毕业论文-纯电动汽车整车控制器设计.pdf

毕业设计说明书纯电动汽车整车控制器设计学生姓名：学号：学院：专业：指导教师：2017年06月付世杰1302064214机械与动力工程学院车辆工程罗佳中北大学2017届毕业设计说明书纯电动汽车整车控制器设计摘要纯电动汽车比普通汽车具有很大优势，主要体现在节约能源、噪声污染和低碳环保，所以纯电动汽车会成为未来的主要交通工具之一。为保证纯电动汽车的续航里程和提高纯电动汽车的整体性能，我设计了纯电动汽车的整车控制器。在硬件电路部分，根据纯电动汽车对控制器的需求，整车控制器的主控芯片选择用飞思卡尔公司推出的MK60DN512ZV。并基于该芯片设计了最小系统、稳压电路、CAN总线通信模块等。在软件设计部分，根据信号的优先级，通过控制器主程序选择优先处理的信号，子程序包括：驱动工况、AD采集转换、屏幕显示、串口和CAN通讯等。最后，将硬件搭建完成并且下载程序，用串口助手进行调试，记录各个模块的数据，为以后研究整车纯电动汽车的整车控制器提供了理论依据。关键词：纯电动汽车，整车控制器，微控制器，CAN通讯中北大学2017届毕业设计说明书ThedesignofControllerforPureElectricvehiclesAbstractAll-electriccarshasabigadvantagethanaregularcarmainlyreflectedintheenergyconservationnoisepollutionandlowcarbonenvironmentalprotectionsopureelectricvehicleswillbecomeoneofthemaintraffictoolsinthefuture.ToensuretherangeofpureelectricvehiclesandimprovetheoverallperanceofpureelectricvehiclesIall-electricvehiclecontrollerisdesigned.InthehardwarecircuitpartaccordingtothepureelectricvehiclesdemandforcontrollerthevehiclecontrollerofmaincontrolchipselectwithfreescalesMK60DN512ZV.AndbasedonthechipdesignthesmallestsystemregulatingcircuitCANbuscommunicationmoduleetc.Insoftwaredesignpartaccordingtothepriorityofthesignalthemainprogrambythecontrollertochooseprioritysignalsubprograminclude:drivingconditionsADcollectionandconversionscreendisplayserialportandCANcommunicationetc.Finallydownloadaprogramandcompletingthehardwareusefordebuggingserialassistantrecordeachmoduledataforfurtherstudyofvehicleall-electricvehiclecontrollerprovidesatheoreticalbasis.Keywords:Pureelectricvehicles；Vehiclecontrol；icrocontrollers；CANcommunication中北大学2017届毕业设计说明书第页共页目目录录1引言.11.1课题研究的目的和意义.11.2国内外研究现状.21.2.1纯电动汽车的发展现状.21.2.2整车控制器研究现状.41.3本文主要研究的内容.52纯电动汽车整车控制系统的方案设计.62.1整车控制器的基本功能.62.2整车控制器的设计要求.82.3整车控制器的信号定义.92.4整车控制器系统的构建.112.4.1整车控制系统的类型.112.4.2CAN总线.123硬件电路设计.143.1整车控制器主