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1、大学生方程式电车控制系统硬件设计项目结题报告（*大学 机械工程学院 机械设计制造及其自动化专业）1 应用领域1.1 中国大学生方程式汽车大赛中国大学生方程式汽车大赛是一项由高等院校在校学生组队参加的比赛，各车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年时间内自行设计出一辆在加速、制动、操作等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。大学生方程式赛车大赛起源于1979年美国休斯敦大学举办的SAE Mini-Indy(Society of Automatic Engineers Mini-Indy)赛车的比赛，后来这种由大学生自主设计制造的方程式赛车比赛逐渐在全世界范围内
2、流行起来，如今全球有十多个人国家举办大学生方程式比赛。2010年11月，中国汽车工程协会举办了首届中国大学生方程式汽车大赛。1.2 中国大学生电动方程式赛车中国大学生电动方程式汽车大赛是在大学生方程式汽车大赛的基础上发展而来的，旨在为日益成熟的纯电动汽车注入新的血液，带领更多大学生关注新能源板块。参赛车队假定为一家公司设计、制造、测试并展示一辆以市场为目标的业余周末休闲赛车的原型车，要求赛车在加速、制动、控制性能及续驶里程方面具有优异表现，能够顺利完成所有比赛项目。1.3 开发板功能介绍驱动系统是指所有电气连接到电机和驱动系统电池上的部件，而所有不是驱动系统部件的电气部件就是控制系统。中国大学
3、生方程式大赛规则中规定，无论何时，只要电路中的名义工作电压可能高于60V DC或25V AC RMS，这个电路就被定义为驱动系统的一部分。而我们的开发板就是控制系统的硬件主体，是实现赛车各个控制动作的基础。2. 硬件需求分析报告本次科研训练是为大学生电动方程式赛车设计一套稳定高效的电子控制系统，综合考虑设计的安全性和可靠性，既要满足中国大学生方程式汽车大赛电车规则，同时又使得赛车具有良好的控制性能。该开发板应搭载32位MCU，16M字节缓存，1M字节SRAM，两路CAN总线，要求能达到1Mb/s的传输速度，并且采用RS232串口以及JLINK调试下载口，电源模块要求824V范围内主供电，能提供
4、多个5V和3.3V的稳定电压。输入模块要求有4路010V可调的AD输入，输出模块需要做4路DA输出和3路PMM输出。I/O要求设置8路可设定的I/O口，默认全部设置上拉电阻。要求具有加速度传感器和温度传感器，LED 灯和OLED显示屏，有电源按钮、复位按钮，采用SD卡存储信息，要求无线能对应上位机PC。另外，考虑到开发板是使用在电动方程式赛车上，所以应该充分考虑电源的散热问题。该开发板用在大学生电动方程式赛车上，开发经费为两千元。3.硬件总体设计报告此处略过系统总体结构和功能划分，主要介绍ECU原理图设计，因为该开发板的主要功能均在一块板子上完成，不需要做不同板子之间的功能分配。4 硬件总体设
5、计4.1 各电路的选型及设计4.1.1 MCU电路的选型及设计MCU是Microcontroller Unit的简称，是整个开发板的核心部件。鉴于STM32芯片采用ARM先进架构的Cortex-M3内核优异的实时性能、杰出的功能控制、出众及创新的外设并且易于开发的特性，其中STM32F4性能相对于STM32F1更为强劲，而其功耗也较之更低，其中STM32F407芯片性价比最高，在此基础上，注意到STM32F407ZE芯片拥有512Kb的闪存flash，其内置RAM192Kb，拥有144个引脚，114个I/O接口，其最大运行的温度范围为-40至105，能够比较好的满足本项目的使用要求，故而选择了
