1、一种适用于汽车控制的32位微处理器一种适用于汽车控制的32位微处理器作者:点击: 14赵星寒 摘要：MAC7100系列微处理器是Motorola公司最新研制的产品，它是一个以ARM为核的32位微处理器，是一个为适应汽车控制而设计的芯片，具有很强大的功能和宽广的适用领域，本文把这个微处理器介绍给国内读者。关键词：微处理器，单片机，MAC7100，32位，ARM 随着科技的发展和进步，电子控制在汽车领域的应用越来越广泛。汽车控制与其它领域的控制不同，汽车控制系统要求极高的可靠性和良好的稳定性，要求很宽的温度范围、要求抗冲击和震动以及很强的抗干扰能力。因此，汽车控制系统在选择CPU时必须考虑到：宽的
2、工作温度范围以适应环境的变化；高的运算速度以满足控制的需要；存储空间和通讯能力等。下面要介绍的MAC7100系列产品是一种专门为适应汽车控制而研制的微处理器，作为一个新产品，有待于人们了解和应用。1，MAC7100系列主要特点系列包含100脚、112脚、144脚和208脚4种不同形式的封装，都是内含具有RISC特色的ARM7TDMI-S的芯片；速度可达50MHZ；具有总线访问和存储器直接访问两种存储器访问方式，存储器直接访问不占用CPU时间；具有种低功耗工作模式，停机、伪停机和睡眠方式；内含程序Flash，数据Flash和SRAM；内含电压调整器，可为其它芯片提供两路2.5V电源；16位宽的输
3、入/输出口线，可整组或每通道独立控制；多种通讯接口，灵活的软件控制设计；具有Nexus Class 2 Plus接口支持产品开发，具有JTAG测试访问接口支持在线调试；MAC7100系列包括两种产品，一种带外部32位数据总线和32位地址总线，一种外部没有总线。2，MAC7100系列主要资源存储器：1M字节程序Flash,32K字节数据Flash，48K字节SRAM；通讯能力：4组支持CAN2。0协议的CAN接口，支持标准模式和扩展模式。两组全双工的同步串行通讯接口，可同时连接256个外部芯片。4组全双工的异步串行通讯接口，支持2。0版本的LIN通讯模式。一组适用于板上通讯的I总线，满足I2总线
4、标准；中断管理：64个中断源，16级中断优先级，支持中断嵌套和快速中断；输入/输出资源：8组16位宽度的输入/输出接口，可编程的驱动能力，每组或每通道可独立控制，每通道都具有两种以上功能；A/D能力：16位输入的模拟转换接口，10位转换精度，7微秒的转换速度，内含滤波器；信号处理：一组16位可通用的输入/输出接口，每位口线可由两个定时器/计数器支持，可实现多种信号处理模式，包括周期计算，定时脉冲记数，脉宽检测等；定时器：共有10个定时器为系统提供定时资源。3，内部结构MAC7100系列微处理器是一种以ARM为核的微处理器，结构上和其它以ARM为核的微处理器具有相同的特点：把ARM7TDMI-S
5、作为CPU，把外围控制模块连接在总线上，通过控制模块管理系统资源。具有特色的是，MAC7100系列设计出一种存储器直接访问方式，外围模块之间、外围模块和存储器之间、接口和存储器之间可以不通过CPU而直接进行数据传送，这种方式使运行速度加快。处理器对存储器实行分区管理，每个存储区（程序存储区或数据存储区）都可以定义不同的属性。结构简图如图1。ARM7TDMI-S是一个内含JTAG接口的处理器结构，和整个系统通过32位总线连接在一起，作为处理器的CPU。总线开关控制可以选择总线访问方式或寄存器直接访问方式，外围功能模块是一组控制模块，每个模块都有一种或几种功能，这些模块组成系统的资源。外围功能模块
6、主要包括：电压和时钟管理、中断控制、存储器直接访问、总线选择开关、存储器管理、输入/输出模块、A/D控制、同步串行模块、异步串行模块、CAN控制、I2通讯控制、定时器管理等等。共有19个控制模块连接在总线上。处理器共有8组16位通用输入/输出接口。分别记为A、B、C、D、E、F、G、H，这8组口线通过接口管理模块PIM控制。除此之外，还有一个JTAG接口。每一组通用接口或每一个通道（管脚）都具有两种以上功能，除可以作为通用输入/输出外，还具有一个以上专用功能。Motorola公司MAC7100系列微处理器的内核称为标准产品平台，在所有家族成员内是相近的，成员之间不同之处主要在于：存储器的容量的
7、大小、输入/输出口线的多少、外围模块的数量等，这些成员之间具有很强的兼容性。4，管理和控制对这种微处理器的使用，主要是对CPU外围模块的管理和控制。每个功能模块都有一组寄存器，主要包括控制寄存器和状态寄存器，也有其它寄存器比如存放数据的数据缓冲寄存器、存放处理器版本和型号的信息寄存器等。通过控制寄存器控制模块的运行，通过状态寄存器判断处理器运行状态，这样就可以达到正确运行的目的。存储器直接访问是一种脱离CPU干预的总线工作方式，直接访问的启动可以由外部预定的事件或内部定时器定时激活，激活以后，执行和完成预定的事件，比如，定时采集数据并存储到数据存储区；比如，在接受到外部脉冲后把数据从存储器加载
