯片，它的內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備了AVR高檔單片機(jī)的MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)，適合本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

在AVR產(chǎn)品中，ATmega16L具有突出特點(diǎn):

(1) 高性能、低功耗的8bAVR微控制器，先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，可通過(guò)SPI接口在系統(tǒng)串行編程與8051兼容。

(2) 片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。16KB的Flash程序存儲(chǔ)器，可擦寫(xiě)壽命達(dá)10,000次;512B的EEPROM，擦寫(xiě)壽命達(dá)100,000次;支持可在線編程(ISP)和可應(yīng)用自編程(IAP);可編程的程序加密位。

(3) 豐富強(qiáng)大的外部接口性能。四通道PWM，可實(shí)現(xiàn)任意16b以?xún)?nèi)的、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出，為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的電機(jī)控制方法提供了條件;8通道A/D轉(zhuǎn)換;32個(gè)可編程的I/O口。

(4) 特殊的微控制器性能。可控制的上電復(fù)位以及可編程的欠電壓檢測(cè)電路;串行編程時(shí)有自動(dòng)擦寫(xiě)周期，在調(diào)試大程序時(shí)可以分段下載，節(jié)約時(shí)間。

3 ATmega16微控制器在系統(tǒng)編程模式

當(dāng)芯片的引腳RESET接地時(shí)，F(xiàn)lash程序存儲(chǔ)器、EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、熔絲位和加密鎖定位都可以通過(guò)SPI總線接口[SCK，MOSI(input)，MISO(output)]來(lái)編程。當(dāng)RESET引腳為低電平后，在編程/擦除操作之前必須首先發(fā)送一條編程允許命令。在串行編程模式下，芯片會(huì)在字節(jié)編程之前自動(dòng)插入一個(gè)擦除周期。因此，除非芯片的代碼保護(hù)位被編程，編程之前不需要執(zhí)行全片擦除命令。芯片擦除指令把程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每一單元都變成0xFF。而根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘源的不同，串行編程時(shí)鐘SCK必須同系統(tǒng)時(shí)鐘相配合，SCK的低電平和高電平的最小時(shí)間定義如下:Low:大于2個(gè)MCU時(shí)鐘周期(fck＜12MHz);High:大于2個(gè)MCU時(shí)鐘周期(fck＜12MHz)。

4 在系統(tǒng)編程技術(shù)在汽車(chē)電子差速控制中的應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)組成

整個(gè)車(chē)輛控制系統(tǒng)分兩層，外層是差速控制層，根據(jù)從直流電機(jī)采集到的速度量反饋到CPU，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、CPU內(nèi)部差速算法計(jì)算后產(chǎn)生理想轉(zhuǎn)矩值Td，內(nèi)層是電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制層，根據(jù)從直流電機(jī)采集到的電流量反饋到CPU，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、CPU內(nèi)部PID算法調(diào)節(jié)后產(chǎn)生實(shí)際控制電流Io，CPU通過(guò)查表計(jì)算出PWM占空比，此信號(hào)通過(guò)功率轉(zhuǎn)換電路輸送給直流電機(jī)，一但發(fā)現(xiàn)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換電路內(nèi)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫等異常情況時(shí)，保護(hù)電路及時(shí)通知CUP并做相應(yīng)調(diào)整。系統(tǒng)運(yùn)行情況由外部狀態(tài)指示器顯示。RS-485輸出用于與其他車(chē)載電子設(shè)備通信。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

圖1 汽車(chē)電子差速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的ISP接口區(qū)別于通常將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平的做法，如圖2所示，利用該電路圖可以方便的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)差速控制系統(tǒng)與PC機(jī)的通信。通過(guò)計(jì)算機(jī)并口與單片機(jī)SPI口連接，為了保護(hù)計(jì)算機(jī)并口，需要增加1片74HC244作為隔離。

圖2 在線下載ISP硬件原理圖
4.2 Atmega16L微控制器的ISP技術(shù)實(shí)現(xiàn)

(1) Atmega16L在系統(tǒng)串行編程步驟

●在XTAL1和XTAL2之間連接一個(gè)8MHz的晶振;在VCC與GND之間加上電，同時(shí)將RST和SCK設(shè)置為低電平。
●等待至少20ms，由MOSI引腳送入串行編程允許命令。
●Flash是按頁(yè)編程，一次操作對(duì)應(yīng)一個(gè)頁(yè)編程。發(fā)送寫(xiě)/讀/擦除等命令及數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)高位在前，低位在后，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿鎖定。
●如果上一步是寫(xiě)命令，至少等待4.5ms。
●需要時(shí)重復(fù)③、④兩步。
●將RESET引腳設(shè)置為高電平，芯片開(kāi)始執(zhí)行程序。

(2) Atmega16L串行編程命令

Atmega16L串行編程命令表附表所示。

附表 Atmega16L串行編程命令

注:a=高位地址，b=低位地址，H=0(低字節(jié))/L(高字節(jié))，o=數(shù)據(jù)輸出，i=數(shù)據(jù)輸入，x=任意

(3) Atmega16L串行編程時(shí)序圖

Atmega16L串行編程時(shí)序圖如圖3所示：

圖3 Atmega16L串行編程時(shí)序圖
5 結(jié)束語(yǔ)

ISP技術(shù)的應(yīng)用，為汽車(chē)電子差速控制系統(tǒng)的研制，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)、升級(jí)過(guò)程提供了便利，使系統(tǒng)成本顯著降低。本系統(tǒng)舍去了以往通過(guò)PC機(jī)的串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程的模式，改用計(jì)算機(jī)并口與單片機(jī)SPI口連接，提高了數(shù)據(jù)傳送速度和系統(tǒng)的可靠性。(end)