電子風扇控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

　　摘 要：電子風扇可以通過按需分配的方式工作，有效提高發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的效率，及時降低發(fā)動機溫度。文章根據(jù)以 S9S08DZ60 單片機為基礎(chǔ)開發(fā)的電子風扇控制器的工作需求，分析了各個功能所需要的程序，確定了相應(yīng)寄存器的配置，設(shè)計出了各個底層控制程序及總體框架程序。包括傳感器信號采集程序、開關(guān)量信號輸入程序及 CAN 總線通訊程序等在內(nèi)的一系列軟件程序，從而控制單片機的正常運行，以實現(xiàn)對電子風扇的控制，并且滿足實際應(yīng)用要求。

　　張世強; 蘇士斌; 郭興; 馬曉龍; 紀少波; 程勇， 汽車實用技術(shù) 發(fā)表時間：2021-08-25

　　關(guān)鍵詞：電子風扇;軟件開發(fā);程序設(shè)計;寄存器配置

　　前言

　　冷卻系統(tǒng)是保證汽車發(fā)動機在正常溫度下工作的重要部分，主要包括水泵、散熱器、冷卻風扇、節(jié)溫器等部件;其中冷卻風扇可以保證汽車在低速行駛或發(fā)動機溫度過高時及時散熱，維持正常工作溫度。電子風扇是冷卻風扇的一種，能夠起到很好的節(jié)能作用，并且由于其獨立運行、調(diào)節(jié)能力平滑等優(yōu)勢得到了大量應(yīng)用，國內(nèi)外有很多學(xué)者對其進行了研究。相對來說，國外研究起步較早，早在 20 世紀 80 年代就已有學(xué)者在專利中提到電子風扇，之后，在八十年代末期， Roger Clemente[1]提出將電子風扇裝在載貨汽車上。在國內(nèi)，上世紀 90 年代才開始對電子風扇的相關(guān)研究。其中，張鵬飛 [2]對電子風扇的標定匹配問題開展研究，使用 CATIA 建立了電子風扇的三維結(jié)構(gòu)模型，并且在電子風扇的匹配設(shè)計過程中，提出了一種根據(jù)風扇結(jié)構(gòu)參數(shù)計算其散熱性能的可行方法。

　　一般來說，電子風扇控制器需要硬件與軟件相互配合，二者相輔相成，硬件用以支持電子風扇控制器的運行，軟件用以控制硬件，保證電子風扇控制器各個模塊協(xié)調(diào)有序地工作。周碧[3]介紹了一種以 AT89C52 單片機為控制核心的車用發(fā)動機電控冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，并據(jù)此繪制出了系統(tǒng)電路圖，設(shè)計出了可行的硬件和電路。完成電子風扇控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計之后，還需要設(shè)計相應(yīng)的軟件代碼，軟件代碼包括總體框架程序和各功能模塊的底層驅(qū)動程序，前者用于管理整個控制過程，后者通過配置微處理器的寄存器，令其按照設(shè)定的工作模式工作。兩種程序都是通過 Freescale 單片機專用單片機編譯環(huán)境 CodeWarrior[4]實現(xiàn)的。下面對兩種程序的設(shè)計進行詳細介紹。

　　1 功能分析

　　目前電子風扇控制系統(tǒng)具有采集傳感器信號、輸入開關(guān)量信號、PWM 輸出控制、風扇狀態(tài)診斷等功能[5-6]，實現(xiàn)以上功能，需要合理設(shè)計電路等硬件，并進行相關(guān)的測試與優(yōu)化[7]，還需要軟件代碼對相關(guān)模塊進行控制。因此需要針對各個模塊設(shè)計程序，主要包括晶振配置程序、傳感器信號采集及處理程序、PWM 輸出控制程序、風扇狀態(tài)診斷程序、開關(guān)量信號讀入程序、CAN 總線通訊程序、狀態(tài)顯示程序等程序;此外，電子風扇控制器工作時需要處理多個任務(wù)，為了各個任務(wù)能夠有序執(zhí)行，基于多任務(wù)時間規(guī)劃機制，設(shè)計了系統(tǒng)總體框架程序。