8、到指定输出口，等等。每个功能模块都具有固定的单一的功能，一般情况下，要使处理器完成一个功能，必须涉及多个模块，因此要对不同的模块进行操作，下面以A/D通道控制为例，说明多个模块之间的关系。如图2所示，假设系统定时通过A/D进行采样并把结果存储到存储器中，所要做的工作包括：访问接口管理模块，把指定通道设定为A/D采样模式，规定为输入方式，选择通道接口上拉或下拉；访问A/D控制模块，设定指定通道为A/D方式，选择滤波器，规定采样位数，设置激活采样的条件；访问定时器管理模块，指定为A/D服务的定时器，设置定时时间和时间输出目标；访问存储器管理模块，指定数据存储的区域；访问存储器直接访问控制模块，指定
9、访问的对象和路径。访问中断模块，设置中断源，定义中断优先权和中断条件。在经过以上设置以后，定时器在会在预定的时间激活规定的A/D采样通道，采样的数据不经CPU直接传送到预定的存储区。如果需要，可通过中断激活CPU，使数据得到及时处理。中断控制的中断源，可以来自定时器，可以来自A/D，也可以来自存储器或接口控制模块。汽车转向系统各部分结构作用图解（二）三.机械转向器 齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。 1.转向横拉杆 2.防尘套 3.球头座 4.转向齿条 5.转向器壳体 6.调整螺塞 7.压紧弹簧 8.锁紧螺母 9.压块 10.万向节 11.转向齿轮轴 1
10、2.向心球轴承 13.滚针轴承两端输出的齿轮齿条式转向器如图d-zx-5所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节*10和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。弹簧7通过压块9将齿条压*在齿轮上，保证无间隙啮合。 弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。当转动转向盘时，转向器齿轮11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。 中间输出的齿轮齿条式转向器如图d-zx-6所示，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在
11、于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。（d-zx-6） 1.万向节* 2.转向齿轮轴 3.调整螺母 4.向心球轴承 5.滚针轴承 6.固定螺栓 7.转向横拉杆 8.转向器壳体 9.防尘套 10.转向齿条 11.调整螺塞 12.锁紧螺母 13.压紧弹簧 14.压块循环球式转向器 循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一， 一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。 为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加
12、工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。 螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。转向螺母外有两根钢球导管，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。导管内也装满了钢球。这样，两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球流道。 转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成球流。在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。 蜗杆曲柄指销式转向器 蜗杆曲柄指销式转向器的传动副(以转向蜗杆为
