Устройства на основе микроконтроллеров для электронного блока управления двигателем и системы охранной сигнализации автомобиля

Выпускная квалификационная работа ...

Оглавление

Введение………………………………………………………………………...4
1. Анализ современного состояния микроконтроллеров, применяемых в электронном блоке управления двигателем и системе охранной сигнализации автомобиля……………………………………………………....……………………...5
2.Выбор типов микроконтроллеров для электронного блока управления двигателем и системы охранной сигнализации автомобиля……….……...............9
2.1. Описание микроконтроллеров семейства С500…....……….…………9
2.2 Пример использования микроконтроллера подсемейства С509-L для электронного блока управления двигателем……………………………………….23
2.3 Описание микроконтроллера PIC16C73A……………………………..26
2.4 Пример использования микроконтроллера PIC16C73A для системы охранной сигнализации автомобиля……………………………………….……….29
3. Расчет задающего генератора для микроконтроллера PIC16C73A фирмы Microchip………………………………………………………………………............31
4. Организационно-экономическая часть…………………………………..34
Заключение……………………………………………………………………43
Библиографический список………………………………………………….44

Введение

В данной работе рассматриваются устройства на основе микроконтроллеров для электронного блока управления двигателем и системы охранной сигнализации автомобиля.
Целью работы является выбор оптимального типа микроконтроллеров для электронного блока управления двигателем и системы охранной сигнализации автомобиля и возможности их применения.
Для достижения цели работы необходимо выполнить следующие задачи:
- провести анализ современного состояния микроконтроллеров, применяемых в электронном блоке управления двигателем и системе охранной сигнализации автомобиля;
- рассмотреть возможность применения выбранных микроконтроллеров в электронном блоке управления двигателем и системе охранной сигнализации автомобиля;
- рассчитать задающий генератор для микроконтроллера PIC16C73A с раб очим напряжением 15 В и тактовой частотой 32 МГц.
В организационно-экономической части разработать основные разделы бизнес-плана, дать расчеты сметной стоимости, зарплаты и договорной цены проекта, дать технико-экономическое обоснование проектной целесообразности для системы охранной сигнализации автомобиля.
Данная работа посвящена выработке рекомендации по применению современных микроконтроллеров в электронном блоке управления двигателем и системе охранной сигнализации автомобиля.

В режимах «2» и «3» появление запроса прерывания при приеме кадра может зависеть от значения дополнительного бита. Это позволяет организовать простейшую микроконтроллерную сеть с одним ведущим и несколькими ведомыми станциями.
В исходном состоянии ведомые микроконтроллеры готовы принимать кадры только с единичным дополнительным битом. Ведущий микроконтроллер передает кадр с единичным значением дополнительного бита, в котором указан адрес ведомого микроконтроллера, выбранного для приема данных. Все ведомые микроконтроллеры принимают адрес и сравнивают его с собственным адресом. Микроконтроллер, опознавший свой адрес, переходит в режим приема при любом значении дополнительного бита. Далее ведущий микроконтроллер передает кадры с нулевым дополнительным битом, которые принимаются только микроконтроллером, опознавшим адрес.
Последовательный порт ввода-вывода SSC предназначен для обмена байтами по последовательному каналу с использованием трех шин. Работа порта SSC совпадает с работой порта SPI( Serial Peripheral Inreface) у микроконтроллеров других фирм.
Порт может работать в режиме ведущего и ведомого. К одному ведущему микроконтроллеру могут быть подключены несколько ведомых. Выбор одного из ведомых для обмена выполняется путем подачи нулевого уровня сигнала на вывод SLS микроконтроллера по дополнительной шине.
По шине, соединяющей выводы SCLK ведущего и ведомого микроконтроллеров, передается синхросигнал из ведущего в ведомый. Выводы SRI и SRO используются для приема и передачи байтов.
Импульсы синхросигнала могут иметь положительную или отрицательную полярность, байты могут передаваться, начиная с младшего или со старшего бита. При завершении передачи и приема байта формируются запросы прерывания. Максимальная скорость передачи 2,5 Мбит/с.
CAN- контроллер предназначен для передачи и приема сообщений при подключении микроконтроллера к сети, работающей по CAN- протоколу.