控芯片的选型.143.2硬件电路设计.153.2.1最小系统.153.2.2电源转换模块.173.2.3串口电路模块.183.2.4CAN总线通信电路模块.193.2.5功率驱动模块电路设计.204纯电动汽车整车控制器的软件架构.224.1集成开发环境.22中北大学2017届毕业设计说明书第页共页4.1.1集成开发环境介绍.224.1.2集成开发环境使用方法.224.2编写程序.244.2.1主程序.244.2.2踏板电位器程序.264.2.3驱动程序.274.2.4车身姿态程序.274.2.5实时监测速度程序.284.2.6车辆状态显示程序.294.2.7CAN通讯程序.295纯电动汽车整车控制器的软件调试.325.1踏板AD值采集.325.2电机转速信号采集.325.3车辆状态在LCD12864上显示及实物展示.32附录.35参考文献.40致谢.42中北大学2017届毕业设计说明书第1页共42页11引言引言1.11.1课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义世界汽车工业已发展近百年，增进了世界各地的交流，汽车已经融入了人们的生活中1。但是伴随迅汽车销量的快速增长，不仅带来了能源紧缺、资源枯竭的问题，而且加剧了环境的恶化。为了促进经济的可持续发展，我们应该想办法降低汽车造成的环境恶化与能源消耗。为解决这个问题，我们提出两种方案：一是降低汽车污染排放物的排放量并提高传统汽车的能量转换率；二是研发更环保的新能源汽车。电动汽车（ElectricVehicle）能够以车载电源为动力，利用电机驱动车辆的正常行驶。因为电动汽车具有低碳环保零排放的优点，所以它被认为是减少环境污染和解决能源危机的一条重要途径，其应用前景被广泛看好2。近几年国内汽车厂商抓住机遇，在纯电动汽车领域抢占国内市场先机，如比亚迪e6、北汽EV系列、吉利帝豪EV系列、奇瑞eQ等。纯电动汽车由蓄电池供电，所以他具有节能、高效、零排放、零污染的明显优势，对于改善如今传统汽车造成环境污染与能源短缺问题具有非常重要的意义。纯电动汽车更大的优势在于污染排放的减少与燃油的节省，对国家能源消耗与环境污染都具有战略性的重大意义。与此同时发展纯电动汽车也将对国家产业结构的调整、汽车领域创新力与市场竞争力的提高，经济社会的协调发展产生很大影响。发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是中国国家战略的必然选择。有研究表明机动车排放是北京PM2.5的最大来源，石油危机和环境污染给人们的日常生活造成了巨大的影响，世界各国都在积极进行新能源方面的研究。2014年国家对新能源的补贴更加明确，风靡全球的特斯拉汽车在中国交付使用，许多汽车生产厂商都推出了新能源汽车的上市计划，消费者可以选择的车型也越来越多。有分析称北美、欧洲和亚太地区还将继续是电动汽车的主要消费市场，今年全球电动汽车行业将保持86%的增长率，销量将超过346000辆。汽车产业界中北大学2017届毕业设计说明书第2页共42页给我们勾画了未来电动汽车的技术发展路线：在2015-2020年之间，不断提升传统燃油汽车性能，开展新能源汽车的示范，推动混合动力汽车的广泛应用；在2020-2040年之间，在混合动力汽车得到大范围应用的基础上，不断提升汽车电力驱动所占比例；2040年以后，纯电动汽车将逐渐走向实用化。1.21.2国内外研究现状国内外研究现状1.2.1纯电动汽车的发展现状美国在制造汽车和拥有汽车的数量都排在各国的前面，汽车业消耗掉所美国大量的石油，所以各种有害气体排放量排在世界前列。美国在传统内燃机汽车和电动汽车方面有着深远的研究，19世纪初期，美国就已经发明出以直流电机作为动力源的电动汽车3。从上世纪70年代起，美国从资金和政策上不断对电动汽车产业进行支持。90年代初期，美国各大汽车厂联合开发出适应纯电动汽车的优良电池。1993年美国制定了一套关于纯电动汽车的发展战略方案，该方案由美国政府和汽车厂商共同实施，旨在未来10年研发出低消耗的电动汽车。美国政府在2012年制定了发展电动汽车的“EvEverywhereGrandChallenge”目标，准备截止2022年要研制出价格和性能能够与内燃机汽车相竞争的电动汽车。