13、主动件，其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。转向蜗杆转动时，与之啮合的指销即绕摇臂轴轴线沿圆弧运动，并带动摇臂轴转动。 汽车转向系统各部分结构作用图解（一）一.机械转向系统 l.转向盘 2.安全转向轴 3.转向节 4.转向轮 5.转向节臂 6.转向横拉杆 7.转向减振器 8.机械转向器上图是一种机械式转向系统。驾驶员对转向盘1施加的转向力矩通过转向轴2输入转向器8。从转向盘到转向传动轴这一系列零件即属于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副（右图所示转向系统中的转向器为单级减速传动副）。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆6，再传给固定于转向节3上的转向节臂5
14、，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。这里，转向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。 二.转向操纵机构 转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。 汽车转向系统各部分结构作用图解（三）四.转向传动机构 汽车转向时，要使各车轮都只滚动不滑动，各车轮必须围绕一个中心点O转动，如图d-zx-07所示。显然这个中心要落在后轴中心线的延长线上，并且左、右前轮也必须以这个中心点O为圆心而转动。 为了满足上述要求，左、右前轮的偏转角应满足如下关系： 与非独立悬架配用的转向传动机构主要包括转向摇臂2、转向直拉杆3转向节臂4和转向梯形。在前
15、桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆6和左、右梯形臂5组成的转向梯形一般布置在前桥之后，如图d-zx-08a所示。当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时，梯形臂5与横拉杆6在与道路平行的平面(水平面)内的交角90。 在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为避免运动干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，此时上述交角90，如图d-zx-08b所示。若转向摇臂不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面向左右摇动，则可将转向直拉杆3横置，并借球头销直接带动转向横拉杆6，从而推使两侧梯形臂转动， 1.转向器 2.转向摇臂 3.转向直拉杆 4.转向节臂 5.梯形臂 6.转向横拉杆当转向轮独
16、立悬挂时，每个转向轮都需要相对于车架作独立运动，因而转向桥必须是断开式的。与此相应，转向传动机构中的转向梯形也必须是断开式的。 1.转向摇臂 2.转向直拉杆 3.左转向横拉杆 4.右转向横拉杆 5.左梯形臂 6.右梯形臂 7.摇杆 8.悬架左摆臂 9.悬架右摆臂 10.齿轮齿条式转向器转向直拉杆的作用是将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂(或转向节臂)。它所受的力既有拉力、也有压力，因此直拉杆都是采用优质特种钢材制造的，以保证工作可*。直拉杆的典型结构如图十所示。在转向轮偏转或因悬架弹性变形而相对于车架跳动时，转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生运动干涉，上述三者
17、间的连接都采用球销。 1.螺母 2.球头销 3.橡胶防尘垫 4.螺塞 5.球头座 6.压缩弹簧 7.弹簧座 8.油嘴 9.直拉杆体 10.转向摇臂球头销随着车速的提高，现代汽车的转向轮有时会产生摆振（转向轮绕主销轴线往复摆动，甚至引起整车车身的振动），这不仅影响汽车的稳定性，而且还影响汽车的舒适性、加剧前轮轮胎的磨损。在转向传动机构中设置转向减振器是克服转向轮摆振的有效措施。转向减振器的一端与车身（或前桥）铰接，另一端与转向直拉杆（或转向器）铰接。 1.连接环衬套 2.连接环橡胶套 3.油缸4.压缩阀总成 5.活塞及活塞杆总成 6.导向座 7.油封 8.挡圈 9.轴套及连接环总成10.橡胶储液