　　2 程序代碼設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)總體框架程序

　　多任務(wù)時間規(guī)劃機制是根據(jù)處理任務(wù)的重要性不同，將不同任務(wù)分配以不同的優(yōu)先級，并按照優(yōu)先級高低依次執(zhí)行程序;當較高優(yōu)先級的程序執(zhí)行完畢時，便降至最低優(yōu)先級，并根據(jù)各程序執(zhí)行所需要的時間，將各程序的優(yōu)先級及時恢復(fù)，從而保證程序工作持續(xù)進行。

　　程序中的實時時鐘模塊保證了優(yōu)先級恢復(fù)的正常進行：通過該模塊配置最小時間片段，各個程序段依據(jù)其運行所需要的時間間隔，結(jié)合當前的時間片段，經(jīng)過累加得到一個變量，當該變量達到一定值時，將程序段優(yōu)先級的恢復(fù)，進入下一次的運行。

　　系統(tǒng)總體框架程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)中各個程序的有序進行，下面對各底層驅(qū)動程序模塊進行介紹。

　　2.2 晶振配置程序

　　控制器是基于 S9S08DZ60 單片機設(shè)計的，該單片機中含有多功能時鐘發(fā)生器(MCG)模塊，模塊中包含 1 個鎖頻環(huán)(FLL)和一個鎖相環(huán)(PLL)，并且可以選擇其中任一個作為單片機的系統(tǒng)時鐘，也可選用外部參考時鐘作為 MCU 系統(tǒng)時鐘。在單片機的時鐘源配置中，主要用到了 MCGSC、 MCGC1、MCGC2 及 MCGC3 這 4 個特殊功能寄存器，本系統(tǒng)中時鐘配置步驟如下：

　　單片機復(fù)位會使時鐘模塊處于 FEI 模式，因此首先需要通過寄存器配置將 FEI 模式轉(zhuǎn)換為 FBE 模式;這個步驟中需要完成外部振蕩器的配置，選擇外部參考時鐘為系統(tǒng)時鐘源等。將 FBE 模式轉(zhuǎn)為 BLPE 模式，進而轉(zhuǎn)為 PBE 模式，在這個步驟中需要選擇 PLL 模式。之后，將 PBE 模式轉(zhuǎn)為 PEE 模式，完成時鐘頻率的設(shè)置。

　　2.3 傳感器信號采集及處理程序

　　傳感器信號是控制器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)的，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊時，首先應(yīng)配置工作模式，即配置采樣精度、采樣速度、采樣模式及采樣通道，該過程涉及到 ADCCFG、 ADCSC1、ADCSC2、APCTL1、APCTL2 及 APCTL3 等特殊功能寄存器。通過寄存器配置設(shè)定數(shù)模轉(zhuǎn)換單元采用低功耗模式，轉(zhuǎn)換精度為 12 位，以總線頻率作為時鐘，模數(shù)轉(zhuǎn)化速度為總線頻率的一半;通過配置，在使能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后進入中斷功能，配置用到的引腳為模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，屏蔽 IO 功能。

　　完成上述配置，便可控制單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，采集后續(xù)數(shù)據(jù)時，可通過 ADCSC1 指定采樣通道，并啟動單次采樣工作模式，采集相應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，完成采集后進入模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷函數(shù)，并將采樣結(jié)果暫存，置位相關(guān)變量，告知有新的數(shù)據(jù)到來。

　　采集完成后，需要通過標度變換將采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的物理量，此處通過查表實現(xiàn)。在此，建立不同的數(shù)組，用來存儲數(shù)字量與實際溫度值的對應(yīng)關(guān)系，模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，對數(shù)組中的數(shù)據(jù)進行查表及線性插值處理，得到對應(yīng)的物理量。針對不同溫度區(qū)間數(shù)據(jù)的使用頻率，設(shè)置不同的溫度步長，不常用的溫度區(qū)間采取較大的步長，常用的溫度區(qū)間則采用較小的步長，這可以減少數(shù)組的規(guī)模，提高查表速度以及插值的精度。

