车辆防抱死系统的改进设计与实现
王士刚 张跃进
摘 要： 以往设计出的车辆防抱死系统由于控制手段选择不佳，导致系统制动距离和制动时间均不佳。该文设计并实现了一种车辆防抱死改进系统。所设计的系统主要由控制模块、传感器和电磁阀组成，对其中的单片机、电源电路和修正电路进行重点改进。MSP430F149单片机利用其最小系统对传感器感应数据进行数据运算和分析，再调用电磁阀实现对车轮制动轮缸的直接控制。电源电路根据特定需求为传感器和MSP430F149单片机供应能量。改进后的修正电路，可实现对传感器硬件故障和电磁阀通信故障的检测和维修。系统利用现场可编程门阵列对其功能进行改进设计，并给出功能改进流程图。实验结果表明，所设计的系统具有较好的制动距离和制动时间，能够较为成功地实现改进目标。
关键词： 车辆防抱死系统； MSP430F149； 制动距离； 电磁阀通信故障
中图分类号： TN702?34； TM92 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0093?03
Abstract： The vehicle anti?lock braking systems designed in the past have poor system braking distance and braking time because they had chosen an unsuitable control means. An improved vehicle anti?lock braking system is designed and implemented in this paper. The system is mainly composed of control module， sensor and solenoid valve. MCU， power supply circuit and correction circuit in the system were improved emphatically. MSP430F149 MCU data computation is used to operate and analyze the sensor sensing data， and then call the solenoid valve to realize the direct control of the wheel brake cylinders. The power supply circuit provides power for the sensors and MSP430F149 MCU according to the specific requirements. The improved correction circuit can realize detection and maintenance of the sensor hardware failure and solenoid valve communication failure. The field programmable gate array （FPGA） is employed to improve the system function. The function improvement flow chart is given in this paper. The experimental results show that the designed system has suitable braking distance and braking time， can successfully achieve the improvement purpose.
Keywords： vehicle anti?lock braking system； MSP430F149； braking length； solenoid valve communication failure
0 引 言
近年来，汽车已成为人们生活中必不可少的交通工具。随着车速和车流密度的逐渐增长，人们开始关注驾驶安全。车辆生产商开始在车辆设计中加入车辆防抱死系统。车辆防抱死系统是一项以保障驾驶人员安全性为出发点设计的主动设备，其利用特定控制手段对车辆制动过程进行调节，达到避免车轮进入抱死状态的目标[1?3]，是人们关注的重点[4?6]。传统的车辆防抱死系统往往存在一定的缺陷，如文献[7]设计基于机械动力的车辆防抱死系统，该系统控制效果并不理想，导致系统制动时间较长。本文设计一种具有较好的制动距离和制动时间的车辆防抱死改进系统，有效保障驾驶人员的行车安全。
1 车辆防抱死系统的改进设计
1.1 系统整体改进设计
所设计的车辆防抱死改进系统主要由控制模块、传感器和电磁阀组成，其整体结构原理图如图1所示。
由图1可知，所设计的系统在车辆的四个车轮上分别安装了传感器，令传感器对车辆运行情况和行驶路面情况进行感应，再利用控制模块根据感应数据调用电磁阀，对车轮的制动轮缸进行直接控制，实现对以往设计系统制动距离和制动时间的有效改进。对单片机、电源电路和修正电路的设计是对车辆防抱死系统的改进重点。
1.2 单片机设计
在所设计的车辆防抱死改进系统中，控制模块负责对整个系统的数据运算和流程调整，这些工作主要由单片机实现。本文选择了MSP430F149单片机。它是由美国TI公司生产的一款低耗、指令精简的混合信号高速处理器，具有强大运算能力和控制效果，其内部配置了高效运算器，这使得系统的能耗和运算效率得到了一定的改进。MSP430F149单片机资源丰富，其将各种处理电路融合在一块芯片上，无需外接功能电路便能实现对整个系统的准确、高效控制。因此，只需对MSP430F149单片机的最小系统加以设计，便能够实现系统的改进目标，图2是MSP430F149单片机最小系统设计电路。
