Разработка микроконтроллерной системы автоматической регулировки фар

       По  конструктивному признаку микроконтроллеры можно разделяются на:

       – однокристальные с фиксированной разрядностью (8 бит, 16 бит, 32 бит) и определенной системой команд;

       – многокристальные (секционные) микроконтроллеры с наращиваемой разрядностью слова и микропрограммным управлением.

       В настоящее время контроллеры  строятся на основе RISC архитектуры, то есть, процессоров, выполняющих более ограниченный набор команд, но с высокой производительностью. Кроме того, основным типом в настоящее время являются без аккумуляторные котроллеры, в которых операции выполняются над любым регистром общего назначения. В таких контроллерах резко уменьшено число операций пересылки данных, что повышает их производительность. С точки зрения организации чтения данных и команд контроллеры строятся по гарвардской архитектуре, которая характеризуется наличием отдельный шин данных и команд, что также повышает производительность.

       Основными характеристиками микроконтроллера являются быстродействие, разрядность, объем памяти и интерфейсы.

       Быстродействие  – это число выполняемых операций в секунду. В настоящее время контроллеры обладают высоким быстродействием, достаточным для решения большинства задач автоматизированного управления автомобильными системами.

       Разрядность характеризует объём информации, который микроконтроллер обрабатывает за одну операцию: 8-разрядный процессор  за одну операцию обрабатывает 8 бит  информации, 32-разрядный – 32 бита. Скорость работы микроконтроллера во многом определяет быстродействие

       всей  системы. Он выполняет всю обработку  поступающих данных и хранящихся в его памяти, под управлением  программы, также хранящейся в памяти.

       Внутренняя  шина данных соединяет собой основные части микроконтроллера. В микроконтроллерной системе используется три вида шин: данных, адресов и управления. Разрядность внутренней шины данных, т. е. количество передаваемых по ней одновременно (параллельно) битов числа соответствует разрядности cлов, которыми оперирует микроконтроллер. Очевидно, что разрядность внутренней и внешней шин данных должна быть одной и той же. У восьмиразрядного микроконтроллера внутренняя шина данных состоит из восьми линий, по которым можно передавать последовательно восьмиразрядные слова – байты. Следует иметь ввиду, что по шине данных передаются на только обрабатываемые операционным устройством слова, но и командная информация. Следовательно, недостаточно высокая разрядность шины данных может ограничить состав (сложность) команд и их число. Поэтому разрядность шины данных относят к важным характеристикам микропроцессора – она в большей мере определяет его структуру. Шина данных микроконтроллера работает в режиме двунаправленной передачи, то есть по ней можно передавать слова в обоих направлениях, но не одновременно.

       Для обеспечения работы микроконтроллера необходима программа, т. е. последовательность команд, и данные, над которыми процессор  производит предписываемые командами  операции. Основная память, как правило, состоит из запоминающих устройств (ЗУ) двух видов оперативного (ОЗУ) и постоянного (ПЗУ).

       Рабочая программа должна храниться в  постоянном запоминающем устройстве. Постоянное запоминающее устройство содержит информацию, которая не должна изменяться в ходе выполнения микроконтроллером программы. Такую информацию составляют стандартные подпрограммы, табличные данные, коды физических констант и постоянных коэффициентов и т. п. Эта информация заносится в ПЗУ предварительно, и в ходе работы микроконтроллера может только считываться. Таким образом, ПЗУ работает в режимах хранения и считывания. Для того чтобы программу можно было легко модифицировать, лучше, использовать перепрограммируемые ПЗУ, Т.е. ППЗУ (перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство).

       Для хранения промежуточных результатов вычислений используется ОЗУ (оперативно запоминающее устройство). Оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения переменной информации, оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микроконтроллером вычислительных операций с данными. Это значит, что микроконтроллер может выбрать (режим считывания) из ОЗУ код команды и данные и после обработки поместить в ОЗУ (режим записи) полученный результат. Причем возможно размещение в ОЗУ новых данных на местах прежних, которые в этом случае перестают существовать. Таким образом, ОЗУ может работать в режимах записи, считывания и хранения информации.

       К микропроцессору ОЗУ и ПЗУ  для передачи данных подключаются через  шину данных (ШД). Обращение к ячейкам  памяти осуществляется с помощью адресов, передаваемых микропроцессором по шине адреса (АД). Для выполнения операций чтения или записи микропроцессор вырабатывает специальные управляющие сигналы (RD, WR), выборка ОЗУ или ПЗУ осуществляется микропроцессором с помощью сигналов выборки (CS_RAM, CS_ROM), а ЗУ сообщают о своей готовности к выполнению операций записичтения с помощью сигнала готовности. Такие сигналы объединяются в шину управления (ШУ).

       Источником  информации для микропроцессора  являются датчики, позволяющие получать информации о состоянии управляемого объекта, а также положении исполнительных устройств, Т.е. через датчики осуществляется обратная связь объекта управления с устройством управления. Рассмотрим какие датчики могут быть использованы в системе управления поворотом фар автомобиля.

