车辆电子稳定性控制系统中央控制单元开发

刘文营，梁荣亮，刘 伟，王 旭

Liu Wenying1，Liang Rongliang1, Liu Wei2, Wang Xu1

（1. 中国汽车技术研究中心 天津 300300；2. 郑州宇通客车股份有限公司 河南 郑州 450061）

车辆电子稳定性控制系统中央控制单元开发

刘文营1，梁荣亮1，刘 伟2，王 旭1

Liu Wenying1，Liang Rongliang1, Liu Wei2, Wang Xu1

（1. 中国汽车技术研究中心 天津 300300；2. 郑州宇通客车股份有限公司 河南 郑州 450061）

使用V形开发流程对车辆ESP（Electronic Stability Program）系统进行开发，对中央控制单元的硬件组成和软件框架进行分析。基于MC9S12嵌入式系统对ESP系统中央控制单元进行硬件开发和软件框架的实现。在ESP硬件在环试验台对各模块功能的验证和集成的基础上，对ESP系统中央控制单元进行进一步集成和优化，并在试验车实现ESP系统的功能测试。通过试验车的测试，中央控制单元能够满足ESP系统的工作需求，为稳定性控制系统的开发提供了平台。

电子稳定性控制；中央控制单元；嵌入式系统

车辆ESP系统的核心是中央控制单元。中央控制单元通过CAN总线，与发动机管理系统、传动系统、信号预处理电控单元ECU（Electronic Control Unit）进行协调控制；通过车身电路与车身电子系统进行交互；通过对传感器信号的采集和处理，进行车辆状态估计和稳定性控制逻辑的实现；通过驱动电路对执行器即ESP液压调节器进行控制，实现控制目标[1-2]。

中央控制单元的开发包括电路部分设计：嵌入式单片机最小应用系统开发、信号采集电路开发、通信模块开发和驱动电路开发等；软件框架的描述：主控制逻辑开发、数字滤波与状态估计算法，通信协议开发和故障诊断模块开发等。文中在ESP稳定性控制系统研究平台的基础上，对中央控制单元进行研究，实现了控制单元完整的V字形开发流程[3]。对ESP中央控制单元进行系统功能的分析和分解，对各子功能进行开发和测试，最终完成车载系统的集成测试。

1 ESP系统开发

1.1 ESP系统对中央控制单元的要求

ESP系统是车辆中机电液一体化的集成控制系统[4]。由于车辆作为日用品的社会地位，车辆成本的限制，车辆装备的传感器有限，需要中央控制单元对有限的资源进行合理的分配；由于车辆安全节能环保智能的设计要求，又需要车辆装备的控制系统有高度的可靠性。

中央控制单元是ESP系统的大脑，采集和处理系统信号，根据控制逻辑向相关执行单元发出控制指令，并通过驱动电路对执行单元进行驱动以执行控制指令。系统信号包括：传感器AD信号、驱动模块故障分析IO信号和CAN总线通信等。控制逻辑包括：通讯协议、状态估计算法、故障诊断算法和控制目标决策等。执行器驱动控制包括：车身电子（仪表与控制台）驱动、液压调节器电机与电磁阀驱动[2-5]。

中央控制单元通过CAN总线和采集电路获取控制逻辑所需信息，通过滤波算法和状态估计算法对信息进行处理，并有控制逻辑决策控制指令，对ESP执行器即液压调节器进行直接控制，通过CAN总线与发动机管理系统和传动系统进行协调控制。又由于汽车电子系统对可靠性的要求，中央控制单元要对ESP系统各组成部分进行监测，实现良好的故障诊断机制，提高系统的稳定性[6]。

1.2 中央控制单元的V形开发流程

同其他汽车电子系统的开发过程一样，ESP系统中央控制单元的开发也遵循V形开发流程（如图1）。通过对中央控制单元系统需求的分析，对ESP系统功能进行分解，并对各功能模块进行分别开发和测试。在完成ESP硬件在环试验台测试后，在试验车上对各功能模块进行测试，并对各模块进行集成和系统优化，最终实现系统的集成和测试。

通过对系统功能的分解，ESP系统的硬件开发包括：转向盘转角传感器、主缸压力传感器、轮速传感器、横摆陀螺ECU和中央控制单元ECU。转向盘转角传感器和主缸压力传感器均为模拟量输入信号，轮速传感器为霍尔信号。横摆陀螺ECU作为横摆角速度和侧向加速度传感器的预处理单元，通过CAN总线将信号传递到中央控制单元ECU。文中将集中介绍中央控制单元ECU的开发。中央控制单元的开发包括ECU硬件实现和ESP系统软件框架。

2 ESP系统中央控制单元开发

2.1 中央控制单元硬件开发

中央控制单元硬件部分包括ECU嵌入式系统和ESP系统线束。嵌入式系统开发中单片机选择freescale公司MC9S12系列单片机。MC9S12系列单片机集成了CAN通讯模块、AD采集模块、具有输入捕捉和输出比较功能的IO模块、PWM输出模块和灵活的开发环境，在汽车电子开发中得到了广泛的应用。中央控制单元ECU硬件部分包括：MC9S12单片机最小应用系统[7]、传感器信号处理电路、总线通讯模块和驱动电路设计。ESP系统由位于车身不同位置的传感器、执行器组成，同时通过CAN总线与其他控制器通讯并与车身电子设备进行交互（如ESP开关和仪表盘指示信号），这些组成部分均由ESP系统线束进行连接。