由图2可知， MSP430F149单片机中包括时钟电路和振荡电路。时钟电路的计时晶振为32.8 kHz，振荡电路的震荡晶振为3.7 MHz。这些设计为所设计的车辆防抱死改进系统提供了超强的控制能力，使较好的制动距离和制动时间系统的改进目标成为可能。当车辆驾驶人员开启刹车指令，传感器便会感应到车辆运行数据和行驶路面数据，MSP430F149单片机对这些数据进行模/数转换和分析。分析结束后，感应数据将自动进行数/模转换。电磁阀对MSP430F149单片机数/模转换产生的电压波动异常敏感，MSP430F149单片机根据该特性对电磁阀进行调用。
1.3 电源电路设计
电源电路为传感器和MSP430F149单片机供应能量。MSP430F149单片机对电源电路的需求较多，其所需电压范围为[1.6 V，3.8 V]，稳压系数需求在[0.045%，0.01%]之间，纹波抑制比需求在[53 dB，70 dB]之间。符合MSP430F149单片机需求的电源电路可同时对传感器进行供电，电源电路设计图如图3所示。
由图3可知，电容C1的作用是将蓄电池的24 V电压转换成12 V电压，电容C2则可将12 V电压转换成接近MSP430F149单片机所需的5 V电压。再经由电阻R1和可滑动电阻R2，将输出电压控制在[1.6 V，3.8 V]之间。电容C3具有排除电路干扰波形的作用。由于所设计的车辆防抱死改进系统的线路布置长且复杂，故电源电路利用电容C4避免系统线路自激。MSP430F149单片机对稳压系数和纹波抑制比的需求便是经由电容C3，C4实现的。
1.4 修正电路设计
传统的车辆防抱死系统中修正电路只能进行系统的简单维护，无法有效保障系统正常运行。改进后的修正电路分为传感器修正电路和电磁阀修正电路，其主要作用是对传感器硬件和电磁阀通信的故障进行检测和维护，如图4、图5所示。
由图4、图5可知，所设计的车辆防抱死改进系统为修正电路提供车辆制动故障辨认标准。对于传感器修正电路来说，故障辨认标准可帮助检测4个传感器中感应信号的脉冲数目，分析出传感器齿圈是否存在故障。对于电磁阀修正电路来说，其检测位置是在电磁阀与MSP430F149单片机的传输连接处。该电路能够在第一时间检测出电磁阀传输的短路故障或断路故障。修正电路一旦检测出故障存在，便将故障信息传输至控制模块，通过MSP430F149单片机对传感器或电磁阀的故障进行暂时控制，最后由系统维护人员介入处理。
2 车辆防抱死系统的改进软件设计
所设计的车辆防抱死改进系统利用现场可编程门阵列对系统功能进行改进设计，功能改进流程图见图6。
根据图6对所设计的车辆防抱死改进系统软件功能改进进行解析。设计定义功能可以对车辆防抱死改进系统中所需改进的内置电路进行设计指导，缩短系统的制动距离和制动时间；设计输入功能将系统各模块和电路中的预设参数和控制流程，并将设计结果输入到系统相应位置；功能模型构建分析设计定义和设计输入的成果是否能够对车辆防抱死系统进行正确改进进行验证；逻辑定义的功能是将简化后的代码能够直接作为验证系统制动距离和制动时间好坏的依据；初仿真是对功能模型构建的二次检验，监督功能模型构建工作；线路布置功能是对设计输入和逻辑定义进行实现，将软件设计出的代码变换为硬件的实际线路布置方案，对系统功能进行改进和实现；末仿真全面监管着系统硬件和软件工作流程和参数，并对初仿真进行二次检验，是对系统进行的最后检验工作；时序分析功能是对线路布置功能的补充，对系统中线路时延的分析工作便是利用该功能实现的，时序分析顺序必须严格按照设计定义功能的功能实现规范执行，稍有偏差便会产生错误信息；下载验证功能是系统软件功能设计的最后一步，该功能将软件最终信号输入到系统单片机中，单片机将对输入信号进行下载和验证，验证成功后的信号将会对防抱死系统运行进行指导。
3 实验验证
由于路面限制会对车辆防抱死系统产生影响，故实验在3种光滑度不同路面上对本文系统的制动距离、制动时间好坏程度进行了验证。实验前对市面上车辆防抱死系统进行了调研，得出在安装有两个改进前车辆防抱死系统（分别为基于数字计算机的车辆防抱死系统和基于电子控制的车辆防抱死系统，本次实验中将二者称为“系统1”和“系统2”）的某品牌最新型号车辆，在30 m/s的匀速行驶状态下该车辆在3个不同路面上的制动距离和制动时间，如表1、表2所示。
现利用本文系统在上述条件下进行制动距离和制动时间实验，图7分别是本文系统在路面1、路面2和路面3上进行实验的验证结果曲线图。
分析图7可知，本文系统在路面1上以30 m/s的匀速行驶的情况下，其制动距离为51.8 m，此时的制动时间为3.8 s，这两个数值均低于系统1和系统2的调研值，且曲线较为稳定，无异常情况出现；本文系统在路面2上的制动距离为51.8 m，此时的制动时间为5.7 s，这两个数值均低于系统1和系统2的调研值，且曲线较为光滑，无异常情况出现；本文系统在路面3上的制动距离为65.0 m，此时的制动时间为6.5 s，这两个数值均低于系统1和系统2的调研值，且曲线波动处于标准范围内，不会对驾驶员的行驶安全产生影响。
4 结 论
本文对传统的车辆防抱死系统进行改进设计。实验结果表明，本文系统的制动距离和制动时间数据，均由优于基于数字计算机的车辆防抱死系统和基于电子控制的车辆防抱死系统，验证了本文系统具有较好的制动距离和制动时间，能够较为成功地实现系统改进。
参考文献
[1] 李振兴，周晶晶.基于Simulink的车辆防抱死制动系统控制研究[J].价值工程，2016，35（7）：102?104.