6、STM32F407ZET6芯片。以下是MCU部分的截图，其中左侧部分为MCU电路。右侧部分从上至下一次为参考电压指示、RESET电路、按钮电路、LED灯以及OLED显示屏的接口的相关电路4.1.2 电源模块的选型与设计电源模块的作用是从驱动电路取电供给开发板使用。本次科研训练对于电源模块的要求是对于在8V到24V范围内的供电电压均能正常工作，要求能将供电电压转换成5V和3.3V以供电路板各个模块取电，要求对输入信号ADC做防反接设计，并且要具有过流保护的特点。MP2359的工作电压范围是4.5V到24V，基本满足电压使用范围的要求。该芯片能提供最大为1.2A的电流。AMS1117芯片推荐工作电
7、压为0到15V范围以内，其工作结温范围为-40到125，完全符合电路性能的要求。电路部分的原理图如下，一般情况下由POW处输入，经过一个二极管防反接后输入MP2359芯片的IN端口，经过一个电阻降压以后给使能端EN供电，EN端口高电平有效。根据MP2359芯片手册推荐的电阻阻值，选择R44电阻阻值为9.53，选择R47电阻阻值为49.9，此时输出电压为5V。在这里，考虑到有时用USB供电更为方便，所以在按钮K1处连接了一个USB供电模块，USB的VCC引脚通过网络标识一个最大允许电流为1000mA的自恢复保险丝与按钮K1相连，由此便实现了USB的候补供电。MP2359的保护功能有限制每个周期的
8、尖峰电流功能、输出短路时开关频率限制在原来的1/4的折回功能、热关断功能以及欠压锁定功能。AMS1117是一个正向低压稳压器，能够将输入电压降低并且稳定地输出，此处选择其输出电压为3.3V。注意到，在得到3.3V供电电压以后还采用了电容滤波滤除噪声，并且采用的是大一小两个电容并联的形式，此处大电容即220F的钽电容，其容量大，吸收电流的能力强，能有效地滤除低频波，稳定输出，使输出电压不会突变，而104的贴片多层陶瓷电容谐振频率较高，可滤除的干扰频率较高，能滤除高频干扰，使输出电压纯净。由此，电路板便得到了5V和3.3V两个稳定的供电电压。以下为电源部分的截图：USB供电模块的截图：4.1.3
9、时钟电路的选型及设计时钟周期是CPU处理动作的最小的时间单位，CPU的每一个动作通过时钟脉冲的控制实现精确定时。在STM32中有五个时钟源，分别为HIS、HSE、LSI、PLL，其中HIS为高速内部时钟，RC振荡器，频率默认为16MHz；HSE是高速外部时钟，可接石英和陶瓷谐振器，或者接外部时钟源，频率范围为3MHz-25MHz；LSI是低速内部时钟，同样这也是RC振荡器，频率为32kHz，用于驱动独立看门狗和通过程序选择RTC；LSE为低速外部时钟，接频率为32.768kHz的石英晶体，也可以用来驱动RTC；PLL为锁相环输出，其时钟输入源可选择HIS/2、HSE或者HSE/2等，但其输出频
10、率最大不得超过120MHz。以下是时钟部分的电路的截图：4.1.4 I/O模块的选型及设计I/O模块是实现开发板与产品外设部分通信的桥梁，I/O接口的作用是使主机与外围设备能够协调地完成输入输出工作。本开发板引出了STM32F407ZET6芯片的除PA2、PA3、PA9、PA10、PA11、PA12、PB10、PB11以外的102个I/O口，STM32F407ZET6共有112个I/O口，除去RTC晶振占用的两个I/O口以及以上八个未使用到的I/O口以外已全部引出。以下是I/O部分的截图：4.1.5 JLINK模块的选型及设计JLINK电路在电路中的作用是用于软硬联合调试，是往开发板上烧录程序
11、进行调试。考虑到JTAG调试占用的接口太多，并且体积庞大，并且速度较慢，本小组选择了JLINK调试。JLINK指占用了两个接口，并且这两个接口与开发板上其他接口没有干扰，故而能够更方便地对板子进行全面的调试。同样的，在VCC3.3和GND之间连接滤波电容，以用于保证调试电路平稳运行。以下是JLINK模块的电路原理图：4.1.6 复位电路的选型及设计在电路上电或者电压波动不稳定的时候，几个微秒内电压不是直接跳变到工作电压，而是一个逐渐上升的过程，此时单片机是不能正常工作的，需要复位电路给予延时以等到电压稳定，这就是复位。以下是复位电路的电路图截图：4.1.7 ADC电路的选型及设计ADC电路主要