　　2.4 PWM 輸出控制程序

　　PWM 輸出是通過單片機的定時器脈沖寬度調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的，該模塊支持邊緣對齊及中央對齊 PWM 模式，此處選擇邊緣對齊模式。該定時器脈沖寬度調(diào)節(jié)器包含TPM0和TPM1 兩個模塊，其中 TPM1 模塊在此用于邊緣對齊 PWM 輸出， TPM0 模塊用于其他功能。在 PWM 輸出功能中，需涉及到 TPMnSC、TPMnMOD、TPMnCxSC、TPMnCNT 及 TPMnCxV 等特殊功能寄存器，通過配置這些寄存器，控制 TPM1 定時器溢出中斷使能、采用非中央對齊 PEM 輸出功能、功能模塊的時鐘總線為總線速率時鐘、總線速率時鐘二分頻后得到 TPM1 的時鐘源。然后設(shè)定計數(shù)終點，即 TPM1 定時器的模值，定時器在達到該值后計入溢出中斷，該寄存器的值可指定PWM信號的頻率。TPM2C0SC寄存器可設(shè)置及改變TPM1 模塊中第 0 通道的功能模式，在此設(shè)置為普通 IO 口，TPM1 模塊其他通道的初始化也如此設(shè)置。最后，將 TPM1 計數(shù)寄存器清 0，計數(shù)寄存器復(fù)位。

　　上述特殊寄存器設(shè)置完成后，才可進入正常工作模式，現(xiàn)以 TPM1 的第 0 通道為例，對 PWM 信號輸出的代碼進行說明。

　　首先需要根據(jù) PWM 輸出占空比，對 TPM2C0SC 進行初始化設(shè)置。當占空比為 0%時，需要 PWM 輸出引腳保持輸出低電平，此時將該引腳設(shè)置為普通 IO 口，然后通過代碼控制引腳輸出低電平。當 PWM 輸出占空比不為 0%時，則需將該通道設(shè)置為邊緣對齊 PWM 模式，此時使配置 TPM2 -C0SC 寄存器，并設(shè)置 PWM 相應(yīng)的輸出電平模式，從而使該通道為邊緣對齊 PWM 模式。然后根據(jù)該模式中當前的時鐘頻率、TPM1 的模值以及當前占空比計算出對應(yīng)的計數(shù)值，并賦值給通道值寄存器 TPM2C0V，當 TPM1 的計數(shù)值與 TPM2C0V 的值相等時，便控制相應(yīng)的引腳動作，實現(xiàn) PWM 信號的輸出。圖 1 為通過 TPM1 模塊發(fā)出的不同占空比的 PWM 信號。

　　2.5 風扇狀態(tài)診斷程序

　　該程序主要讀取風扇故障狀態(tài)及風扇轉(zhuǎn)速，研究的電子風扇內(nèi)部具有故障診斷功能，當電子風扇出現(xiàn)溫度、壓力過高等故障時，相應(yīng)的引腳便輸出高電平，可據(jù)此判斷電子風扇是否有故障。該電平信號是在控制器給電子風扇發(fā)出的 PWM 信號為低電平時輸出，且 PWM 信號的占空比是實時變化的，即 PWM 信號為低電平的情況也是一直在變化的，因此便需要一個模塊來捕捉風扇電平信號，此處采用 TPM0 模塊的輸出比較功能來捕捉 PWM 信號為低的時刻。