В состав CAN-контроллера входит специальное запоминающее устройство (Intelligent Memory) емкостью 256 байт, в котором запоминаются байты, предназначенные для передачи в сеть и принятые из сети. Обращение к ячейкам ЗУ выполняется с использованием адресов из адресного пространства внешней памяти данных.
Передача и прием сообщений выполняются с использованием адресов из адресного пространства внешней памяти данных.
Передача и прием сообщений выполняются с использование сдвигающего регистра через вывод TXDC при передаче и вывод RXDC при приеме. При передаче и приеме сообщений формируется контрольный циклический код (CRC), который включается в состав передаваемого сообщения или сравнивается с кодом в принятом сообщении для обнаружения ошибок при обмене сообщениями.
При завершении приема или передачи сообщения формируется запрос прерывания, который на входе контроллера прерываний объединен по ИЛИ с программным запросом прерывания. Максимальная скорость приема и передачи 1Мбит/с.Аналого-цифровой преобразователь (ADC) формирует двоичный код числа, пропорционального величине напряжения на его входе.
В микроконтроллерах семейства С500 он имеет 8 входов. Выбор входа для выполнения преобразования выполняется путем занесения соответствующего кода в регистр управления ADC. Запуск преобразователя происходит по команде программы. У микроконтроллеров типа С505 и С505С результат преобразования представлен восьмиразрядным двоичным кодом, у микроконтроллеров других типов – десятиразрядным кодом, при этом имеется возможность считывать только старшие восемь разрядом кода.
Преобразователь может работать в одиночном или непрерывном режиме. В непрерывном режиме очередное преобразование начинается сразу после завершения предыдущего .Преобразователи, формирующие десятиразрядный код результата, имеют схему автокалибровки, позволяющую устранять ошибку смещения нуля и ошибку, связанную с нелинейностью характеристики преобразования.
Процедура калибровки выполняется при каждом запуске и перезапуске микроконтроллера. Её результаты используются при выполнении каждого преобразования. Сторожевой таймер (WDT) предназначен для устранения последствий сбоя в ходе программы путем перезапуска микроконтроллера при обнаружении сбоя. Сторожевой таймер содержит пятнадцатиразрядный счетчик. Перезапуск микроконтроллера происходит при его переполнении. В программе на определенных местах записываются команды перезапуска сторожевого таймера, предотвращающие переполнение его счетчика. При появлении сбоя в ходе программы очередная команда перезапуска WTD не выполняется, счетчик продолжает вести счет до переполнения и происходит перезапуск микроконтроллера. Длительность интервала счета до переполнения задается путем программирования сторожевого таймера.
Сторожевой генератор (OWD) предназначен для перевода микроконтроллера в состояние сброса, если частота тактового сигнала микроконтроллера станет меньше минимально допустимого значения. Он содержит вспомогательный RC- генератор и частотный компаратор.
Сторожевой генератор используется также при запуске микроконтроллера и при выходе микроконтроллера из режима пониженного энергопотребления для создания временной задержки, необходимой для выведения генератора тактового сигнала в режим стабильной работы.
Таймер реального времени (RTCT) предназначен для формирования внутреннего сигнала вывода микроконтроллера из режима пониженного энергопотребления.
На вход таймера поступает тактовый сигнал из генератора реального времени, имеющего внешний кварцевый резонатор с частотой 32762 Гц.
Генератор запускается по команде программы и продолжает работать при переводе микроконтроллера в режим пониженного энергопотребления. Сигнал из генератора реального времени может также использоваться для обеспечения работы контроллера жидкокристаллического дисплея в режиме пониженного энергопотребления.
Таймер реального времени содержит 47-разрядный счетчик и два 40-разрядных регистра, обращение к которым по командам программы выполняется побайтно с использованием адресов из адресного пространства внешней памяти данных.
Контроллер жидкокристаллического дисплея (LCDC) предназначен для формирования управляющих сигналов, подаваемых на входы жидкокристаллического дисплея (LCD), который может иметь до 16 восьмисегментных знакомест.
На вход контроллера подается тактовый сигнал микроконтроллера или сигнал из генератора реального времени. При использовании сигнала из генератора реального времени контроллер продолжает работу при переводе микроконтроллера в энергосберегающие режимы.
Контроллер выдает сигналы на четыре вывода (R0,…, R3) для подключения входов рядов дисплея и на 16 пар выводов (C0,C1,…, C30,C31) для подключения входов столбцов дисплея.
