1 引言

當車輛行駛在轉彎路面或巷道時，傳統燃油汽車通過左右輪間的機械差速器保證了兩側車輪能夠以不同速度旋轉，雖然滿足了汽車行駛運動學的要求，同時也增加了減震懸架系統的復雜度，降低了系統的效率。本文研究的電動汽車采用獨立的輪式驅動方式，即每個車輪有一個直接驅動的電機。這樣，汽車兩個后輪都能獨立提供驅動動力，可以按運行工況需求獨立分配功率，該電子差速控制器是以兩個驅動輪的附著系數相等為目標分配兩輪的驅動轉矩，從而使車輛發生滑轉的可能性減小到最小，具有操作靈活，運行穩定的優點，是未來電動汽車發展的主要方向。電動汽車差速控制器的設計除了要考慮穩定性好，更要考慮在工業現場便于維護、升級。使用傳統方法對CPU重新編程存在很多不便，所以，采用在系統編程(ISP技術)設計控制器系統。

2 開發模式介紹及芯片選擇

本文介紹的應用系統采用了一種新的開發模式(類似于編程器開發模式)。由于利用了芯片的在系統編程(ISP)功能，因此不需要移動芯片。在軟件設計時設計成:一旦代碼文件被重新編過，即自動下載到芯片，并自動復位運行，是真正的“所編即所得”。

目前很多單片機都支持在系統編程。8051系列單片機支持在系統編程的也很多，但大多數是支持通過PC機的串口對單片機進行編程。這樣有四個不方便的地方:一是項目本身與PC機串行通信不方便;二是要增加1片MAX232電平轉換芯片;三是有的芯片要按特定的步驟進入下載模式，編程過程需要手工干預;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，則芯片的在系統編程功能也沒有了。

經過比較，ATMEL公司生產的ATmega16L是一款比較理想的芯片，它的內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備了AVR高檔單片機的MEGE系列的全部性能和特點，適合本系統的開發。

在AVR產品中，ATmega16L具有突出特點:

(1) 高性能、低功耗的8bAVR微控制器，先進的RISC精簡指令集結構，可通過SPI接口在系統串行編程與8051兼容。

(2) 片內集成了較大容量的非易失性程序和數據存儲器。16KB的Flash程序存儲器，可擦寫壽命達10,000次;512B的EEPROM，擦寫壽命達100,000次;支持可在線編程(ISP)和可應用自編程(IAP);可編程的程序加密位。

(3) 豐富強大的外部接口性能。四通道PWM，可實現任意16b以內的、相位和頻率可調的PWM脈寬調制輸出，為實現先進的電機控制方法提供了條件;8通道A/D轉換;32個可編程的I/O口。

(4) 特殊的微控制器性能。可控制的上電復位以及可編程的欠電壓檢測電路;串行編程時有自動擦寫周期，在調試大程序時可以分段下載，節約時間。

3 ATmega16微控制器在系統編程模式

當芯片的引腳RESET接地時，Flash程序存儲器、EEPROM數據存儲器、熔絲位和加密鎖定位都可以通過SPI總線接口[SCK，MOSI(input)，MISO(output)]來編程。當RESET引腳為低電平后，在編程/擦除操作之前必須首先發送一條編程允許命令。在串行編程模式下，芯片會在字節編程之前自動插入一個擦除周期。因此，除非芯片的代碼保護位被編程，編程之前不需要執行全片擦除命令。芯片擦除指令把程序和數據存儲器的每一單元都變成0xFF。而根據系統時鐘源的不同，串行編程時鐘SCK必須同系統時鐘相配合，SCK的低電平和高電平的最小時間定義如下:Low:大于2個MCU時鐘周期(fck＜12MHz);High:大于2個MCU時鐘周期(fck＜12MHz)。

4 在系統編程技術在汽車電子差速控制中的應用

4.1 系統組成

整個車輛控制系統分兩層，外層是差速控制層，根據從直流電機采集到的速度量反饋到CPU，經A/D轉換、CPU內部差速算法計算后產生理想轉矩值Td，內層是電機轉矩控制層，根據從直流電機采集到的電流量反饋到CPU，經A/D轉換、CPU內部PID算法調節后產生實際控制電流Io，CPU通過查表計算出PWM占空比，此信號通過功率轉換電路輸送給直流電機，一但發現電機功率轉換電路內出現過流、過壓、過溫等異常情況時，保護電路及時通知CUP并做相應調整。系統運行情況由外部狀態指示器顯示。RS-485輸出用于與其他車載電子設備通信。系統組成框圖如圖1所示：

圖1 汽車電子差速控制系統結構圖
本系統設計的ISP接口區別于通常將TTL電平轉換成RS-232電平的做法，如圖2所示，利用該電路圖可以方便的實現電動車差速控制系統與PC機的通信。通過計算機并口與單片機SPI口連接，為了保護計算機并口，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技術實現

(1) Atmega16L在系統串行編程步驟

●在XTAL1和XTAL2之間連接一個8MHz的晶振;在VCC與GND之間加上電，同時將RST和SCK設置為低電平。
●等待至少20ms，由MOSI引腳送入串行編程允許命令。
●Flash是按頁編程，一次操作對應一個頁編程。發送寫/讀/擦除等命令及數據，串行數據高位在前，低位在后，數據在時鐘的上升沿鎖定。
●如果上一步是寫命令，至少等待4.5ms。
●需要時重復③、④兩步。
●將RESET引腳設置為高電平，芯片開始執行程序。

(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)/L(高字節)，o=數據輸出，i=數據輸入，x=任意

(3) Atmega16L串行編程時序圖

Atmega16L串行編程時序圖如圖3所示：

圖3 Atmega16L串行編程時序圖
5 結束語

ISP技術的應用，為汽車電子差速控制系統的研制，工業現場的維護、升級過程提供了便利，使系統成本顯著降低。本系統舍去了以往通過PC機的串口對單片機進行編程的模式，改用計算機并口與單片機SPI口連接，提高了數據傳送速度和系統的可靠性。(end)