18、缸 汽车转向系统各部分结构作用图解（五）六.车轮定位角 当汽车水平停放时，在汽车的纵向垂面内，主销上部向后倾斜一个角度r,称为主销后倾角。当主销具有后倾角时，主销轴线与路面交点A 将位于车轮与路面接触点的前面。当汽车直线行驶时，若转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转（例如向右偏转，如图中箭头所示），能产生回正作用。 当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，主销轴线与地面垂线的夹角为主销内倾角。 主销内倾角的作用是使车轮自动回正。通常车轮轴线不在水平面，为了方便说明这里假设直线行驶时车轮轴线在水平面上。对于车轮轴线不在水平面的情况，只要把下图的水平面改为锥面。如下图所示，考虑该水平面上和主销有交点的直
19、线，主销与这些直线的夹角有一个最大值。而汽车直线行驶时，车轮轴线与主销的交角恰为这个最大值。 车轮轴线与主销夹角在转向过程中是不变的，当车轮转过一个角度，车轮轴线就离开水平面往下倾斜，致使车身上抬，势能增加。这样汽车本身的重力就有使转向轮回复到原来中间位置的效果。 如下图所示，当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，车轮平面与地面垂线的夹角为前轮外倾角。如果空车时车轮的安装正好垂直于路面，则满载时车桥因承载变形而可能出现车轮内倾，这样将加速车轮胎的磨损。另外，路面对车轮的垂直反力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向外端的小轴承，加重了外端小轴承及轮毂紧固螺母的负荷，降低它们的寿命。因此，为了前轮有一个外
20、倾角。但是外倾角也不宜过大，否则也会使轮胎产生偏磨损。 车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于滚锥，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束车轮不致向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边向内滑的现象，从而增加了轮胎的磨损。为了避免这种由于圆锥滚动效应带来的不良后果，将两前轮适当向内偏转，即形成前轮前束。 七.电控液压助力转向及电动动力转向 电磁旋转助力器由静止和旋转两格部分构成。静止部分包括外部磁路（壳体等）和励磁线圈，励磁线圈紧固在转向器壳体上。旋转部分包括永磁体和齿型组件图。永磁体a由个磁极构成的永久磁环和塑料保持架组成，并通过注塑连接在阀芯轴上。 汽车转向系统各部分结构作用图解（六）
21、当驾驶员转动转向盘时，因扭杆产生角位移，使永磁体a与齿型组件b之间既产生相对转动，又随转向盘一起旋转。当电子控制器感受车速信号并发出适合这一车速的电流指令时，若励磁线圈为右旋绕组，则当通过正向电流时，按右手定则磁力线应是自下而上由中心向外环流，将齿轮的齿顶端部磁化成N极，齿环的齿顶端部磁化为S极，这两种磁极分别与永久磁环的磁极发生磁力作用（同性向斥，异性相吸），其结果使永久磁环处于稳定的中间平衡状态。若相使永久磁环离开此平衡位置时（即与齿型组件b产生相对位移），需要克服电磁力的作用才能实现，故增加了转向阻力，使车辆高速运行更加稳定。与此相反，当励磁线圈通过负相电流时（f），使永久磁环处于不稳定
22、的中间状态，略有外力作用便产生相对运动，故起到转向助力作用，使低速或停车转向时更加轻便和机动。 1 励磁线圈 2 金属板 3 齿环 4 齿轮 5 永久磁环 6 塑料保持架EPS的构成如图d-zx-36所示：它由机械转向器、电动机、离合器、控制装置、转矩传感器和车速传感器组成。在操纵转向盘时，扭矩传感器根据输入力的大小产生相应的电压信号，由此EPS系统就可以检测出转向力的大小，同时根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速，再用于控制电动机的电流，从而形成适当的转向助力。 1.输出轴 2.减速器 3.扭杆 4.转距传感器 5.方向盘 6.输入轴 7.车速信号 8.电动机 9.控制电流 10.开关电
23、流 11.离合器 12.小齿轮 13.齿条 14.拉杆 15.轮胎 八.四轮转向 横向加速度车速感应型四轮转向系统，其结构是在前轮的动力转向器上，再安装一个后轮专用的控制阀，产生一个大致与横向加速度成比例的，与前轮转向器阻力相平衡的油压，把该压力的油液送到后轮执行机构。在执行机构中，如图d-zx-37所示，装入高刚性弹簧，当与送来的油压达到平衡状态时，输出杆便产生位移，从而带动后轮开始转向。 1.储油罐2.泵3.前动力缸4.分配阀5.后动力缸6.弹簧7.控制器8.电磁阀前轮转角，车速感应型四轮转向系统，在该系统中，从油泵出来的油液直接流入图d-zx-39的电磁伺服阀，按计算机指令，控制油液流入后轮执行机构。 1.储油罐2.泵3.前动力缸4.分配阀5.后动力缸6.弹簧7.控制器8.电磁阀 9.切断阀10.车速传感器11.转角