В контроллере имеются 16 регистров для хранения сегментных кодов, обращение к которым выполняется по командам программы с использованием адресов из адресного пространства внешней памяти данных.
Сигналы, подаваемые на входы жидкокристаллического дисплея, должны изменяться с частотой 360 Гц. Сигнал с требуемой частотой формируется в контроллере с использованием специального таймера, имеющего 15-разрядный счетчик и 15-разрядный регистр загрузки .
В каждом такте работы контроллера, имеющем длительность 1/360 секунды, управляющие сигналы могут иметь один из четырех уровней (0, 1/3, 2/3, 1) напряжения питания дисплея V LCD . Уровень V LCD формируется с использованием восьмиразрядного цифро-аналогового преобразователя. Другие уровни формируются с помощью резисторного делителя напряжения.
Контроллер прерываний (IC) анализирует запросы прерывания, поступающие из различных источников, выбирает запрос для запуска соответствующей программы и организует переход к её выполнению.
Запросы прерывания могут поступать из внешних источников, из внутренних источников, расположенных в периферийных устройствах микроконтроллера, и могут быть сформированы по команде в программе. Запросы прерывания от нескольких источников могут быть объединены по схеме ИЛИ.
При приеме любого их них запускается одна и та же прерывающая программа, которая анализирует состояние разрядов регистра запросов прерывания и определяется источник, из которого поступил запрос. Обслуживание любого запроса прерывания может быть запрещено путем перевода в нулевое состояние соответствующего разряда в регистре разрешения прерываний. Возможно запрещение обслуживания всех запросов.
Для размещения начальных участков прерывающих программ в начальной области памяти программ отведены восьмибайтовые участки, которые начинаются с адресов 003Н, 000ВН, 0013Н,… и т.д. Каждой прерывающей программе присвоен определенный приоритет, который может быть отнесен к одному из двух или четырех уровней приоритета. У С509 – четыре уровня приоритета. Отнесение программы к определенному уровню приоритета выполняется программными средствами. Приоритет программ в пределах уровня установлен аппаратно и не может быть изменен.При одновременном поступлении нескольких запросов прерывания для обслуживания выбирается запрос, которому соответствует прерывающая программа с более высоким уровнем приоритета и более высоким приоритетом в пределах этого уровня. Прерывание текущей программы по выбранному запросу происходит, если текущая программа относится к более низкому уровню приоритета или является фоновой программой.
При переходе к выполнению прерывающей программы адрес очередной команды прерываемой программы из счетчика команд переписывается в стек, а в счетчик команд заносится начальный адрес прерывающей программы.
Обозначения и соответствующие им температурные диапазоны работы микроконтроллера приведены в таблице 2.3.
Пуск микроконтроллера происходит при подаче напряжения питания, если к выводу RESET подключен конденсатор (у микроконтроллеров семейства С500) или RC-цепочка (у микроконтроллера типа С868). Перезапуск микроконтроллера с использованием внешнего сигнала происходит при кратковременном изменении уровня сигнала на выводе RESET.
Таблица.2.3
Обозначение
Диапазон to C
SAB
от 0 до +70
SAF
от -40 до +80
SAH
от -40 до +110
SAK
от -40 до +125
Ток потребления зависит от частоты тактового сигнала и температуры окружающей среды и может иметь величину от нескольких мА до нескольких десятков мА.
Для уменьшения тока потребления микроконтроллер может быть переведен в энергосберегающие режимы работы:
режим с пониженной скоростью работы (Slow-down-mode);
режим холостого хода (Idle mode);
режим пониженного энергопотребления (Power-down mode).
Микроконтроллеры типа С504 не могут работать в режиме с пониженной скоростью. Перевод микроконтроллера в энергосберегающие режимы выполняются по командам в программе. Микроконтроллеры типа С515С могут быть переведены в режим пониженного энергопотребления путем изменения уровня сигнала на выводе HWPD микроконтроллера (Hardware Power-down mode).
