基于ARM-Linux的電子控制油門設(shè)計(jì)

摘要：傳統(tǒng)的油門通過右腳進(jìn)行機(jī)械控制，并且剎車也用右腳控制。在緊急情況時(shí)，剎車踏在油門的事故時(shí)有發(fā)生。傳統(tǒng)油門通過機(jī)械傳導(dǎo)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，增加成本。電子油門控制系統(tǒng)通過指令控制執(zhí)行部分——舵機(jī)來控制油門的開度，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度的精確控制。與此同時(shí)，通過節(jié)氣門開度傳感器，此設(shè)計(jì)可以從顯示部分得知油門的實(shí)際開度，并有利于新駕駛員駕駛，避免半途熄火的危險(xiǎn)駕駛。汽車可按選定的速度穩(wěn)定行駛，無需駕駛員反復(fù)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度。
關(guān)鍵詞：油門；S3C2410；Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)；舵機(jī)；控制；S3003

引言
    巡航控制系統(tǒng)(CCS)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的，又稱為恒速行駛系統(tǒng)。巡航控制系統(tǒng)工作時(shí)，ECU根據(jù)各種傳感器輸送來的信號(hào)判斷汽車的運(yùn)行狀況，通過執(zhí)行元件自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門的開度使汽車的行駛速度與設(shè)定的車速保持一致。汽車在良好路面上長(zhǎng)時(shí)間行駛時(shí)，駕駛員啟動(dòng)巡航控制系統(tǒng)并設(shè)定行駛速度，不需駕駛員操縱加速踏板，通過巡航控制系統(tǒng)即可自動(dòng)保持既定的行駛速度，不僅減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)利用先進(jìn)的電子控制技術(shù)控制節(jié)氣門的開度，比駕駛員操縱節(jié)氣門更精確，汽車燃料經(jīng)濟(jì)性、排放污染性也可得到改善。

1 系統(tǒng)原理
1．1 電控油門原理
    工作時(shí)，由駕駛員發(fā)出轉(zhuǎn)速的控制指令，由節(jié)氣門開度傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速參數(shù)，并把信號(hào)輸入電控單元；電控單元將控制信號(hào)和反饋的節(jié)氣門位置信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器改變節(jié)氣門的開度，使實(shí)際的開度與控制開度達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)車速的自動(dòng)控制。
1．2 舵機(jī)控制原理
    舵機(jī)是一種位置(角度)伺服驅(qū)動(dòng)器，適用于那些角度需要不斷變化并可以保持的系統(tǒng)。S3003型舵機(jī)有3個(gè)引腳，分別為電源Vcc、地GND和控制線Signal?？刂菩盘?hào)由Signal通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它的內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1．5 ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片以決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
    控制線的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度成正比。其輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入脈沖寬度關(guān)系如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用三星公司的S3C2410和Futaba公司的S3003型舵機(jī)分別作為控制器和執(zhí)行器，使用Linux操作系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為濟(jì)南恒信有限公司的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。[!--empirenews.page--]
2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
    系統(tǒng)流程如圖2所示。控制器S3C2410完成各項(xiàng)初始化工作，接收來自操作人員的cmd指令，根據(jù)cmd的值來進(jìn)行一系列的處理，包括停止執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)多少角度等。然后通過節(jié)氣門開度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器計(jì)算出等效的cmd值，并與cmd進(jìn)行比較以決定是進(jìn)行下一次cmd的判斷，還是涮整執(zhí)行器的角度。

2．2 設(shè)置Linux系統(tǒng)時(shí)鐘頻率
    為了降低電磁干擾和降低板間布線要求，芯片外接的晶振頻率通常很低，通過時(shí)鐘控制邏輯的PLL提高系統(tǒng)時(shí)鐘。在三星公司的S3C2 410A手冊(cè)中列出了推薦的幾種時(shí)鐘頻率，這里我們選用輸出時(shí)鐘頻率FCLK=202．80 MHz的配置，即PLL控制寄存器中的：MDIV=161(0xa1)、PDIV=3、SDIV=1。
    在U-Boot的board／smdk2410／smdk2410．c中進(jìn)行設(shè)置：


    由以上程序可知FCLK=202．80 MHz，HCLK=101．40 MHz，PCLK=50．70 MHz，而S3C2410的PWM模塊使用的時(shí)鐘是PCLK，所以PWM的輸入時(shí)鐘為50．7MHz。[!--empirenews.page--]
2．3 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序編寫
2．3．1 使用udev來動(dòng)態(tài)建立設(shè)備節(jié)點(diǎn)
    Linux 2．6系列的內(nèi)核使用udevr來管理／dev目錄下的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。同時(shí)它也用來接替devfs及hotplug的功能，這意味著它要在添加／刪除硬件時(shí)處理／dev目錄以及所有用戶空間的行為，包括加載firmware時(shí)。udev依賴于sysfs輸出到用戶空間的所有設(shè)備信息，以及當(dāng)設(shè)備添加或者刪除時(shí)／sbin／hotplug對(duì)它的通知。
    為了udevr能夠正常工作，一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要做的事情是通過sysfs將驅(qū)動(dòng)程序所控制設(shè)備的主設(shè)備號(hào)和次沒備號(hào)導(dǎo)出到用戶空間。ud ev在sysfs中的／class／目錄樹中搜索名為dev的文件，這樣內(nèi)核通過／sbin／hotplug接口調(diào)用它的時(shí)候，就能獲得分配給特定設(shè)備的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序只需要使用class_create接口為它所控制的每個(gè)設(shè)備創(chuàng)建該文件。
    使用class_create函數(shù)創(chuàng)建class結(jié)構(gòu)，這段代碼在sysfs中的／sys／class下創(chuàng)建一個(gè)目錄，目錄中創(chuàng)建一個(gè)新的“pwm”的class類以容納通過sysfs輸出的驅(qū)動(dòng)程序的所有屬性。其中的一個(gè)屬性是dev文件條目，它由class_device_create()創(chuàng)建——它觸發(fā)了用戶空間udev守護(hù)進(jìn)程創(chuàng)建／dev／pwm設(shè)備節(jié)點(diǎn)。代碼如下所示：
   