在美国政府的扶持下和纯电动汽车厂商在技术革新的投资下，近几年在美国已经有很多优秀的纯电动汽车问世，如通用汽车公司研制的EV-I、雪佛兰公司研制的Volt和SPRINGO、特斯拉公司研制的ModelS、Roadster和ModelX等。目前，美国无论是在电动汽车技术研发还是应用推广上都获得了实质性的进展4。欧洲各国在环境方面制定了严苛的2CO排放规定，促使纯电动汽车在欧洲各国的推广，也为欧洲纯电动汽车的研发带来了巨大动力。为了加快纯电动汽车的研发进度，欧盟还制定了一系列研究计划，充分发挥各个国家的科研和技术实力，合理分配资金、人力和物资。德国汽车一直以来就排在欧洲前列，早在2009年德国就关于电动汽车的发展制定了以国家为主的研究计划5，德国的王牌企业大众、宝马、奔驰等汽车企业已经在加速研究纯电动汽车，并且他们的技术在全世界也是数一数中北大学2017届毕业设计说明书第3页共42页二的。日本的工业和经济都比较发达，而能源占有率却很低，非常缺乏石油。虽然日本严重缺乏石油，但是日本却是汽车生产业的大国，其生产的汽车非常节约能源。正是因为日本对资源的匮乏，日本政府及汽车企业都非常重视对节能减排的新能源汽车的研制。日本对电动汽车的研究工作相比欧美国家要晚一些，为了加强电动汽车的研究6，日本政府在上世纪70年代就制定了保证能源安全和增强产业竞争力的发展目标。日本非常重视电动汽车产业的健康发展和技术的革新，为了激励电动汽车的研究与推广，制定出了一系列策略和措施。我国在纯电动汽车方面属于起步早技术晚，政府早在“九五”初期就提出研究纯电动汽车，主要研究特殊场合的示范性电动汽车，为我国新能源汽车的起步奠定基础；从2009年到2012年，我国政府在政策和资金上加大对纯电动汽车的推广，对一些城市（例如太原）作为纯电动汽车的试点城市，购买电动汽车在资金上享受一部分补贴，这对纯电动汽车的推广和研发起到了积极的作用；从2013年起，我国政府继续加大补贴力度，不仅购买补贴，对于生产和研发也提供高额补贴，这是我国对纯电动汽车这个行业有信心的表现。到现在，我国纯电动汽车的发展在研究人员不断创新和政府的不断扶持下，已经有了突破性进展，不仅为我们研究和推广积累了实践经验，也为以后我国汽车品牌走向世界打下了坚实的基础。近几年来，我国已经有较多汽车生产企业研发出了性能优良的电动汽车，如：比亚迪、上汽、长安、奇瑞等。随着控制芯片技术的不断革新，芯片的可靠性和功耗也得到保障，这使纯电动汽车的各项性能都能跟上传统汽车，尤其是在可靠性、安全性上大大提高，一大批纯电动汽车进入消费者的眼帘，如表1.1所示近几年我们生活中的纯电动汽车。中北大学2017届毕业设计说明书第4页共42页表1.1典型电动汽车概况1.2.2整车控制器研究现状整车控制器包括硬件和软件两大组成部分，它的核心软件和程序一般由整车生产厂商研发，而汽车零部件供应商能够提供整车控制器硬件和底层驱动程序。在新能源汽车的研发方向，国外企业更偏重于对混合动力汽车的研究7-8。现阶段国外对纯电动汽车整车控制器的研究主要集中以轮毂电机驱动的纯电动汽车。对于只有一个电机的纯电动汽车通常不配备整车控制器，而是利用电机控制器进行整车控制9。国外很多大企业都能够提供成熟的整车控制器方案，如大陆、博世、德尔福、AVL、FEV和RICARDO等。目前整车控制器开发形成了一个趋势，即通过形成构架标准来时间企业车型主要性能介绍2008年宝马MINIE使用锤离子电池，续航240km，最高车速152kmh，100kmh加速时间85s，同时通过各项碰撞测试2009年三菱iMiEV使用高能量密度锂离子电池，续航160km，两种充电模式，快速充电可在30min冲入80电量，急用充电模式需要7h2011年TeslaTeslaModelS使用汽车级锂离子电池，续航483km，标准化充电设计，大电流充电1h可续航110km，最高车速193kmh2012年北汽E150EV续航150km，最高车速120kmh，充电时间6-7h2014年宝马i3使用锂电池，最大续航257km，最大车速160kmh，家用充电耗时8h，专用充电1h可行驶130160km2016年比亚迪e6E6最高车速可达每小时160公里以上，而百公里能耗约为20度电快充为3C充电，15分钟左右可充满电池80%中北大学2017届毕业设计说明书第5页共42页简化系统开发流程并且增加整车控制器软件的复用性，汽车生产厂商、零部件供应商及软件公司形成了“汽车开放系统架构”标准，建立了汽车开放系统架构联盟10。