根据传感器信号形式的不同，分别选择MC9S12单片机的AD采集模块对转向盘转角与主缸压力信号进行获取，IO模块的输入捕捉功能对轮速的霍尔信号进行获取，CAN通讯模块对来自陀螺的横摆角速度和侧向加速度进行获取。设计滤波电路以获得品质较好的传感器信号，采用RC滤波形式。设计IO模块以兼容使用磁电传感器时的轮速信号采集，采用LM 339比较器实现。

驱动电路部分，仪表盘指示信号的驱动使用达林顿管[8]。液压调节器使用MC9S12的PWM模块进行控制，其中电机的驱动使用单路高位驱动芯片，12个电磁阀的驱动使用3片4路高位驱动芯片[9-10]。液压调节器的驱动芯片均有故障分析接口，使用MC9S12单片机IO模块对故障端口状态进行监测，实时掌握各芯片的工作状态。

中央控制单元线束通过ECU接口与位于车身不同位置的ESP系统组成部分进行联系，中央控制单元硬件集成到液压调节器，其结构如图2所示。通过线束定义（如图3所示）实现中央控制单元与ESP系统其它硬件的连接。

2.2 中央控制单元的软件框架

中央控制单元的软件框架也是ESP系统的软件框架，包括：信号处理与滤波、CAN总线通讯协议、车辆状态估计算法、稳定性控制逻辑、液压调节器开环压力估计模块[11]和故障分析与处理模块[12]。

通过电路部分对传感器信号的处理，还需要数字滤波算法和车辆状态估计等信号处理算法对传感器信号进行处理，才能得到稳定性控制逻辑需要的高品质和足够的信息。稳定性控制逻辑根据CAN总线信息和信号处理得到的信息，根据稳定性控制策略的控制目标对执行器进行控制（如图4）。

由于缺少轮缸压力传感器，还需要对轮缸压力进行开环估计，以得到液压调节器对控制指令的响应[10]，作为执行器对控制系统的反馈。控制逻辑还应根据故障分析和处理，以及驾驶员对稳定性控制系统的操作，通过仪表指示系统，与驾驶员进行交互。

总线通讯涉及整个车辆，因此要与各挂载在CAN总线上的ECU进行协调，因此需要使用标准的总线协议对总线上传递的信息进行组织，才能保证总线的协调和稳定。根据上述分析，在基于MC9S12的嵌入式系统中实现ESP系统中央控制单元软件框架，如图5所示。

3 中央控制单元的集成与测试

经过中央控制单元各模块功能分解，对各模块进行开发测试，使用ESP硬件在环试验台对模块功能进行初步验证并实现集成。在此基础上，将中央控制单元嵌入到车载环境（如图6），进行各模块功能的验证，在车载网络上的通讯，与车身电子设备的交互，已经ESP系统中央控制单元集成与优化，并完成稳定性控制系统的开发和测试。

中央控制单元对ABS控制逻辑的响应如图7所示。通过试验结果分析，文中开发的中央控制单元能够实现ABS系统的控制目标。

中央控制单元对DYC工况的响应试验给出了ESP工作标志位有效时，轮缸压力对控制逻辑给出的需求压力的响应，如图8所示，中央控制单元能够满足ESP系统对执行器的控制。

4 结 论

根据V形开发流程对车辆ESP系统中央控制单元的开发，对系统功能进行分解，前期在硬件在环试验台环境进行模块验证和集成，后期在实车环境对中央控制单元进行继承和优化。通过稳定性试验，文中开发的中央控制单元能够满足车辆ESP系统的控制器需求和执行器响应，为汽车电子系统研究提供合理的开发方案，并为ESP系统开发提供研究基础。

[1]Chih-Keng Chen，Trung-Kien Dao，Min-Fang Lo. “A compensatedyaw-moment -based vehicle stability controller，” Control and Decision Conference，2008. CCDC 2008. Chinese ，vol.，no.，pp.892-897，2-4 July 2008.

[2]付皓. 汽车电子稳定性系统质心侧偏角估计与控制策略研究[D]. 长春：吉林大学汽车工程学院，2008.

[3]李茗. 汽车电子产品的开发[J]. 汽车工程，2004，26（3）：367-372.

[4] Akihito Kusano and Tetsuya Kuno，Advics Co. Ltd.，“Hydraulic Brake System for Vehicles，” US Patent 6，709，072，2004.

[5]Leppek；Kevin G.；Hogan；Martin A.；Spadafora；Peter J.；Lee；A lan J.，“Anti-lock brake system w ith motor current control of the pressure modulator，” US Patent 5，102，207，1990.

[6]姜远致.车身网络控制系统的主控制器设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[7]Freescale Semiconductor，Inc. MC9S12XDP512 - 16-BIT M ICROPROCESSOR FAM ILY. Datasheet.

[8]STMicroelectronics. ULN2003-SEVEN DARLINGTON ARRAYS. Datasheet.

[9] INFINEON TECHNOLOGIES. BTS824R. Datasheet.

[10] Infineon Technologies AG. BTS442E2E3043 - Smart Highside Power Sw itch. Datasheet.

[11]Liu Wei，Guo Konghui，Ding Haitao. Research on Hydraulic-Control-Unit Property Modeling and Pressure Estimation[C]. ICCSIT，2011，Vol.2，298-302.

[12]王建新. 基于CAN总线的汽车电子集成控制系统[J]. 哈尔滨工业大学学报，2006，38（5）：811-814.

U461.6

A

2013-07-22

1002-4581（2013）06-0041-04