    當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序發(fā)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備并且已經(jīng)分配了一個(gè)次設(shè)備號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒄{(diào)用class_device_create函數(shù)：
    class_device_create(pwm_class，NULL，MKDEV(devicemajor，0)，NULL，“pwm”)；
    這段代碼在／sys／class／pwm下創(chuàng)建一個(gè)子目錄pwmN，這里N是設(shè)備的次設(shè)備號(hào)。在這個(gè)目錄中創(chuàng)建一個(gè)文件dev，有了這個(gè)udev就可以在／dev目錄下為該設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。
    當(dāng)設(shè)備與驅(qū)動(dòng)程序脫離時(shí)，它也與分配的次設(shè)備號(hào)脫離，此時(shí)需要調(diào)用class_device_destroy(struct class*cls，dev_t devt)函數(shù)刪除該設(shè)備在sysfs中的入口項(xiàng)：
    class_device_destroy(pwm_class，MKDEV(device_major，0))。
2．3．2 配置PWM的輸出頻率
    先使用Linux系統(tǒng)提供的系統(tǒng)函數(shù)來獲取時(shí)鐘pclk：
    elk_p=clk_get(NULL“pclk”)；
    pclk=clk_get_rate(clk_p)；
    由S3C2410數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，經(jīng)過預(yù)分頻器和時(shí)鐘分頻器之后，計(jì)算定時(shí)器0的輸入時(shí)鐘頻率為clkin=(pclk／{prescaler0+1}／divider value)；再通過16位的定時(shí)器0計(jì)數(shù)寄存器TCNTB0、和定時(shí)器0比較計(jì)數(shù)器TCMPB0(它們的值分別用tcnt和tcmp表示)分頻，這樣就可以從引腳Tout0處得到合適的PWM波形信號(hào)了，其周期為T=tcnt／clkin，高電平周期為Th=tcmp／clkin。
    已知pclk=50．7 MHz，令
    MAX=(prescale0+1)×(divider value)          (1)
    則有clkin=pclk／MAX；可以取tcnt=pclk／date；又因?yàn)閠cnt為16位，所以tcnt≤65 535，這樣可以直接消去pclk中的507；而系統(tǒng)需要T=20 ms的周期，先提取出系數(shù)50，即：
    tcnt=pclk／(date×50)=1 014 000／date       (2)
    得出MAX=date≥1 6，prescaler0的取值范圍為0～255，divider value的可取值為1、2、4、16。
    要求的PWM波形周期為20 ms，正電平寬度為0．5～2．5 ms，20 ms／0．5 ms=40，所以：
    tcmp=tcnt／40+(cmd-1)×tcnt／(40×N)        (3)
    其中temp和tcnt均為整數(shù)；N即為細(xì)分系數(shù)，它表示cmd加1時(shí)舵機(jī)將旋轉(zhuǎn)(45／N)°；cmd是要輸入的控制參數(shù)，用它來控制舵機(jī)的角度。
由式(1)～(3)，以及tcmp和tcnt盡量取整數(shù)以減小誤差的原則，MAX=date=可取16、20、25。
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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    理論上，細(xì)分系數(shù)N取值越大、執(zhí)行器的動(dòng)作越精確越好，但過大的細(xì)分系數(shù)會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器的命令對(duì)cmd的響應(yīng)變慢。因此，N的取值應(yīng)該根據(jù)執(zhí)行器到節(jié)氣門閥的距離來綜合考慮，取細(xì)分系數(shù)N=5即使用公式：tcmp=tent(cmd+4)／200，最小角度為(45／5)=9，足以滿足實(shí)驗(yàn)的需要。
    采用實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)MAX=date=16、20、25分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并使用示波器進(jìn)行觀察根據(jù)寄存器的取整特性來對(duì)MAX=date的值進(jìn)行綜合的考量。結(jié)果如表1～表3所列。其中cmd為輸入指令．err為誤差，Wh為高電平寬度，～Wh為實(shí)際的高電平寬度。

    由以上數(shù)據(jù)可以看出取MAX=date=20時(shí)，誤差最小。由式(4)可知，prescale0+1=20、10、5對(duì)應(yīng)的dividervalue=1、2、4。

結(jié)語
    利用ARM鎖相環(huán)所產(chǎn)生的高頻率可以獲得更精細(xì)的PWM波，從而對(duì)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)更精確的控制來達(dá)到油門精確控制的目的。本文從理論和實(shí)踐兩方面實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)角度為9的控制，要想獲得更細(xì)分的角度，只需將N的值取大。如N=15，可獲得的最小控制角度為(45／15)=3；N=45，可獲得的最小控制角度為(45／45)=1。