虽然纯电动汽车在我国已经有了发展的势头，但是国内的整车控制器还是处于实验室研究状态。清华大学、吉林大学和天津大学等高校，已经具备在实验室研发软件和硬件的能力，并且有一小部分产品已经在试验车上使用，还有一部分已经开始量产，基本满足纯电动车的要求。但是相比国外大型企业，我国的技术还有一定的差距，原因主要是主控芯片大多来自国外，这些芯片厂商会有自己的纯电动汽车控制器的解决方案。1.31.3本本文主要研究的内容文主要研究的内容纯电动汽车与传统汽车在结构组成上不同，当汽车处于行驶状态时，整车控制器要接收驾驶员对加速踏板的信号，并将该信号进行处理发送给电机驱动器，电机驱动器再驱动电机带动传动系统实现整车行驶。当汽车处于制动状态时，整车控制器会采集制动踏板的信号，然后根据踏板信号的大小，将部分能量进行回收，储存到电池中，从另一方面降低了电池电量的消耗，延长电动汽车的续航能力11。通过对纯电动汽车的分析，本设计的控制器输入量为加速踏板信号和制动踏板信号；那么输出信号为驱动器的PWM信号并控制电机的输出扭矩，和开关信号控制行驶工况（前进、后退、停止）。根据整车控制器的功能要求，选定整车控制器芯片为飞思卡尔MK60DN512ZV。以飞思卡尔MK60DN512ZV为核心，对整车控制单元的硬件电路进行模块化设计，利用AltiumDesigner09软件，根据功能模块的设定对整车控制器原理图进行绘制。采用IAREmbeddedWorkbench软件，针对关键传感器进行编程和数据处理。中北大学2017届毕业设计说明书第6页共42页22纯电动汽车整车控制系统的方案设计纯电动汽车整车控制系统的方案设计2.12.1整车控制器的基本功能整车控制器的基本功能纯电动汽车结构如图2.1所示，整车控制器、电机及其控制器、电池组及其管理系统、逆变器、机械传动机构和车载仪表等是纯电动汽车动力系统的主要组成部分。图2.1纯电动汽车结构示意图图2.2是整车控制系统结构示意图，整车控制器、电机控制器、电池管理系统和车载仪表构成了整车控制系统。其中整车控制器是车辆正常行驶的控制中枢，是整车控制系统的核心部件，是纯电动汽车的正常行驶、再生能量回收、故障诊断处理和车辆的状态监视等功能的主要控制部件12。整车控制器和系统其它部件控制器之间通过CAN总线进行数据传递，相对于其它部件控制器的动态控制，整车控制器是管理协调型控制。中北大学2017届毕业设计说明书第7页共42页图2.2整车控制系统结构示意图整车控制器通过采集加速踏板信号、制动踏板信号和档位信号等驾驶信息，同时接收CAN总线上电机控制器和电池管理系统发出的数据，并结合整车控制策略对这些信息进行分析和判断，提取司机的驾驶意图和车辆运行状态信息，最后通过CAN总线发出指令来控制各部件控制器的工作，保证车辆的正常行驶。整车控制器应该具备以下基本功能：（1）对司机驾驶意图的解释加速踏板开度、制动踏板开度和档位开关等信号是司机驾驶意图的直接体现，整车控制器结合整车控制策略对这些信息进行分析和判断，并将司机的驾驶意图转化为对电机控制器的转矩指令，同时协调纯电动汽车各功能模块的正常工作，这是整车控制器最基本的功能；（2）对车辆状态的监测和显示汽车朝着智能化的方向发展，整车控制器通过直接采集信号和接收CAN总线上的数据的方式获得车辆运行的实时数据，包括车速、电机的工作模式、转矩、转速、电池的剩余电量、总电压、单体电压、电池温度和故障等信息，然后通过CAN总线将这些实时信息发送到车载仪表进行显示。此外整车控制器定时检测CAN总中北大学2017届毕业设计说明书第8页共42页线上各模块的通讯，如果发现总线上某一节点不能够正常通讯，则在车载仪表上显示该故障信息，并对相应的紧急情况采取合理的措施进行处理，防止极端状况的发生，使得驾驶员能够直接、准确的获取车辆当前的运行状态信息13；（3）对制动能量的回收纯电动汽车区别于传统汽车的重要特征就是能够进行制动能量回收，这是通过将纯电动汽车的电机工作在再生制动状态来实现，整车控制器分析驾驶员制动意图、电池组状态和电机状态等消息，并结合制动能量回收控制策略，在满足制动能量回收的条件下对电机控制器发送电机模式指令和转矩指令，使得电机工作在发电模式，在不影响制动性能的前提下将电制动回收的能量储存在电池组中，从而实现制动能量回收14；（4）对整车数据的存储记录整车控制器能够记录行车数据和车辆故障信息，相当于汽车的“黑匣子”。