[2] 郭忠庆，史本伟，乔睿.PID在汽车防抱死系统中的仿真应用[J].交通节能与环保，2016，12（1）：37?43.
[3] 初亮，祁富伟，王彦波，等.汽车防抱死系统电磁阀的阶梯控制[J].吉林大学学报（工学版），2014，44（4）：907?911.
[4] 路林，王青，郎世隆，等.关于摩托车防抱死制动系统性能测试方法的介绍[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（3）：91?93.
[5] 林欢，张渝，王伟，等.针对防抱死系统的主动安全仿真策略[J].农业装备与车辆工程，2014，52（3）：14?18.
[6] 赵树恩，李玉玲，余强.基于底盘多子系统协调控制的车辆稳定性控制[J].交通运输工程学报，2015，15（4）：77?85.
[7] 刘学军，何仁.電磁?液压复合防抱死制动系统滑模控制[J].农业机械学报，2014，45（5）：1?7.
摘 要： 以往设计出的车辆防抱死系统由于控制手段选择不佳，导致系统制动距离和制动时间均不佳。该文设计并实现了一种车辆防抱死改进系统。所设计的系统主要由控制模块、传感器和电磁阀组成，对其中的单片机、电源电路和修正电路进行重点改进。MSP430F149单片机利用其最小系统对传感器感应数据进行数据运算和分析，再调用电磁阀实现对车轮制动轮缸的直接控制。电源电路根据特定需求为传感器和MSP430F149单片机供应能量。改进后的修正电路，可实现对传感器硬件故障和电磁阀通信故障的检测和维修。系统利用现场可编程门阵列对其功能进行改进设计，并给出功能改进流程图。实验结果表明，所设计的系统具有较好的制动距离和制动时间，能够较为成功地实现改进目标。
关键词： 车辆防抱死系统； MSP430F149； 制动距离； 电磁阀通信故障
中图分类号： TN702?34； TM92 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0093?03
Abstract： The vehicle anti?lock braking systems designed in the past have poor system braking distance and braking time because they had chosen an unsuitable control means. An improved vehicle anti?lock braking system is designed and implemented in this paper. The system is mainly composed of control module， sensor and solenoid valve. MCU， power supply circuit and correction circuit in the system were improved emphatically. MSP430F149 MCU data computation is used to operate and analyze the sensor sensing data， and then call the solenoid valve to realize the direct control of the wheel brake cylinders. The power supply circuit provides power for the sensors and MSP430F149 MCU according to the specific requirements. The improved correction circuit can realize detection and maintenance of the sensor hardware failure and solenoid valve communication failure. The field programmable gate array （FPGA） is employed to improve the system function. The function improvement flow chart is given in this paper. The experimental results show that the designed system has suitable braking distance and braking time， can successfully achieve the improvement purpose.
