基于FSAE的無線數采與自動換擋研究

摘 要：通過CPLD控制氣動換擋和STM32進行對CAN總線數據的讀取，進行編程設計出了一套硬件，主要功能為數據的采集與發送以及一定程度對車的控制，對于車輛性能的監測有一定實用意義。為防止一部分模塊有問題而導致需要更換整個系統，提升維修難度，故分為氣動控制板和高級功能板兩部分。氣動控制板對電磁閥與離合控制還有斷火信號的產生有主要作用。高級功能板實現CAN總線和ECU進行通信還有具備發送信號給遙測平臺以實現對整車數據的采集的功能。

關鍵詞：CPLD；嵌入式；STM32；無線數采；自動控制；FSAE

引言

隨著FSAE賽事在中國不斷普及，如何提高車輛的性能和實時了解車輛狀態成為了各個參賽隊伍的一個普遍問題。同時對賽車和改裝車實時了解整車狀態和根據狀態來進行整車控制也變得更加熱門。

直線加速比賽中換擋時動力的不連貫和換擋時間成為了一個影響最終成績的主要問題，通過采用氣動換擋和氣動離合，在換擋時產生斷火信號給ECU使換擋過程簡化，只需要撥片一個動作完成。減小了換擋時間約50%。同時通過讀取CAN總線的信息進行換擋時機判斷，也減小了人為判斷失誤對成績的影響。

在車輛調試時，傳統的調試需要等車停下來后讀取CDL中的數據，無法實時對車輛的狀態進行監測。同時其多為國外專用產品，價格較高。所以采取無線發射的方法可以在多種平臺進行接收讀取分析，提高了監測的便利性。

文章分別借助CPLD，STM32作為主控芯片，運用Altium Designer進行了氣動控制板和高級功能板的設計，運用ISE和KEIL進行編程，并且對于結果進行了實車測試。

1 氣動控制板的設計

1.1 氣動控制板目標功能

在設計時，車換擋的過程不是簡單的壓縮氣體推動電磁閥拉動檔桿，而是需要發動機多種電控進行配合才能達到換擋流暢穩定。

在車輛駕駛時升檔需要收油、降檔需要離合。

升檔時，先拉離合使動力傳輸中斷，然后進行升檔，此時發動機轉速要比車速快，所以應先收油，此時人為收油可以由發動機斷油斷火信號等效，我們采用了斷火，因為斷火信號更加響應快，使發動機轉速降下來，然后貼緊離合，連接動力傳輸。

相反，降檔時應該拉離合，補油防止倒拖，使傳輸中斷，然后降檔，發動機轉速要低于車速，然后給油，使發動機轉速提高，松離合連接動力傳輸。

所以我們在升檔的時候需要控制的有斷火和拉動氣缸升檔，在降檔的時候，我們需要拉動離合還有進行氣缸反向動作。

1.2 氣動控制板的電路設計

在設計的時候控制需要嚴格的時序控制，所以選用CPLD進行控制，其相對于單片機有以下優點：（1）高速。即使是高速度單片機也只能工作在μs級，這是由單片機串行工作的特點所決定的。（2）高可靠性。雖然單片機目前有很多器件與設計在一定程度上解決了部分問題，如看門狗的廣泛應用，但在某些情況下瞬間的復位也會造成嚴重后果。在設計電路時著重強調的是電路的穩定性還有體積的小型化。

在電路的穩定性方面，選用了固態繼電器，固態繼電器相對于傳統繼電器有以下的優點：（1）高壽命，高可靠。（2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好。（3）快速轉換，切換速度可從幾毫秒至幾微秒。（4）電磁干擾小：固態繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾和開關瞬態效應。同時采用了有源貼片電感代替了傳統無源插針電感，即提高了電路的精確性又提高了集成度。電解電容改為鉭電容，進一步縮小了體積。最后縮小電路面積達25%。

2 高級功能板的設計

2.1 高級功能板主要功能概述

高級功能板主要承擔了CAN總線讀取、換擋條件判斷和數據傳輸的任務。首先得完成對CAN總線的讀取。

CAN（控制器局域網絡），是由博世公司開發的一種工業現場總線。被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和震動大的工業環境。

車輛使用的ECU型號為MoTeC M800，基于CAN2.0通訊，采用廣播式發送，每次發送173字節的數據包，傳輸速率為1M/S。本項目自制一個基于STM32的ECU數據采集板將ECU的數據采集、篩選并發送。使用STM32作為主控，STM32自帶兩個CAN控制器，中斷方式接收來自ECU的CAN數據包，并且通過輪詢方式將數據通過無線串口發送。采用HVP230作為CAN數據的硬件收發器。經驗證，可以高效地采集并發送數據，穩定性非常高。

在設計無線傳輸端時最初選用433MHZ無線串口進行數據傳輸，在實際測試中傳輸20組數據，數據傳回時繪制折線圖速率并不理想，于是換成了2.4GHZ進行傳輸，表1為在實驗室環境下對我們使用的E34-TTL-100型無線串口速度測試所得的結果。

2.2 高級功能板的電路設計

在設計高級功能板時應當注意過孔的寄生電容和寄生電感。過孔存在著對地的寄生電容，過孔在鋪地層上的隔離孔直徑為φ2，過孔焊盤的直徑為φ1，PCB板的厚度為T，板基材介電常數為ε，則過孔的寄生電容大小近似于：

C=1.41εTφ1/（φ2-φ1）

過孔的寄生電容影響使信號的上升時間變長，降低了電信號的傳輸速度。

我們通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致是：C=1.41×4.4×0.050×0.020/（0.032-0.020）=0.517pF，這部分電容引起的上升時間變化量為：31.28ps。可以看出，盡管單個過孔的寄生電容降低信號傳輸速度的效應不是很明顯，但是如果在PCB設計中多次過孔，引起的效果不容忽視。

過孔的寄生串聯電感會削弱旁路電容濾波的作用，削弱電源系統的濾波效用。根據公式我們可以得到寄生電容的大小為：

L=5.08h[ln（4h/d）+1]

計算出過孔的電感為：L=5.08×0.050[ln（4×0.050/0.010）+1]=1.015nH。如果信號的上升時間是1ns，那么其等效阻抗大小為：XL=πL/T10-90=3.19Ω。這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經不能夠被忽略。經過計算，一般選用10/20Mil（鉆孔/焊盤）的過孔較好。

3 實車測試結果與分析

3.1 在安裝自動控制端之前的表現

在安裝自動控制端對車手的表現最好成績進行分析，根據節氣門開度可以看出進行了4次換擋，取換擋時間為節氣門滿開度到再次到滿開度之間的時間為基準進行計算。

根據ECU讀出的數據可以看出車手換擋時間最短為80ms，平均時長為120ms。

3.2 在安裝自動控制之后的表現

在安裝自動升檔和升檔斷火裝置后，我們采用逐次減小斷火時間來測定斷火最小時間極限。得出當斷火時間（Ignore）為40ms時可以得到穩定的升檔率。同時通過CAN的轉速信息和檔位信息設定來確定換擋的觸發條件。

根據多次試驗，我們測得了不同檔位最適合換擋的轉速，對比沒有氣動自動升檔的車輛測試數據，得出了安裝了自動換擋裝置可以節省最少50%的換擋時間，在75米直線加速中可以提高最少5%的成績。

參考文獻

[1]李天宇.混合動力工程車輛自動變速換擋策略及控制方法研究[D].吉林大學，2014.

[2]石潤彬，鄧晶.基于STM32的CAN智能溫度檢測系統設計[J].紹興文理學院學報（自然科學），2011.