在汽车发生故障或事故后，整车控制器能够对行车数据重放，通过对数据的分析能够找出事故的原因，有助于对汽车的控制策略进行研究和改善；（5）对整车能量的优化为了延长纯电动汽车的续驶里程，整车控制器需要对整车进行能量优化。例如，当电池组剩余电量较低时，整车控制器发送指令关闭车载空调等辅助电气设备，将电能优先用于保障车辆的正常行驶，从而获得最佳的能量利用率。2.2.22整车控制器的设计要求整车控制器的设计要求直接向整车控制器发送信号的传感器包括：加速踏板传感器、制动踏板传感器和档位开关，其中加速踏板传感器和制动踏板传感器输出模拟信号，档位开关输出信号是开关量信号。整车控制器通过向电机控制器、电池管理系统发送指令间接控制电机运转和电池充放电，通过控制主继电器来实现车载模块的上下电。根据整车控制网络的构成以及对整车控制器输入输出信号的分析，整车控制器应满足如下技术要求15：中北大学2017届毕业设计说明书第9页共42页(1)设计硬件电路时，应该充分考虑汽车恶劣的行驶环境，注重电磁兼容性，提高抗干扰能力。整车控制器在软硬件上都应该具备一定的自保护能力，以防止极端情况的发生；(2)整车控制器需要有足够多的IO口，能够快速准确采集各种输入信息，至少具备两路AD转换通道用于采集加速踏板信号和制动踏板信号，应该具有多个开关量输入通道，用于采集汽车档位信号，同时应该具有多个用于驱动车载继电器的功率驱动信号输出通道；(3)整车控制器应该具备多种通讯接口，CAN通讯接口用于与电机控制器、电池管理系统和车载仪表通讯，RS232通讯接口用于与上位机通讯，同时预留了一个RS-485422通讯接口，这可以将不支持CAN通讯的设备兼容，例如某些型号的车载触摸屏；(4)不同的路况条件下，汽车会遇到不同的冲击和震动，整车控制器应该具备良好抗冲击性，才能保证汽车的可靠性和安全性。2.2.33整车控制器的信号定义整车控制器的信号定义整车控制器与电机控制器通讯信息如图2.3所示，整车控制器给电机控制器发送的信号包括电机使能控制信号、电机模式控制信号和电机给定转矩信号。电机使能控制信号用于控制电机使能或电机禁止，电机模式控制信号用于控制电机停机、再生制动、正向驱动或反向驱动。电机控制器根据整车控制器发来这些信息驱动电机，通过CAN总线将电机当前的状态信息发送给整车控制器，返回的信息包括电机温度、电机逆变器温度、电机限值电流和电机当前状态码（正常、欠压、过压、过温、相电流超限和模块故障）。中北大学2017届毕业设计说明书第10页共42页图2.3整车控制器与电机控制器通讯信息整车控制器向电池管理系统发送整车状态信息，表示整车处于正常工作、准备关机或关机状态，关机会有2s的延时，电池管理系统利用这段时间进行数据保存。图2.4显示了电池管理系统发送给整车控制器的一些信息，包括蓄电池当前状态、电池组总电压、单体的最高电压、单体的最低电压、电池组的剩余电量、电池最大允许放电电流、电池最大允许充电电流和电池温度等。其中蓄电池当前状态包括故障等级和故障源，在不同的故障等级下整车控制器实行降功率处理甚至对电池停止充放电。电池最大允许放电电流表示在综合分析当前的电池组温度、电压以及剩余电量的条件下，判断电池组能够放出的最大电流，如果放电功率过大导致放电电流超过这个限制，会造成电池损伤，降低其使用寿命。中北大学2017届毕业设计说明书第11页共42页图2.4电池管理系统发给整车控制器的信息整车控制器向车载仪表发送的信息如图2.5所示，包括车辆的各项运行状态信息。例如，车速、电池状态、电机状态和故障信息等车辆实时状态。图2.5整车控制器发给车载仪表的信息2.2.44整车控制器系统的构建整车控制器系统的构建2.4.1整车控制系统的类型纯电动汽车整车控制系统主要分为集中式控制和分布式控制两种方案。集中式控制系统的基本思想是整车控制器独自完成对输入信号的采集，并根据控制策略对数据进行分析和处理，然后直接对各执行机构发出控制指令，驱动纯电动汽车的正常行驶。