12、是指对于ADC过流保护电路。LMV324_14Pin是一块集成了四个运算放大器的芯片，在电路中起电压追随器的作用。从电路图中我们可以看到，VCC5经过一个5V的双向稳压管以后与ADC相连接，这时输入的模拟信号只有在010V范围内才不会失真，在010V范围以外的信号理论上均被限制，为了提高限压的可靠性，在接地端再使用一个10V的双向稳压管，使模拟量的信号不能超过10V，确保过流保护的高可靠性。经过两个稳压管的限制以后，ADC处的电压为10V，通过2K和1K的分压作用以后，接入到LMV324_14Pin芯片的电压就为3.3V了。信号通过运算放大器处理以后，经过一个滤波电容滤去噪声以后作为接入开发板
13、的ADC信号。保护电路截图如下：4.1.8 DAC模数转换电路选型及设计本小组的模数转换电路的选型主要参考的微型计算机原理及接口技术这本教材上的电路，对电路比较熟悉，用起来比较方便，而且其性能方面也足够使用所需。DAC0832芯片中7、6、5、4、16、15、14、13八个引脚对应着八位数据通道，其中7号为最低有效位，13号为最高有效位，11和12引脚为模拟电流输出端，1号脚为片选端，低电平有效，2号引脚和18号引脚为写信号的1和2，也是低电平有效，3号引脚为模拟地端，8号脚为VR端，9号引脚为反馈电阻接出端，10号引脚为数字地，17号引脚为传送控制信号的引脚，低电平有效，19号引脚为允许输入
14、信号锁存的引脚，20号引脚为供电段。这款芯片特别适合需要多个模拟输出通道同时刷新输出的应用场合。以下是模式转换电路的电路原理图：4.1.9 CAN模块的选型及设计CAN模块属于通信接口模块的一个重要组成部分，CAN总线全称为Controller Area Network，即控制器局域网，其作用是将整车中各种不同的控制器连接起来，实现信息的共享和传输，并减少整车线束的数量。SN65HVD230D作为3.3V-5V高速CAN总线收发器，具有优异的性能，主要表现在其较高的通讯效率、良好的抗干扰能力和高可靠性上。SN65HVD230D芯片能完全兼容ISO11898标准，高输入阻抗，允许120个节点，具
15、有热保护、开路失效的功能，具有抗瞬间干扰、保护总线的功能，斜率控制，降低射频干扰，差分接收器，具有抗宽范围的共模干扰和电磁干扰的能力。由于CAN总线的控制器采用了LVTTL控制逻辑电平，所以本小组才选择了SN65HVD230D芯片。本开发板设置了两路CAN总线，最大传输速度可达1Mb/s，并且设置了终端120的电阻。终端电阻主要用于增强EMC性能，这一点在汽车上尤为重要。CAN总线两端接有一个电阻，能够匹配总线阻抗，提高数据通信的抗干扰能力。以下是CAN总线模块的电路图：4.1.10 USB选型及设计USB电路主要是指USB转串口电路，在电路板中实现USB转串口的功能。CH340G这块芯片具有
16、全速USB设备的特点，兼容USB V2.0，外围元器件只需要晶体和电容，原理图右侧部分的电路是一键下载部分的电路。在晶振两端的电容容值大小的选择需要特别注意，其容值必须大得能够吸收传输波的能量，同时又必须小得不至于损害信号的上升时间，通常此电容容值小于50PF，此处选择为22PF，此容值的选择是为终端匹配技术，能防止电压反射，减少上冲和下冲，防止错误和损害单片机。以下是USB部分的电路原理图截图：4.1.11 无线模块的选型及设计NRF24L01芯片是无线芯片中性能相对较为普通的一块，其具有自动应答和自动重发功能，其数据传输速率为0-1Mps，理论上这款无线的数据传输距离为1100米，已经足够使用所需了。以下就是无线模块的电路原理图：4.1.