       Датчики системы. Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

       Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики – с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

       Датчик  – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) В сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик - это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

       Используемые  датчики весьма разнообразны и могут  быть классифицированы по различным признакам.

       В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают датчики:

1. механических перемещений (линейных и угловых);
2. пневматические;
3. электрические;
4. расходомеры;
5. скорости;
6. ускорения;
7. усилия;
8. температуры;
9. давления и другие.

       По  виду выходной величины, в которую  преобразуется входная величина, различают неэлектрические и  электрические: датчики постоянного  тока (ЗДС или напряжения), датчики  амплитуды переменного тока (ЗДС  или напряжения), датчики частоты  переменного тока (ЗДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

       Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

       – электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

       – электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

       – они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

       По  принципу действия датчики можно  разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной  величины в электрический сигнал.

       Параметрические датчики входную величину преобразуют  в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или С) датчика.

       Различают три класса датчиков:

       – аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

       – цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или

       двоичное  слово;

       – бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, О или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

       Требования, предъявляемые к датчикам:

       – однозначная зависимость выходной величины от входной; стабильность – характеристик во времени;

       – высокая чувствительность;

       – малые размеры и масса;

       – отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

       – работа при различных условиях эксплуатации;

       – различные варианты монтажа [5].

       Итак, датчики служат для преобразования неэлектрических показателей в электрические требуемыми параметрами.

       Для рассматриваемой системы используемыми  датчиками являются:

       – датчик угла поворота рулевого колеса;

       – датчики положения кузова;

       – датчики углов поворота фар.

       Задача  датчиков угла поворота рулевого колеса (ДУПРК) и положения кузова (ДУПК) – измерение точного угла поворота оси привода рулевого механизма и положения кузова в двух осях, соответственно. Существует несколько разновидностей таких датчиков: оптические, магниторезистивные, с использованием специальных потенциометров и т.д. Выберем одну из популярных моделей высокоточного бесконтактного датчика угла поворота, использующего эффект Холла, что гарантирует долгий срок его эксплуатации. Хотя можно использовать любую разновидность датчиков угла поворота, главным определяющим фактором является точность измерения и, конечно, цена.

       Датчик  угла поворота фары (ДУПФ) служит для  обеспечения обратной связи, он фиксирует  поворот прожектора фары и передаёт информацию об угле поворота фары микроконтроллеру. Датчик полностью идентичен датчику  угла поворота рулевого колеса. Датчика угла поворота фары должно быть четыре: по два на каждый поворачивающийся прожектор фары.

       Как было сказано, для определения угла поворота фар необходимы данные скорости и угла поворота рулевого колеса. Датчики  угла поворота фар и рулевого колеса выдают постоянное напряжение, зависящее от угла поворота. Для обработки информации от этих датчиков процессором системы необходимо преобразовать аналоговые значения с этих датчиков в цифровые при помощи АЦП.

       Сигнал, поступающий с датчика скорости, является частотным. На входы микроконтроллера должна поступать информация в виде цифровых кодов, поэтому сигнал с датчика необходимо преобразовать в код с помощью преобразователя частота-код.

       Амплитуда выходных сигналов датчиков зачастую приблизительно равна напряжению борт сети 12В, а это требует преобразования уровня этих сигналов до 5В, для чего используются преобразователи уровня сигнала.

       Сигналы с органов управления, к которым (в нашем случае) относится сигнал с выключателя поворота и выключателя внешнего освещения, также имеют напряжение равное напряжению питания борт сети – 12 В или 24 В. Т.к. входные сигналы микроконтроллера должны иметь уровни, не превышающие напряжения его питания, составляющее обычно 5 В, следовательно, необходимо преобразовать уровень сигнала от выключателя указателя поворота в уровень входных – сигналов микроконтроллера. Для этого используется преобразователь уровня дискретного сигнала.

       Для микроконтроллера нагрузкой являются устройства, потребляющие значительные токи (электродвигатели и осветительные лампы), поэтому необходимо устройство позволяющее подключать нагрузки, например коммутационные ключи или твердотельные реле, которые управляются сигналами с малыми токами (не более 20мА), а коммутируют на нагрузку сигналы с большими токами (более 0,5А). Так же им, выходным усилителям, необходимо напряжение питания бортовой сети автомобиля + 128.

       Система управления поворотом фар, для обмена данными, должна иметь связь с  другими электронными блоками автомобиля, а так же возможность проведения диагностики системы. Для этого лучше использовать контроллер CAN. CAN – технология получила всемирное признание как очень универсальная, эффективная, надежная и экономически приемлемая платформа для почти любого типа связи данных в передвижных системах, автомобилях, техническом оборудовании и индустриальной автоматизации. Передача данных процесса, данных ввода-вывода между устройствами распределенной системы - цель системы на основе CAN протокола [2].