集中式控制系统的优点是处理集中、响应快和成本低，缺点是电路复杂，并且不易散热。分布式控制系统的基本思想是整车控制器采集一些驾驶员信号，同中北大学2017届毕业设计说明书第12页共42页时通过CAN总线与电机控制器和电池管理系统通信，电机控制器和电池管理系统分别将各自采集的整车信号通过CAN总线传递给整车控制器。整车控制器根据整车信息，并结合控制策略对数据进行分析和处理，电机控制器和电池管理系统收到控制指令后，根据电机和电池当前的状态信息，控制电机运转和电池放电。分布式控制系统的优点是模块化和复杂度低，缺点是成本相对较高。本文采用分布式整车控制系统，其结构如图2.6所示，整车控制系统的顶层是整车控制器，整车控制器通过CAN总线接收电机控制器和电池管理系统的信息，并对电机控制器、电池管理系统和车载仪表发送控制指令。电机控制器和电池管理系统分别负责电机和电池组的监控与管理，车载仪表用于显示车辆当前的状态信息。图2.6整车控制系统示意图2.4.2CAN总线CAN总线是一种应用范围很广的现场总线，它全称是控制器局域网。CAN总线实行多主方式的串行通讯，能够用于分布式控制系统各节点间实时、可靠的数据通信16，具备高速率、能够检测出总线错误的高性能和可靠的优良特性，在船舶、工业自动化、医疗设备等方面正得到广泛的应用，CAN总线技术在汽车上的应用使得线束大大减少，同时保证了通讯的可靠性，它正慢慢成为通用的汽车总线标准17。CAN具有十分优越的特点，这些特点包括18：(1)在理论上没有限制网络上的节点个数，数据通信不区分主从节点，每个节点都可以向其他任何节点发送数据，只是通过各节点的信息优先级来决定通信的顺序，在多个节点同时通信时，低优先级的避让高优先级的，这样就不会对堵塞通信线路；中北大学2017届毕业设计说明书第13页共42页(2)当速率低于5Kbps时，具备最大10km的通信距离。当速率达到1Mbps时，具备最大40m的通信距离。可以使用双绞线或同轴电缆作为传输介质，能够用于大数据量的短距离通信或者小数据量的长距离传输；(3)当总线空闲时，能够自动重新传输破坏的报文。能够区分永久性错误和暂时性错误，同时能够自动关闭错误节点。CAN通讯网络的核心问题是如何制定或选用CAN的应用层协议。CAN协议只定义了数据链路层和物理层的规范，用户在使用CAN协议时，需要根据需求定义CAN的高层协议。目前存在多种基于CAN的高层应用协议，如SAEJ1939、CANopen、ISO11783、DeviceNet、CANKingdom和SDS。而许多电动汽车的车载CAN通讯网络采用的是SAEJ1939协议。基于CAN总线的整车控制系统的拓扑结构如图2.7所示，总线上的节点主要包括：整车控制器、电机控制器、电池管理系统和车载仪表等。分配了系统各组成单元的源地址，在程序设计时选用了250kbs的CAN总线通讯速率。图2.7整车控制系统的拓扑结构中北大学2017届毕业设计说明书第14页共42页33硬件电路设计硬件电路设计3.13.1整车控制器主控芯片的选型整车控制器主控芯片的选型微处理器随着全球嵌入式应用领域的快速发展，在工业自动化方面获得了广泛的重视和应用。随着多种不同内部功能配置的组合结构，在选择配置型号时也给技术开发人员带来了一定程度的困难，因此对芯片的选择要进行一些对比研究。不同电动汽车会对所应用的整车控制器有不同的要求，我们分别从各个芯片的内核结构、系统时钟控制器、内部存储器容量、中断控制器、普通GPIO接口数量、串口和CAN接口等方面进行比较，经过对比研究后纯电动汽车整车控制器的主控芯片决定选用32位的MK60DN512ZV芯片。MK60DN512ZV微控制器中性能较强的一种主控芯片，此芯片的管脚图如图3.1所示。图3.1MK60DN512ZV芯片管脚图高达32位的DMA，同时尽可能减小CPU干预；内置快速，高精度16位ADC、12位DAC、可编程增益放大器、高速比较器和内部参考电压，降低降低系统成本同时具有强大的信号调节，转换和分析能力；支持ISO7816和IrDA协议的UARTs、IS、CAN、IC和DSPI；支持通用的PWM和电机控制功能；环境工作温度范围从-40C到105C。