電動(dòng)方程式賽車儀表控制單元的設(shè)計(jì)

李寧 李剛 劉賽

摘 要：針對(duì)大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車開發(fā)過程中的儀表顯示功能需求，進(jìn)行了賽車儀表控制單元設(shè)計(jì)。該儀表控制單元不單單實(shí)現(xiàn)了賽車狀態(tài)的顯示功能，還實(shí)現(xiàn)了無線傳送功能，完善了賽車的人機(jī)交互功能。選取CAN總線和SCI模塊，采用MK60DN512芯片作為主處理器，設(shè)計(jì)儀表控制單元收發(fā)電路、數(shù)據(jù)采集模塊和遠(yuǎn)程、串口接口電路等，并制作出實(shí)物，為后續(xù)賽車儀表單元數(shù)據(jù)顯示、采集和應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：賽車;儀表控制單元;CAN通信;UART通信

中圖分類號(hào)：U463.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）09-32-03

Design of Electric Formula Racing Instrument Control Unit^*

Li Ning， Li Gang， Liu Sai

（?Liaoning University of Technology，?Liaoning Jinzhou 121001?）

Abstract：?According to the functional requirements of the instrument display in the development process of the electric formula racing for college students， the design of the instrument control unit is carried out. The instrument control unit not only realizes the display function of the racing status， but also realizes the wireless transmission function， improves the human-computer interaction function of the racing. Can Bus and SCI module are selected， MK60DN512 Chip is adopted as the main processor， and the transceiver circuit， data acquisition module and remote and serial interface circuit are designed. It lays a good foundation for the display， collection and application of the instrument unit data of the follow-up racing.

Keywords： Racing; Instrument control unit; CAN communication; UART communication

CLC NO.： U463.7 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）09-32-03

前言

中國大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車大賽是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽，將學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合，綜合提高學(xué)生的設(shè)計(jì)、制造、成本控制、商業(yè)營銷、溝通與協(xié)調(diào)等五方面的綜合能力，全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)的同時(shí)，為人才培養(yǎng)開辟了新道路^[1-2]。大賽核心是電動(dòng)賽車設(shè)計(jì)，而儀表控制單元是電動(dòng)賽車的重要組成部分，它能夠?qū)崟r(shí)顯示賽車電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、車速等信息，起到為駕駛員提供輔助作用。論文設(shè)計(jì)的儀表控制單元除了顯示信息外，還實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能，通過遠(yuǎn)程信息采集，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測賽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用于賽車調(diào)校?；陔妱?dòng)方程式大賽規(guī)則相關(guān)設(shè)計(jì)要求^[3]，論文進(jìn)行了賽車儀表控制單元通信模塊、開關(guān)量模塊、AD采集模塊和各種電路設(shè)計(jì)。

1 CAN總線模塊

CAN是英文Controller Area Network的簡寫，意思為控制局域網(wǎng)絡(luò)，其通信具有結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省電線，成本低，且性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，常常應(yīng)用于汽車、船舶以及航空領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一^[4-5]。CAN總線系統(tǒng)最高的傳輸速率能達(dá)到1Mbit/sec，具有錯(cuò)誤檢測與處理機(jī)制，且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，幀內(nèi)應(yīng)答，廣播發(fā)送等。

儀表的CAN總線收發(fā)器將掛入賽車的CAN網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，接收電池管理系統(tǒng)發(fā)出的電池信息，包括電量、電壓、電流等，以及電機(jī)控制器返回的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度等信息，以及一些整車控制器發(fā)出的告警信號(hào)。由于賽車儀表控制單元的工作環(huán)境電磁干擾比較強(qiáng)，所以對(duì)CAN模塊做了必要的隔離設(shè)計(jì)。主要的元器件有NXP 82C250、高速光耦6N137、以及濾波電路的共模線圈、瞬態(tài)穩(wěn)壓二極管等。具體的電路圖如圖1所示，CAN總線模塊會(huì)接收BMS、電機(jī)控制器及整車控制器的報(bào)文，進(jìn)行處理。

2 UART模塊

UART其英文是Universal Asynchronous Receiver/?Trans?-mitter，通用異步收發(fā)傳輸器。UART作為異步串口通信協(xié)議SCI的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)字符一位接一位地傳輸，它具有通信成本低、通信設(shè)備相對(duì)簡單、對(duì)硬件資源的占用率較低等優(yōu)點(diǎn)^[6]。本設(shè)計(jì)中UART模塊主要采用較為穩(wěn)定的SP3232EEN芯片，串口模塊將從CAN總線接收到的信息再次發(fā)送給賽車儀表和以無線方式發(fā)送給無線數(shù)據(jù)采集上位機(jī)，通信拓?fù)淙鐖D2所示，電路如圖3所示。

3?開關(guān)量輸入/出模塊

此模塊主要是實(shí)現(xiàn)儀表控制單元的開關(guān)量控制，為賽車儀表再次開發(fā)提供硬件支持，同時(shí)為了防止外部干擾采用了光耦進(jìn)行隔離。具體的設(shè)計(jì)電路如圖4、圖5所示。

4?AD采集模塊

ADC功能是單片機(jī)比較常用的功能，此模塊主要實(shí)現(xiàn)儀表控制單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，為再次開發(fā)儀表控制單元時(shí)模擬量采集提供了硬件支持。具體的濾波電路如圖6所示。

5?其它模塊

其他電路為主處理器MK60DN512芯片的配置電路，主要是電源部分、復(fù)位電路、JTAG等。電源模塊如圖7所示，提供了12V、5V及3.3V輸出。

復(fù)位電路、JTAG電路如圖8所示。

6?儀表控制單元實(shí)物制作

為了提高PCB電路板的抗干擾能力，將其設(shè)計(jì)為四層PCB，頂層與底層為信號(hào)層，中間兩層為電源層和地層（TopLayer/GND/VCC/BottomLayer）。利用Altium Designer軟件設(shè)置布線規(guī)則，地線>電源線>信號(hào)線，將信號(hào)線線寬設(shè)置為0.2～0.3mm，電源線設(shè)置為1.2～2.5mm，在空間允許的條件下將線寬盡可能調(diào)寬。賽車儀表控制單元PCB如圖9所示。焊接電子元件是開發(fā)儀表控制單元的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。合理的電路板布局，良好的焊接工藝都為后期的順利調(diào)試奠定了基礎(chǔ)。賽車儀表控制單元實(shí)物如圖10所示。

7 結(jié)論

本文主要針對(duì)儀表控制單元進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。儀表控制單元采用MK60DN512芯片作為主處理器，主要搭載了CAN總線和SCI功能。該部分設(shè)計(jì)具有簡單方便，實(shí)用性強(qiáng)、通信可靠、實(shí)時(shí)性好、成本低、操作簡單、易于編寫程序等優(yōu)點(diǎn)。將賽車的儀表單獨(dú)集成，也便于后期的安裝與維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1]中國大學(xué)生方程式汽車大賽官方網(wǎng)站：http：//www.formulastudent.?com.cn/.

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[3]?李理光.中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則[Z].中國汽車工程學(xué)會(huì)， 2018.

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