Keywords： vehicle anti?lock braking system； MSP430F149； braking length； solenoid valve communication failure
0 引 言
近年来，汽车已成为人们生活中必不可少的交通工具。随着车速和车流密度的逐渐增长，人们开始关注驾驶安全。车辆生产商开始在车辆设计中加入车辆防抱死系统。车辆防抱死系统是一项以保障驾驶人员安全性为出发点设计的主动设备，其利用特定控制手段对车辆制动过程进行调节，达到避免车轮进入抱死状态的目标[1?3]，是人们关注的重点[4?6]。传统的车辆防抱死系统往往存在一定的缺陷，如文献[7]设计基于机械动力的车辆防抱死系统，该系统控制效果并不理想，导致系统制动时间较长。本文设计一种具有较好的制动距离和制动时间的车辆防抱死改进系统，有效保障驾驶人员的行车安全。
1 车辆防抱死系统的改进设计
1.1 系统整体改进设计
所设计的车辆防抱死改进系统主要由控制模块、传感器和电磁阀组成，其整体结构原理图如图1所示。
由图1可知，所设计的系统在车辆的四个车轮上分别安装了传感器，令传感器对车辆运行情况和行驶路面情况进行感应，再利用控制模块根据感应数据调用电磁阀，对车轮的制动轮缸进行直接控制，实现对以往设计系统制动距离和制动时间的有效改进。对单片机、电源电路和修正电路的设计是对车辆防抱死系统的改进重点。
1.2 单片机设计
在所设计的车辆防抱死改进系统中，控制模块负责对整个系统的数据运算和流程调整，这些工作主要由单片机实现。本文选择了MSP430F149单片机。它是由美国TI公司生产的一款低耗、指令精简的混合信号高速处理器，具有强大运算能力和控制效果，其内部配置了高效运算器，这使得系统的能耗和运算效率得到了一定的改进。MSP430F149单片机资源丰富，其将各种处理电路融合在一块芯片上，无需外接功能电路便能实现对整个系统的准确、高效控制。因此，只需对MSP430F149单片机的最小系统加以设计，便能够实现系统的改进目标，图2是MSP430F149单片机最小系统设计电路。
由图2可知， MSP430F149单片机中包括时钟电路和振荡电路。时钟电路的计时晶振为32.8 kHz，振荡电路的震荡晶振为3.7 MHz。这些设计为所设计的车辆防抱死改进系统提供了超强的控制能力，使较好的制动距离和制动时间系统的改进目标成为可能。当车辆驾驶人员开启刹车指令，传感器便会感应到车辆运行数据和行驶路面数据，MSP430F149单片机对这些数据进行模/数转换和分析。分析结束后，感应数据将自动进行数/模转换。电磁阀对MSP430F149单片机数/模转换产生的电压波动异常敏感，MSP430F149单片机根据该特性对电磁阀进行调用。
1.3 电源电路设计
电源电路为传感器和MSP430F149单片机供应能量。MSP430F149单片机对电源电路的需求较多，其所需电压范围为[1.6 V，3.8 V]，稳压系数需求在[0.045%，0.01%]之间，纹波抑制比需求在[53 dB，70 dB]之间。符合MSP430F149单片机需求的电源电路可同时对传感器进行供电，电源电路设计图如图3所示。
由图3可知，电容C1的作用是将蓄电池的24 V电压转换成12 V电压，电容C2则可将12 V电压转换成接近MSP430F149单片机所需的5 V电压。再经由电阻R1和可滑动电阻R2，将输出电压控制在[1.6 V，3.8 V]之间。电容C3具有排除电路干扰波形的作用。由于所设计的车辆防抱死改进系统的线路布置长且复杂，故电源电路利用电容C4避免系统线路自激。MSP430F149单片机对稳压系数和纹波抑制比的需求便是经由电容C3，C4实现的。
1.4 修正电路设计
传统的车辆防抱死系统中修正电路只能进行系统的简单维护，无法有效保障系统正常运行。改进后的修正电路分为传感器修正电路和电磁阀修正电路，其主要作用是对传感器硬件和电磁阀通信的故障进行检测和维护，如图4、图5所示。
由图4、图5可知，所设计的车辆防抱死改进系统为修正电路提供车辆制动故障辨认标准。对于传感器修正电路来说，故障辨认标准可帮助检测4个传感器中感应信号的脉冲数目，分析出传感器齿圈是否存在故障。对于电磁阀修正电路来说，其检测位置是在电磁阀与MSP430F149单片机的传输连接处。该电路能够在第一时间检测出电磁阀传输的短路故障或断路故障。修正电路一旦检测出故障存在，便将故障信息传输至控制模块，通过MSP430F149单片机对传感器或电磁阀的故障进行暂时控制，最后由系统维护人员介入处理。