中北大学2017届毕业设计说明书第15页共42页3.23.2硬件电路设计硬件电路设计3.2.1最小系统最小系统是指单片机由最少的元件组成，但完全不影响工作且性能完整的最小应用系统。最小系统一般包括：单片机、供电电路、晶振电路、复位电路、调试电路。下面介绍：（1）供电电路MK60DN512ZV芯片有两种电源，分别是VDD和VDDA，其中VDD是数字电源，VDDA是模拟电源。飞思卡尔MK60DN512ZV的工作电压为3.3V，在每组VDD和VSS之间加入滤波电容，如图3.2所示。图3.2VDD和VSS之间加入滤波电容在VDD和VDDA之间加入电感或磁珠，这样可以降低VDDA对VDD的干扰，如图3.3所示。通过查看MK60DN512ZV的数据手册，可以统计出MK60DN512ZV的电源引脚总共有9个数字电源引脚VDD，1个模拟电源引脚VDDA，另外VREFH也与VDDA使用同一路电源，而所有的VSS和VSSA引脚都接GND。图3.3VDDA的供电电路中北大学2017届毕业设计说明书第16页共42页（2）时钟电路MK60DN512ZV的时钟电路包括两部分，一个是芯片的主晶振如图3.4，用于产生芯片和外设所需要的工作时钟；另外一个是实时时钟RTC的时钟电路如图3.5，实时时钟（RTC-RealTimeClock）提供一套计数器在系统上电和关闭操作时对时间进行测量，RTC消耗的功率非常低。MK60DN512ZV主晶振使用的是50MHz的有源晶振，RTC时钟由独立的32.768KHz振荡器来提供。图3.4主晶振电路图图3.5RTC时钟电路（3）复位电路MK60DN512ZV的复位电路如图3.6所示，其中网络标号RESET连接芯片的RESET复位引脚。复位电路工作原理：默认情况下，复位引脚RESET通过一个4.7k的电阻上拉到3.3V，处于高电平状态，芯片不会复位，因为该引脚只有在为低电平的时候才开始复位。当按下复位按键S1，RESET引脚接地，处于低电平，致使芯片复位。图3.6复位电路中北大学2017届毕业设计说明书第17页共42页（4）调试电路MK60系列芯片使用的是ARMCortex-M4内核，该内核内部集成了联合测试行为组织JTAG接口，通过JTAG接口可以实现程序下载和调试功能。K60的JTAG接口电路如图3.7所示。JTAG的对外引脚2、4、6、8分别为TMS，TCK，TDO，TDI，这些引脚分别连接K60的PTA0-PTA3四个引脚，JTAG的10脚连接K60的复位引脚。JTAG接口的芯片中JTAG引脚定义：TCK测试时钟输入；TDI将数据输入到JTAG接口；TD0将数据从JTAG接口输出；TMS将JTAG口设置到某种特定的模式；TRST为输入引脚且低电平有效，测试复位的作用。JTAG调试在嵌入式系统程序开发过程中是很常用的调试方法。JTAG接口加上上层调试软件程序是很好的组合方式。系统中调试接口的电路如图2所示。图3.7JTAG调试电路3.2.2电源转换模块纯电动汽车的蓄电池一般为12V或24V，而整车控制器的芯片所提供电压为5V和3.3V，因此，电路所需要的标准电压可由DCl2V或DC24V转换而成，从而实现为各种芯片供电的功能。本设计使用基于LM2596降压电路如图3.8，最大输入电压为45V，固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。中北大学2017届毕业设计说明书第18页共42页图3.8LM2596稳压电路3.2.3串口电路模块“串口”是串行接口(Serialport)的简称，有时也称为串行通信接口(COM接口)，它是一种扩展接口，通常采用串行通信方式。串行接口是按照顺序依次传送，它的通信线路比较简单，双向通信仅用一对传输线就可以实现。串行通讯分为单工、半双工和全双工三种模式，是根据信息的传送方向作为区分依据的。串口可以作为通讯用途也可以当作下载程序用，这样就可以在避免拆卸整车控制器的盒子情况下，更新升级主控芯片程序，为客户使用和数据监测带来方便。PL2303的高兼容驱动可在大多操作系统上模拟成传统COM端口并允许基于COM端口应用可方便地转换成USB接口应用，通讯波特率高达6Mbs。在工作模式和休眠模式时都具有功耗低，是嵌入式系统的理想选择。