　　首先，需要對 TPM0 模塊進行初始化配置，包括時鐘源、時鐘頻率以及計數(shù)寄存器等，其配置過程與上文中 TPM1 模塊相似，每次通過 TPM1 進行 PWM 占空比配置時，同步對 TPM0 進行配置，實現(xiàn)輸出比較功能。這需要通過對通道狀態(tài)控制寄存器進行配置，該寄存器允許中斷使能，將引腳功能配置為輸出比較模式。為了能夠準確捕捉風扇狀態(tài)電平，將輸出比較的中斷時刻設(shè)定在 PWM 信號低電平的中間位置，這里通過對通道值寄存器的配置實現(xiàn)，此時信號的狀態(tài)穩(wěn)定，更容易獲取準確的狀態(tài)。圖 2 為不同占空比下，讀取風扇狀態(tài)電平的時刻示意圖，其中黃線是輸出的 PWM 信號，綠色線表征另外一根引腳的反轉(zhuǎn)時刻，以便觀察中斷時刻。由以下三個圖可知，在這三種占空比狀態(tài)下，都可以在 PWM 信號的低電平位置出現(xiàn)中斷，這也是讀取風扇狀態(tài)電平的最佳時刻。

　　其次，要獲取風扇的轉(zhuǎn)速信息，了解風扇運轉(zhuǎn)狀態(tài)，但是電子風扇在實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)速信號難以直接測量，因此需要用其他參數(shù)來間接獲取，而風扇轉(zhuǎn)速與 PWM 信號的占空比又是一一對應(yīng)的，因此可以通過確定兩者之間的關(guān)系，依據(jù) PWM 占空比來獲取電子風扇的轉(zhuǎn)速。在不用電壓下， PWM 占空比與風扇轉(zhuǎn)速的對應(yīng)曲線如圖 3 所示。由圖可知，工作電壓在 24 V 以上時，工作電壓對風扇轉(zhuǎn)速的影響不大;當占空比不變時，隨著工作電壓的下降，對應(yīng)的風扇轉(zhuǎn)速也隨之降低。

　　2.6 開關(guān)量信號讀入程序

　　開關(guān)量信號讀入包括風扇故障狀態(tài)、啟動開關(guān)信號及駕駛員發(fā)來的反轉(zhuǎn)控制信號三部分，在上文中已經(jīng)介紹風扇故障狀態(tài)信號的讀取，其他兩個開關(guān)量信號的讀取方法與之相同。在讀取前需要對單片機的 IO 口初始化配置，并且需要指定 IO 口的方向，這一功能通過 PTnDD 特殊功能寄存器實現(xiàn);而后通過 PTAD_PTAD3 的狀態(tài)來確定 PA3 引腳電平的高低，其值為 1 時 PA3 收到的是高電平，反之為低電平。該方法可獲取各開關(guān)輸入信號的狀態(tài)。

　　2.7 CAN 總線通訊程序

　　該程序包含了 CAN 模塊的初始化、CAN 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等過程，實現(xiàn)該程序的功能需要利用 Freescale 單片機的局域網(wǎng)通信控制器 MSCAN，MSCAN 具有監(jiān)聽模式、MSCAN 睡眠模式、MSCAN 初始化模式、MSCAN 關(guān)機模式及環(huán)回自測模式五個工作模式，使用時首先需要進行初始化，配置工作模式、傳送波特率、數(shù)據(jù)幀類型及中斷功能。在正常使用過程中，主要使用發(fā)送和接收兩個功能，接收時可以采用查詢方式或中斷方式，在此采用中斷方式以提高程序的運行效率。

　　在 CAN 模塊的初始化中，首先判斷 CAN 模塊是否啟動，若未啟動，則直接開始系統(tǒng)初始化;若已啟動，則在 MSCAN 沒有等待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前提下，設(shè)置模塊進入初始化狀態(tài)，在模塊進入初始化狀態(tài)后，再向下運行后面的程序。CAN 模塊進入初始化狀態(tài)后，需要對 CAN 通訊的波特率進行配置，這里通過 CANBTR0 和 CANBTR1 兩個特殊功能寄存器實現(xiàn)。前者用來配置 CAN 計時參數(shù)，包括同步跳轉(zhuǎn)寬度和波特率的預(yù)分頻值;后者根據(jù)傳輸速率的高低，設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸時的樣本數(shù)量，可選擇 1 個或者 3 個。且該寄存器也可以設(shè)定每個位時間的時鐘周期數(shù)和采樣點的位置。