2 车辆防抱死系统的改进软件设计
所设计的车辆防抱死改进系统利用现场可编程门阵列对系统功能进行改进设计，功能改进流程图见图6。
根据图6对所设计的车辆防抱死改进系统软件功能改进进行解析。设计定义功能可以对车辆防抱死改进系统中所需改进的内置电路进行设计指导，缩短系统的制动距离和制动时间；设计输入功能将系统各模块和电路中的预设参数和控制流程，并将设计结果输入到系统相应位置；功能模型构建分析设计定义和设计输入的成果是否能够对车辆防抱死系统进行正确改进进行验证；逻辑定义的功能是将简化后的代码能够直接作为验证系统制动距离和制动时间好坏的依据；初仿真是对功能模型构建的二次检验，监督功能模型构建工作；线路布置功能是对设计输入和逻辑定义进行实现，将软件设计出的代码变换为硬件的实际线路布置方案，对系统功能进行改进和实现；末仿真全面监管着系统硬件和软件工作流程和参数，并对初仿真进行二次检验，是对系统进行的最后检验工作；时序分析功能是对线路布置功能的补充，对系统中线路时延的分析工作便是利用该功能实现的，时序分析顺序必须严格按照设计定义功能的功能实现规范执行，稍有偏差便会产生错误信息；下载验证功能是系统软件功能设计的最后一步，该功能将软件最终信号输入到系统单片机中，单片机将对输入信号进行下载和验证，验证成功后的信号将会对防抱死系统运行进行指导。
3 实验验证
由于路面限制会对车辆防抱死系统产生影响，故实验在3种光滑度不同路面上对本文系统的制动距离、制动时间好坏程度进行了验证。实验前对市面上车辆防抱死系统进行了调研，得出在安装有两个改进前车辆防抱死系统（分别为基于数字计算机的车辆防抱死系统和基于电子控制的车辆防抱死系统，本次实验中将二者称为“系统1”和“系统2”）的某品牌最新型号车辆，在30 m/s的匀速行驶状态下该车辆在3个不同路面上的制动距离和制动时间，如表1、表2所示。
现利用本文系统在上述条件下进行制动距离和制动时间实验，图7分别是本文系统在路面1、路面2和路面3上进行实验的验证结果曲线图。
分析图7可知，本文系统在路面1上以30 m/s的匀速行驶的情况下，其制动距离为51.8 m，此时的制动时间为3.8 s，这两个数值均低于系统1和系统2的调研值，且曲线较为稳定，无异常情况出现；本文系统在路面2上的制动距离为51.8 m，此时的制动时间为5.7 s，这两个数值均低于系统1和系统2的调研值，且曲线较为光滑，无异常情况出现；本文系统在路面3上的制动距离为65.0 m，此时的制动时间为6.5 s，这两个数值均低于系统1和系统2的调研值，且曲线波动处于标准范围内，不会对驾驶员的行驶安全产生影响。
4 结 论
本文对传统的车辆防抱死系统进行改进设计。实验结果表明，本文系统的制动距离和制动时间数据，均由优于基于数字计算机的车辆防抱死系统和基于电子控制的车辆防抱死系统，验证了本文系统具有较好的制动距离和制动时间，能够较为成功地实现系统改进。
参考文献
[1] 李振兴，周晶晶.基于Simulink的车辆防抱死制动系统控制研究[J].价值工程，2016，35（7）：102?104.
[2] 郭忠庆，史本伟，乔睿.PID在汽车防抱死系统中的仿真应用[J].交通节能与环保，2016，12（1）：37?43.
[3] 初亮，祁富伟，王彦波，等.汽车防抱死系统电磁阀的阶梯控制[J].吉林大学学报（工学版），2014，44（4）：907?911.
[4] 路林，王青，郎世隆，等.关于摩托车防抱死制动系统性能测试方法的介绍[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（3）：91?93.
[5] 林欢，张渝，王伟，等.针对防抱死系统的主动安全仿真策略[J].农业装备与车辆工程，2014，52（3）：14?18.
[6] 赵树恩，李玉玲，余强.基于底盘多子系统协调控制的车辆稳定性控制[J].交通运输工程学报，2015，15（4）：77?85.
[7] 刘学军，何仁.電磁?液压复合防抱死制动系统滑模控制[J].农业机械学报，2014，45（5）：1?7.