该器件具有以下特征：完全兼容USB1.1协议；可调节的35V输出电压，满足3V、3.3V和5V不同应用需求；支持完整的RS232接口，可编程设置的波特率：75bs6Mbs，并为外部串行接口提供电源；512字节可调的双向数据缓存；支持默认的ROM和外部EEPROM存储设备配置信息具有I2C总线接口支持从外部MODEM信号远程唤醒；支持Windows7、8、10等操作系统。中北大学2017届毕业设计说明书第19页共42页图3.9PL2303串口调试电路3.2.4CAN总线通信电路模块整车控制器设计了三路相互独立的CAN通讯电路，其中CAN1用于与电机控制器进行通讯，CAN2用于与电池管理系统进行通讯，CAN3用于与车载仪表进行通讯。这样的设计能够避免干扰和冲突，满足多种情况下的CAN通讯需求。为了提高CAN通信抵抗电磁干扰的能力，就需要实现3路CAN通讯模块相互隔离，并与其他电路隔离，CAN通讯电路如图3.10所示，以CAN1通讯电路为例，在MK60DN512ZV芯片和CAN收发器SN1050A芯片之间加入了汽车级数字隔离芯片ADUM1201。使用能够双向隔离的ADUM1201芯片搭建的隔离电路比使用光耦隔离的电路更加简单，同时还可以大大提高隔离电路的性能。ADUM1201芯片输入侧和隔离侧的电源分别由WRA1205LT芯片产生的5V电源CPU-VCC和DCDC转换模块IF0505RT产生5V电源CAN1-VCC提供。为了提高CAN通讯电路的抗干扰能力，增加了TVS管吸收尖峰脉冲，这使得CAN收发器SN1050A所受电磁干扰造成的影响最小化，共模扼流圈L1能够抑制共模干扰。中北大学2017届毕业设计说明书第20页共42页图3.10CAN通讯电路3.2.5功率驱动模块电路设计基于汽车指示灯、电机、继电器等大功率耗电设备，设计了功率驱动模块电路，用于微弱信号控制大功率器件的开关。本文选用英飞凌公司芯片BTS824R，根据用电设备的个数，控制器内加入了3片BTS824R以满足设备需要。此芯片适用于所有电阻、感性、容性负载类型，适合于具有高浪涌电流的负载，替代机电继电器、熔断器和分立电路。具有极低的待机电流、CMOS兼容输入、改进的电磁兼容性、感性负载的快速退磁、宽工作电压范围、逻辑地独立于负载接地。电路设计如图3.12所示。图3.12大功率驱动电路中北大学2017届毕业设计说明书第21页共42页除了应用上述驱动芯片，本文还采用了驱动能力稍小的大电流驱动芯片ULN2003，它由七个硅NPN综合晶体管组合而成，是大电流复合、高耐压晶体管排列。单片机、PLC、智能仪表等控制电路经常应用ULN2003大电流驱动芯片。可直接驱动继电器等负载。ULN2003芯片可承受500mA电流50V电压，其工作电压高工作电流也大，在高负载电流运行的同时而输出。电路设计如图3.13所示。图3.13小功率驱动电路中北大学2017届毕业设计说明书第22页共42页44纯电动汽车整车控制器的软件架构纯电动汽车整车控制器的软件架构嵌入式系统的开发包括三部分：系统整体开发、嵌入式硬件开发和嵌入式软件开发。本章则是针对最后一部分嵌入式软件进行开发。此过程的设计思路包括：软件总体结构及模块的设计、软件功能和实现算法及方法的设计、编程和调试、程序联调和测试提交。本文在以上设计的整车控制器电路板的基础上进行软件开发，包括集成开发环境的搭建、软件的移植、程序的下载烧写、测试等。44.11集成开发环境集成开发环境4.1.1集成开发环境介绍IAREmbeddedWorkbench(IAREWARM)是一个集成开发环境，制作方为IARSystems公司，专门为ARM微处理器所设计开发的。多数8位、16位以及32位的微处理器和微控制器多采用嵌入式IAREmbeddedWorkbench。与其他公司所设计的ARM开发环境相比较，它有很多优势，此开发环境具有更强的便捷性、使用灵活性、代码专业性、高效率以及广泛适用性。4.1.2集成开发环境使用方法IAREWARM的使用方法是根据项目进行操作管理，且为所需的程序设定了相应的模板。一个或多个编译连接配置可以被每个项目所定义。很有必要建立一个新的工作区在生成新项目之前，一个或多个项目可以存放到一个工作区中。现在开始搭建软件项目工程架构，对电脑上的IAREWARM图标进行双击鼠标点选，便进入了IAREW