汽车电子控制油门基于ARM-Linux的设计

1　系统原理

1.1　电控油门原理

工作时，由驾驶员发出转速的控制指令，由节气门开度传感器采集发动机的转速参数，并把信号输入电控单元；电控单元将控制信号和反馈的节气门位置信号进行比较，根据比较的结果来驱动执行器改变节气门的开度，使实际的开度与控制开度达到一致，从而实现车速的自动控制。

1.2　舵机控制原理

舵机是一种位置（角度）伺服驱动器，适用于那些角度需要不断变化并可以保持的系统。S3003型舵机有3个引脚，分别为电源Vcc、地GND和控制线Signal。控制信号由Signal通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压[2]。它的内部有一个基准电路，产生周期为20 ms、宽度为15 ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片以决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。
 

控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms（即频率为50 Hz）。当方波的脉冲宽度改变时，舵机的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度成正比。其输出轴转角与输入脉冲宽度关系如图1所示。

2　系统设计

本系统采用三星公司的S3C2410和Futaba公司的S3003型舵机分别作为控制器和执行器，使用Linux操作系统，实验平台为济南恒信有限公司的发动机实验平台。

2.1　系统设计流程

系统流程如图2所示。控制器S3C2410完成各项初始化工作，接收来自操作人员的cmd指令，根据cmd的值来进行一系列的处理，包括停止执行器、旋转多少角度等。然后通过节气门开度传感器和转速传感器计算出等效的cmd值，并与cmd进行比较以决定是进行下一次cmd的判断，还是调整执行器的角度。

2.2　设置Linux系统时钟频率

为了降低电磁干扰和降低板间布线要求，芯片外接的晶振频率通常很低，通过时钟控制逻辑的PLL提高系统时钟[3]。在三星公司的S3C2410A手册中列出了推荐的几种时钟频率，这里我们选用输出时钟频率FCLK=20280 MHz的配置，即PLL控制寄存器中的：MDIV=161(0xa1)、PDIV=3、SDIV=1。

在UBoot的board/smdk2410/smdk2410.c中进行设置：

#define M_MDIV  0xA1

#define M_PDIV  0x3

#define M_SDIV  0x1

int board_init (void){
……
/* configure MPLL */

clk_power﹥MPLLCON = ((M_MDIV ﹤﹤ 12) + (M_PDIV ﹤﹤ 4) + M_SDIV);
……
}
在UBoot的cpu/arm920t/start.S中设置FCLK、HCLK、PCLK的比例：

/* FCLK:HCLK:PCLK = 4:2:1*/

ldrr0, =CLKDIVN

mov r1, #3

strr1, [r0]
 
由以上程序可知FCLK=202.80 MHz，HCLK=10140 MHz，PCLK=50.70 MHz，而S3C2410的PWM模块使用的时钟是PCLK，所以PWM的输入时钟为50.7 MHz。

2.3　舵机驱动程序编写

2.3.1　使用udev来动态建立设备节点

Linux 2.6系列的内核使用udev来管理/dev目录下的设备节点。同时它也用来接替devfs及hotplug的功能，这意味着它要在添加/删除硬件时处理/dev目录以及所有用户空间的行为，包括加载firmware时。udev依赖于sysfs输出到用户空间的所有设备信息，以及当设备添加或者删除时/sbin/hotplug对它的通知[4]。

为了udev能够正常工作，一个设备驱动程序要做的事情是通过sysfs将驱动程序所控制设备的主设备号和次设备号导出到用户空间。udev在sysfs中的/class/目录树中搜索名为dev的文件，这样内核通过/sbin/hotplug接口调用它的时候，就能获得分配给特定设备的主设备号和次设备号[5]。一个设备驱动程序只需要使用class_create接口为它所控制的每个设备创建该文件。

