無人駕駛微型電動拖拉機整機控制器設計

彭 飛，張 熙，陳安焱，陳樹人

（江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江212013）

0 引言

隨著天然氣、石油、煤炭等不可再生能源的持續開采，全球能源危機問題日益加重。當前我國正處于經濟發展的加速上升時期，存在著對不可再生能源過于依賴、單位能源獲取的經濟價值低、實際不可再生能源利用率較低等問題，這些問題的出現不斷驅使我們加大對可再生能源、新能源等研究力度。

由于能源緊缺、環境污染等問題的加劇，傳統燃油拖拉機已無法滿足現代農業農村新模式對綠色環保、節能高效提出的高要求。傳統燃油拖拉機機械體積龐大，變速傳動系統復雜，相對而言機械效率低，不利于現如今綠色環保的主題。而電動拖拉機擁有零排放與低噪音的優點，電機驅動使精確和動態控制成為可能，電動拖拉機由運動過程的可調轉變成精確可控。此外，電動農業機械結構緊湊，轉向靈活，特別適用于在小面積的丘陵地塊和密閉溫室大棚作業。較寬的調速區間和精確的功率控制，也使電機可以保持在高效運行狀態，特別是多電機布局設計，避免了電動農業機械的動力不足問題。

在電動拖拉機的整機架構設計過程中，整機控制器、電池管理系統與電機動力控制器是整機中最重要的部件，統稱為“三電”。其中，整機控制器作為電動拖拉機的“大腦”，采集數字量與模擬量信號，通過CAN總線連接其他控制器，承擔了數據交換、安全管理和能量分配等任務，是整機動力性和經濟性良好的重要保證。

1 電動拖拉機整機控制器整體結構與工作原理

1.1 整體結構

電動拖拉機整機整機控制器模塊主要由微處理器模塊、電源模塊、I/O接口模塊、功率驅動模塊、CAN通信模塊等組成。設計了13路模擬量輸入，包括加速踏板信號、制動踏板信號等；3路CAN通信，包括故障診斷、高速CAN、低速CAN；16路數字量輸入，包括擋位信號、PTO開關、鑰匙開關等；15路低端驅動輸出，包括繼電器開關控制、LED故障燈控制等。

圖1 控制器整體結構框架

1.2 工作原理

電動拖拉機整機控制器采用當前最先進的電子元器件和電子電路設計方法，具有功能全面、響應速度快、可靠性好、結構緊湊、安裝便利、可實現精準控制的優點，滿足嚴格的安裝空間和功能需求。

根據車載網絡特點，將整機控制器與其他控制器節點設置為信號傳輸速率500 kbps的高速CAN總線，以滿足這些節點的時間響應和準確性要求。

儀表顯示終端、燈光控制系統、助力轉向控制器等這類控制節點，對CAN網絡的實時性要求低于一類節點要求，采用信號傳輸速率250 kbps的低速CAN總線可滿足要求。通過將各節點CAN收發器、CAN控制器與相應的系統控制單元、執行機構和信號采集傳感器的合理連接，實現電動拖拉機整機通信網絡系統之間的信號采集、控制信息發送、控制信息傳輸、控制單元響應以及執行機構動作的全過程信號傳輸。

整機控制器通過傳感器、開關、系統部件控制器反饋的信息，整車的運行狀態參數，然后通過預設在整機控制器內部的控制程序，向其余系統部件控制器發出控制指令，實現對整機的協調統一管控。

2 整機控制器硬件設計

2.1 微控芯片的選型

微控芯片作為電動拖拉機整車整機控制器硬件的核心部分，利用軟件程序調試CAN接口燒寫到主控芯片內，微控芯片根據具體軟件編譯指令來采集程序中需求指令，然后對輸入信息進行邏輯運算，通過CAN總線將處理后的信息傳輸給其他控制器，從而實現電動拖拉機整機控制器控制策略的軟件功能。因此，微控芯片的選取對于電動拖拉機整機控制器硬件開發具有重要的影響。

整機控制器微控芯片按照功能需滿足較高工作頻率和運算速度、豐富的輸入/輸出端口、較高溫度承載特性等條件，綜合電動車輛常用微控芯片的類型，考慮到本設計的整機整機控制器在所需實現功能以及后續研究的開發與補充等因素，選用飛思卡爾公司生產的16位雙核微控制器MC9S12XD系列單片。

2.2 PCB設計

在處理電磁兼容（EMC）問題時，首先要做好芯片的選型和PCB板的設計，根本上解決EMC問題。

遵循PCB布線布局的基本原則，即電流必須在一個回路中流動，每個信號都要求有一個回流電路來構成回路，實現信號的及時反饋。當電路為直流和低頻時，回路電流選擇從電阻最小的電路上通過；而電路為高頻時，回路電流選擇從從阻抗最小的電路上通過。倘若兩根導線分別流過大小相等方向相反的信號電流和回流電流，它們所散發出的磁場也是大小相等且方向相反，如果兩根導線距離非常近時，電流導線磁場即差模EMI輻射將完全抵消。