В режиме с пониженной скоростью работы частота тактового сигнала микроконтроллера уменьшается в 32 раза. Выход из режима выполняется по команде в программе или при поступлении внешнего сигнала перезапуска микроконтроллера. В режиме холостого хода процессор остановлен, периферийные устройства продолжают работать. Выход из режима происходит при поступлении любого разрешенного запроса прерывания или при поступлении внешнего сигнала перезапуска микроконтроллера. Режим холостого хода может выполняться совместно с режимом с пониженной скоростью работы. В режиме пониженного энергопотребления остановлен генератор тактового сигнала. Выход из режима происходит при поступлении внешнего сигнала перезапуска микроконтроллера или при изменении уровня сигнала (1) на входе INT0. У микроконтроллеров, имеющих CAN-контроллер, выход происходит также при появлении активного уровня сигнала на входе RXDC, а у микроконтроллеров типа С868 - при появлении активного уровня сигнала на входе RXD. В микроконтроллерах типа С505L выход происходит по сигналу от таймера реального времени. У этих микроконтроллеров в режиме пониженного энергопотребления может продолжать работу контроллер жидкокристаллического дисплея с использованием в качестве тактового сигнала от генератора реального времени. Если микроконтроллер типа С515С был переведен в режим пониженного энергопотребления путем изменения уровня внешнего сигнала на выводе HWPD, выход из режима происходит при появлении исходного уровня сигнала на этом выводе. Микроконтроллеры семейства С500 имеют внутреннюю память программ в виде постоянного ЗУ масочного типа или ЗУ с однократным программированием. Отладка программ для таких микроконтроллеров возможна с использованием внутрисхемных эмуляторов или при подключении внешнего запоминающего устройства для хранения программ с возможностью многократной записи. Для организации работы микроконтроллера с подключением внутрисхемного эмулятора в микроконтроллере имеется специальный блок - On Chip Emulation Support Module.
Микроконтроллеры типа С868, у которых в качестве памяти программ используется оперативное запоминающее устройство (SRAM) и имеется дополнительное постоянное запоминающее устройство (Boot ROM) для хранения программы загрузки памяти, могут работать в четырех режимах. В нормальном режиме (Normal mode) выполняется программа, хранящаяся в памяти программ, дополнительное запоминающее устройство (XRAM) используется для запоминания данных.
В нормальном XRAM режиме (Normal XRAM mode) выполняется программа, записанная в XRAM. Коды, хранящиеся в памяти программ, используются как данные.
В первом режиме загрузки (Boot Strap mode) выполняется программа, хранящаяся в Boot ROM, по которой выполняется запись кодов в SRAM и/или в XRAM.
Во втором режиме загрузки (Boot Strap XRAM) выполняется программа, хранящаяся в Boot ROM и в XRAM, по которой выполняется запись кодов в SRAM. Работа в нормальном режиме и в первом режиме загрузки начинается при пуске микроконтроллера. Выбор режима определяется значением сигнала на выводе ALE. Перевод микроконтроллера из одного режима в любой другой выполняется программными средствами.
При загрузке памяти с использованием Boot ROM микроконтроллер должен быть подключен к персональному компьютеру по интерфейсу RS-232 или к микроконтроллеру должна быть подключена микросхема энергонезависимой памяти последовательного типа, в которой хранятся загружаемые коды. Подключение микросхемы может быть выполнено по интерфейсу SSС (SPI) или I2C
2.2. Пример использования микроконтроллера подсемейства С509-L для электронного блока управления двигателем
Блок управления непрерывно обрабатывает ин­формацию от датчиков и управляет агрегатами ДВС, обеспечи­вая эксплуатационные показатели автомобиля. В блок управле­ния поступает следующая информация: положение и частота вращения коленчатого вала, массовый расход воздуха двигате­лем, температура охлаждающей жидкости, положение дрос­сельной заслонки, содержание кислорода в отработавших газах, наличие детонации в двигателе, напряжение в бортовой сети автомобиля, скорость автомобиля, положение выключателя кондиционера. На основе полученной информации блок фор­мирует команды, поступающие на следующие исполнительные устройства:
топливоподачи (форсунки и электробензонасос);
зажигания;
пуска двигателя;
компрессора кондиционера (если он есть на автомобиле).
На рис. 2.5 представлена блок-схема системы управления двигателем.
Рис. 2.5 Блок-схема системы управления двигателем
Электронный блок управления управляет рядом локальных регуляторов первого уровня управления: регулятором холосто­го хода (РХХ), регулятором температуры системы охлаждения двигателя (РТ).