　　此外，在數(shù)據(jù)接收過程中，需要對不需要接收的數(shù)據(jù)進行過濾，這一過程可通過配置標識符掩碼寄存器 CANIDMRn、接收寄存器 CANIDARn 及標識符驗收控制寄存器 CANIDAC 實現(xiàn)。其中，掩碼寄存器用于配置需要比較的位，接收寄存器則代表比較的地址值。針對不同標識符需要應(yīng)用不同的寄存器，擴展標識符需要應(yīng)用四個接收和掩碼寄存器，標準標識符只應(yīng)用前兩個寄存器，即 CANIDAR0/1 和 CANIDMR0/1。

　　當上述寄存器配置完成后，通過判斷 CANCTL0 和 CANCTL1 寄存器中的標志位，回到正常工作模式，且與總線時鐘進行同步，開始進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。為了提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率，將數(shù)據(jù)的接收配置為中斷模式，這里通過 CANRIER 寄存器中的 RXFIE 位進行配置。

　　上述過程完成了 CAN 模塊的初始化，之后便可進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。首先，需要將發(fā)送過程封裝為一個函數(shù)，以便進行數(shù)據(jù)的發(fā)送操作，該函數(shù)需判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)類型及個數(shù)是否正確，且在發(fā)送過程中，還需通過發(fā)送器標志寄存器來確定當前為空的發(fā)送緩沖器。確定好發(fā)送緩沖器后，再通過選擇寄存器來選定該緩沖器進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　發(fā)送的 CAN 報文包含標識符和數(shù)據(jù)兩部分，在發(fā)送時，標識符需裝載在 CANTIDRn 寄存器中，單片機的 CAN 模塊具備 CANTIDR0～CANTIDR3 共計 4 組標識符寄存器，用于滿足標準幀和擴展幀的標識符加載的需要。對于擴展幀而言，標識符由 29 位組成，4 組標識符寄存器中還有 3 位特殊的標志位(SRR、IDE 及 RTR)。在進行標識符加載時，需要通過移位或者與或處理等將地址標識符及 3 位特殊的標志位加載到 CANTIDRn 的 4 組寄存器中。

　　同理，發(fā)送的數(shù)據(jù)也需要通過數(shù)據(jù)段寄存器 CANTDSRn 加載相應(yīng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)。此外，在發(fā)送數(shù)據(jù)前還需要通過寄存器 CANTDLR 指定發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中的字節(jié)數(shù)量;通過 CANTTBPR 指定數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級;通過 CANTFLG 指定前述確定的發(fā)送緩沖器;最終由 CAN 模塊自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

　　對于 CAN 數(shù)據(jù)的接收，需要采用中斷模式，一旦接收的數(shù)據(jù)通過了接收濾波器的校驗，即可觸發(fā) CAN 模塊的中斷，并進入中斷函數(shù)中。在進入 CAN 中斷函數(shù)中后，首先需要判斷接收的 CAN 數(shù)據(jù)的類型是否正確，進而確定當前數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量;由于標識符寄存器中 3 個特殊標志位的存在，需要對接收的標識符寄存器通過變換，得到真正的地址標識符;最后需要將 CAN 數(shù)據(jù)幀的各字節(jié)數(shù)據(jù)依次取出，完成整個數(shù)據(jù)接收過程。

　　2.8 狀態(tài)顯示程序

　　狀態(tài)顯示是通過數(shù)碼管完成的，在此采用 16 通道等電流數(shù)碼管驅(qū)動芯片 MBI5024。狀態(tài)顯示程序包括底層驅(qū)動程序和顯示內(nèi)容控制程序兩個方面。