使用class_create函数创建class结构，这段代码在sysfs中的/sys/class下创建一个目录，目录中创建一个新的“pwm”的class类以容纳通过sysfs输出的驱动程序的所有属性。其中的一个属性是dev文件条目，它由class_device_create()创建——它触发了用户空间udev守护进程创建/dev/pwm设备节点。代码如下所示：

static struct class * pwm_class;

pwm_class = class_create(THIS_MODULE, “pwm”);

if(IS_ERR(pwm_class)){

printk(KERN_ERR "Error creating pwm class.n");

goto error;
}

当驱动程序发现一个设备并且已经分配了一个次设备号时，驱动程序将调用class_device_create函数：

class_device_create(pwm_class, NULL, MKDEV(device_major, 0), NULL, “pwm”);

这段代码在/sys/class/pwm下创建一个子目录pwmN，这里N是设备的次设备号。在这个目录中创建一个文件dev，有了这个udev就可以在/dev目录下为该设备创建一个设备节点。

当设备与驱动程序脱离时，它也与分配的次设备号脱离，此时需要调用class_device_destroy(struct class *cls, dev_t devt)函数删除该设备在sysfs中的入口项：

class_device_destroy(pwm_class, MKDEV(device_major, 0))。

2.3.2　配置PWM的输出频率

先使用Linux系统提供的系统函数来获取时钟pclk：

clk_p = clk_get(NULL, "pclk");

pclk = clk_get_rate(clk_p);

由S3C2410数据手册可知，经过预分频器和时钟分频器之后，计算定时器0的输入时钟频率为clkin=(pclk/{prescaler0+1}/divider value)；再通过16位的定时器0计数寄存器TCNTB0、和定时器0比较计数器TCMPB0（它们的值分别用tcnt和tcmp表示）分频，这样就可以从引脚Tout0处得到合适的PWM波形信号了，其周期为T=tcnt/clkin，高电平周期为Th= tcmp/clkin。

已知pclk=50.7 MHz，令

MAX=(prescale0+1)×(divider value)(1)

 则有clkin=pclk/MAX；可以取tcnt=pclk/date；又因为tcnt为16位，所以tcnt≤65 535,这样可以直接消去pclk中的507；而系统需要T=20 ms的周期，先提取出系数50，即：

tcnt=pclk/(date×50)=1 014 000/date（2）

得出MAX=date≥16，prescaler0的取值范围为0～255，divider value的可取值为1、2、4、16。

要求的PWM波形周期为20 ms，正电平宽度为0.5～2.5 ms，20 ms/0.5 ms=40，所以：

tcmp=tcnt/40+(cmd-1)×tcnt/(40×N)（3）

其中tcmp和tcnt均为整数；N即为细分系数，它表示cmd加1时舵机将旋转(45/N)°；cmd是要输入的控制参数，用它来控制舵机的角度。

由式（1）~（3）,以及tcmp和tcnt尽量取整数以减小误差的原则，MAX=date=可取16、20、25。

3　实验结果分析

理论上，细分系数N取值越大、执行器的动作越精确越好，但过大的细分系数会导致执行器的命令对cmd的响应变慢。因此，N的取值应该根据执行器到节气门阀的距离来综合考虑，取细分系数N=5即使用公式：tcmp=tcnt(cmd+4)/200，最小角度为（45/5）=9，足以满足实验的需要。

采用实验的方法，对MAX=date=16、20、25分别进行实验，并使用示波器进行观察根据寄存器的取整特性来对MAX=date的值进行综合的考量。结果如表1~表3所列。其中cmd为输入指令，err为误差，Wh为高电平宽度，~Wh为实际的高电平宽度。



由以上数据可以看出取MAX=date=20时，误差最小。由式（4）可知，prescale0+1=20、10、5对应的divider value=1、2、4。

利用ARM锁相环所产生的高频率可以获得更精细的PWM波，从而对舵机实现更精确的控制来达到油门精确控制的目的。本文从理论和实践两方面实现了舵机角度为9的控制，要想获得更细分的角度，只需将N的值取大。如N=15，可获得的最小控制角度为（45/15）=3；N=45，可获得的最小控制角度为（45/45）=1。

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