Согласование электрических сигналов датчиков с электри­ческими характеристиками входных портов микроконтроллера осуществляют входные цепи блока управления, в задачу кото­рых входит и защита портов микроконтроллера блока управле­ния от перегрузки. В качестве устройства, осуществляющего выполнение заданного алгоритма управления, применяются микроконтроллеры различных типов и вычислительной мощно­сти. Современные микроконтроллеры включают в себя широ­кий набор периферийных устройств, позволяющий обрабаты­вать все виды сигналов, поступающих от датчиков и управлять различными типами исполнительных устройств. Можно утверждать, что для вы­полнения автомобилем показателей, предусмотренных нормами EURO II,достаточно вычислительной мощности современных восьмиразрядных микроконтроллеров, и только для блоков управления, предназначенных для выполнения требований EURO III и OBD-II, необходимо увеличение вычислительной мощности применяемого микроконтроллера, что достигается, как правило, применением их шестнадцатиразрядных версий. Однако в конечном итоге, решающее влияние на выбор того или иного микроконтроллера, используемого в блоке управле­ния, оказывают влияние ценовые факторы и конъюнктура рын­ка микроконтроллеров.
В блоке управления имеются три вида запоминающих уст­ройств: постоянное (ПЗУ), оперативное (ОЗУ) и постоянное перепрограммируемое (ППЗУ). В ПЗУ информация записана фи­зическим методом, например, прожиганием некоторых элемен­тов в микросхемах при изготовлении блока управления, и не может быть изменена. Постоянная память содержит в виде мик­ропрограммы полные алгоритмы управления двигателем и не нуждается в питании для сохранения записанной информации. Оперативная память используется процессором контроллера при работе. Процессор обращается к ОЗУ при необходимости, записывая или считывая информацию. Для сохранения запи­санной информации необходимо подключение питания. При отключении питания хранящиеся в оперативной памяти коды неисправностей и другие данные стираются. Перепрограмми­руемая постоянная память содержит различную калибровочную информацию об автомобиле и находится в отдельном блоке - в запоминающем устройстве констант, которое может отсоеди­няться от блока управления. Она применяется для того, чтобы одну модель блока управления можно было устанавливать на различных моделях автомобилей. Запоминающее устройство констант содержит информацию о массе автомобиля, двигателе, трансмиссии, главной передаче и некоторые другие данные. Ес­ли блок управления (без запоминающего устройства) может применяться на различных автомобилях, то запоминающее уст­ройство констант специфично для каждого автомобиля. Поэто­му при замене блока управления запоминающее устройство констант меняться не должно.
Для работы микроконтроллера (МК) постоянно требуются дополнительные сведения, различные константы, а также необ­ходимо временное хранение промежуточной информации. Эти данные МК получает от запоминающих устройств (ЗУ) систе­мы. Для приема, хранения и выдачи всевозможных промежу­точных данных, а также сведений о текущем состоянии элемен­тов, т.е. всей той информации, которая изменяется в процессе работы микропроцессорной системы управления, используется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). При выключе­нии зажигания вся информация, хранящаяся на данный момент в ОЗУ (RAM - Random Access Memory), теряется. Для хранения диагностической информации (коды возникавших отказов), а также адаптивных уровней, используется ОЗУ, имеющее посто­янное (не отключаемое) питание от аккумуляторной батареи.
Для хранения информации, которая не заменяется при ра­боте микропроцессора, а также записи алгоритма функциони­рования системы, применяются постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) различного типа.
В программируемые запоминающие устройства (ППЗУ) (PROM) запись программы может быть осуществлена и после их изготовления на заводе. В репрограммируемые запоминающие устройства (РПЗУ) (EPROM) программа может быть записана несколько раз. Од­нако эти устройства имеют более высокую стоимость, чем ПЗУ и ППЗУ. Поэтому РПЗУ в основном целесообразно применять только на стадии отладочных работ по микропроцессорным системам.
Преобразование различных сигналов в требуемый их вид (цифровой код) для последующей обработки микроконтролле­ром выполняют предварительные устройства, к которым можно отнести аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи, а также преобразователи частоты в напряже­ние (ПЧН).
АЦП применяют для преобразования непрерывного линейного сигнала датчиков температуры, давления, напряже­ния в цифровой код, а ЦАП - для обратного преобразования.