從以上的基本原則可以得出：如果要實現差模EMI輻射至最小狀態，信號線導線應盡量靠近與它構成回路的回流導線，即必須把信號線導線回路面積減少到最小。因此在考慮安全條件下，電源線導線應盡可能靠近地線，以減小差模輻射的環面積，這一過程也有助于減小電路的交擾。

2.3 電路設計

整機控制器電路設計主要包括電源模塊電路設計、通信模塊電路設計、輸入信號處理電路設計。

首先電源模塊是整機控制器的能量來源，根據電路設計要求，電源模塊要在規定的電壓波動范圍內和工作溫度范圍內正常工作，抵抗強烈的電磁干擾。電源模塊電路采用降壓式開關穩壓器LM2576-ADJ，該芯片能夠調節輸出電壓，輸出1.23～37 V，方便在設計的時候靈活改變。該芯片能夠驅動3 A的負載，其效率明顯高于常用的三端線性穩壓器，尤其是高輸入電壓。在許多情況下，耗散的功率較低，以至于不需要散熱器。

圖2 電源模塊電路

圖3 兩路CAN通信電路

其次主芯片集成了CAN模塊，所以此電動拖拉機及整機控制器的CAN通信模塊只需外加CAN收發器。在此整機控制器的通信電路選用高速CAN收發器TJA1051T，此收發器能夠提供控制器與物理雙線CAN之間的信號接口，具有良好的電磁兼容性與靜電放電性能。該芯片的波特率范圍最高至1 Mbit/s，它具有溫度保護的功能，當與發送器連接點的溫度超過大約165℃時，會自動斷開與發送器的連接（當總線短路時，更需此溫度保護電路）。

最后輸入信號包括數字量輸入信號和模擬量輸入信號，數字量輸入信號可分為高有效開關和低有效開關，在電路信號采集過程中，通過高低電平轉換來實現對數字量信號的采集，因此數字量信號普遍為直流脈沖信號。為了實現數字量信號穩定準確采集，選擇在數字量信號輸入端口加入濾波電容，有助于消除整機環境帶來的脈沖信號干擾。電容作用一般是濾除電壓信號的波動，小電容濾高頻，大電容濾低頻。

由于模擬量信號的采集數據較多，當圖像信息和聲音信息發生改變時，信號波形也改變，信息的變化規律將直接反映通過模擬信號的幅度、頻率和相位來表現。

3 整機控制器軟件設計

對于整機控制器，除了硬件的合理設計外，軟件程序的設計也至關重要。軟件程序一旦運行錯誤或者自身有缺陷，電動拖拉機將不能繼續執行相應的指令，甚至可能會造成災難性的后果。合理的軟件程序開發，不僅能提高整機控制器的運行效率，還可以提高軟件的可靠性和抗干擾性。因此，本文在整機控制器的軟件開發過程中采取模塊化設計方法、采用分工況的計算方式以及結構化程序設計方法。

其中設計的程序主要包括主程序、上電自檢程序、故障處理程序以及工況判斷程序。

主程序在整機控制器的軟件中起著調度功能，通過調用整機控制器軟件系統中子程序對整機各部分進行控制，從而完成整機的正常作業。

上電自檢是指整機控制器在通電后，控制系統針對自身狀態進行的一個檢查的過程。整機控制器上電自檢通過后才能執行下面的程序，如果在上電自檢的過程中出現問題，需要反饋給整機控制器并執行相應處理。

電動拖拉機在運行過程中各控制器出現故障必須及時處理，整機控制器通過CAN總線提取各控制器的故障碼信息，對整機的故障狀況進行分析和判斷，根據故障輕重進行分級處理。

根據電動拖拉機車速、油門踏板開度、制動踏板開度、擋位信號與懸掛深度等信息來進行工況判斷，并設計了相應的判斷策略。在工況判斷程序中，考慮到了電動拖拉機實際作業的所有工況，并且明確了每個工況的判定條件。

圖4 工況判斷流程圖

4 結語

能源緊缺、環境污染等問題讓電動拖拉機的優勢日益明顯，整機控制器作為電動拖拉機的“大腦”，采集數字量與模擬量信號，通過CAN總線連接其他控制器，承擔了數據交換、安全管理和能量分配等任務，是整機動力性和經濟性良好的重要保證。

硬件是軟件的前提，對整機控制器的硬件電路進行設計，首先選擇微處理器的型號以及確定設計控制器的方案，之后再設計主控制芯片的最小系統，同時對整機控制器的開關量信號采集電路、模擬量信號采集電路、PWM信號采集電路，數字量輸出電路以及CAN通訊等外圍電路進行了設計。

軟件采用模塊化設計方法，對底層驅動程序與應用層程序進行編寫，底層程序主要定義了模擬量、數字量、MSCAN的參數與數據類型，其中應用層程序包含主程序總體設計、上電自檢、故障處理、工況判斷等模塊的設計。

硬件和軟件的有效結合，是實現電動拖拉機整機控制器穩定工作的前提，是電動拖拉機實現智能整機化作業的基礎，為智能整機農業的發展提供了進一步的可能。