　　顯示裝置使用了 2 位數(shù)碼管，共 16 個碼段，MBI5024 底層驅(qū)動程序包含對數(shù)碼管各碼段的控制引腳的規(guī)劃。 MBI5024 通過串行通訊傳遞顯示信息，在此需要兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，即 16 位數(shù)據(jù)來控制 16 個碼段，圖 16 為 2 位數(shù)碼管各碼段與控制字節(jié)的對應(yīng)關(guān)系，在工作時，發(fā)送的第一個字節(jié)數(shù)對應(yīng)右邊的數(shù)碼管，用于控制 a->h 各碼段的數(shù)據(jù);發(fā)送的第 2 個字節(jié)是左邊的數(shù)碼管，即 A->H 的數(shù)據(jù)。確定好數(shù)碼管的各碼段與字節(jié)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系后，便建立了數(shù)碼管顯示內(nèi)容的真值表，將真值存入數(shù)組中，在使用時根據(jù)需要顯示的內(nèi)容查表便可確定需要發(fā)出的字節(jié)數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

　　顯示程序包括四部分，分別是總體控制程序、數(shù)字顯示控制程序、特殊字符顯示控制程序以及 MBI5024 通訊程序，通過這四部分，可以控制數(shù)碼管顯示各種信息，包括控制器當前工作狀態(tài)、傳感器測試信號、風扇點擊的故障狀態(tài)等信息。其中總體控制程序可根據(jù)控制器當前的狀態(tài)確定顯示內(nèi)容，顯示內(nèi)容包括數(shù)字和特殊字符，數(shù)字和特殊字符的顯示控制分別由各自的顯示控制程序?qū)崿F(xiàn)，此外，還需要控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送到 MBI5024，即需要通訊程序，將數(shù)字顯示及特殊字符顯示程序確定的字節(jié)內(nèi)容向外發(fā)送，并且可在通訊程序中通過優(yōu)化的發(fā)送機制實現(xiàn)發(fā)送速度的調(diào)整。

　　3 實車測試

　　在設(shè)計完成后，需要檢測其功能是否完善，各個模塊能否有序協(xié)調(diào)的工作，是否滿足使用要求。因此，將總體框架程序、各底層驅(qū)動程序與電子風扇控制器硬件相結(jié)合，在實驗場對電子風扇控制器進行實車測試，對電磁離合器風扇及電子風扇系統(tǒng)的油耗進行了對比分析，對其使用效果進行相關(guān)評價，實驗結(jié)果表明采用電子風扇后，在各測試工況下都具有明顯的節(jié)油效果。

　　實驗在空車、中載和重載三種不同載荷下進行，裝有電磁離合器風扇的車輛和同種裝有電子風扇的車輛分別在各種載荷下采取不同速度測試四到五次，記錄各自的油耗進行對比，如圖 5。

　　實驗結(jié)果可知，不同載荷下節(jié)油率稍有變化，但整體電子風扇能夠起到很好的節(jié)油作用，設(shè)計出的軟件可以很好地控制各個硬件模塊有序協(xié)調(diào)地進行，具有很好的實用性。

　　4 結(jié)論

　　(1)本文分析了電子風扇控制系統(tǒng)在工作時的功能需求，提出了相應(yīng)的軟件代碼設(shè)計方案。

　　(2)基于 Freescale 單片機專用編譯環(huán)境 CodeWarrior 對各功能模塊的底層驅(qū)動程序進行設(shè)計，包括晶振配置程序、傳感器信號采集及處理程序、PWM 輸出控制程序、風扇狀態(tài)診斷程序、開關(guān)量信號讀入程序、CAN 總線通訊程序、狀態(tài)顯示程序等，能夠控制電子風扇控制系統(tǒng)有序工作。

　　(3)進行了總體框架的的設(shè)計，設(shè)計了多任務(wù)時間規(guī)劃機制實現(xiàn)了上述多種功能的協(xié)調(diào)工作。