CN111398618A - 基于mcu输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统 - Google Patents

基于mcu输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于CAP模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，包括脉冲计数模块，用于采集汽车里程，通过硬件采集模块获取当前输入车速频率；计数法采集模块，通过计算得出本次采集的n次车速脉冲的平均频率；周期法采集模块，通过差值计算车速的周期，并计算车速频率；滤波模块，用于取中位值作为滤波结果，返回至计数法采集模块或周期法采集模块；采集方法仲裁模块，用于读取车速。采用了本发明的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，基于通用MCU具备的CAP外设，使用软件对采集到的车速信号进行滤波、脉冲计数、频率计算。具有广泛的适用性，可以方便的不同硬件上实现。有很高的可靠性，典型的应用场景就是车速采集。

Description

基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集 处理的系统
技术领域
本发明涉及嵌入式技术领域，尤其涉及汽车电子领域，具体是指一种基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统。
背景技术
汽车需要实时显示车速，所以车速采集模块要求对输入的车速信号做出快速反应。本方法中专门设计了低频快速响应模块，完全可以达到实时显示速度的目的。车速采集是汽车电子中必不可少的功能。一般的采集方法与硬件外设严重耦合在一起，在不同的MCU间移植较麻烦，移植后还需要严格的测试。这些都需要占用不少的开发时间。为了解决这种现况，本发明设计了一种通用的车速采集方法，减少在不同MCU之间的移植时间。又因为只需要修改极少的接口代码，而大部分功能代码不需要修改，所以又减少了测试时间。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足安全性高、操作简便、适用范围较为广泛的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统。
为了实现上述目的，本发明的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统如下：
该基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其主要特点是，所述的系统包括：
脉冲计数模块，用于采集汽车里程，通过硬件采集模块获取当前输入车速频率，在频率异常的情况下停止脉冲计数；
计数法采集模块，通过在固定时间t内，记录检测到的脉冲个数n，通过计算得出本次采集的n次车速脉冲的平均频率；
周期法采集模块，通过检测到的两次中断的CAP外设计数器差值，通过差值计算车速的周期，并计算车速频率；
滤波模块，与所述的计数法采集模块和周期法采集模块均相连接，用于对计数法采集模块和周期法采集模块的采集数据进行排序，去掉最大值和最小值，取中位值作为滤波结果，将结果返回至计数法采集模块或周期法采集模块；
采集方法仲裁模块，与所述的脉冲计数模块、计数法采集模块和周期法采集模块均相连接，用于在车速频率大于阈值的情况下，关闭周期法采集模块并打开计数法采集模块，从计数法采集模块读取车速；在读取的车速频率小于阈值的情况下，关闭计数法采集模块并打开周期法采集模块，从周期法采集模块读取车速。
较佳地，所述的系统还包括低频快速响应模块，与所述的采集方法仲裁模块相连接，用于检测车速快速跌落，并处理车速骤降。
较佳地，所述的计数法采集模块和周期法采集模块提供打开接口和关闭接口给采集方法仲裁模块。
较佳地，所述的脉冲计数模块通过CAP外设的外部中断功能，每次检测到PWM信号就触发一次中断。
较佳地，所述的脉冲计数模块包括脉冲计数器，每次监测到脉冲信号时计数值增加。
较佳地，所述的滤波模块提供去抖滤波和中位值滤波。
较佳地，所述的采集方法仲裁模块支持实现高频采集和低频采集，根据需求切换采集方法阈值。
较佳地，所述的系统支持同时采集频率和PWM脉冲计数。
较佳地，所述的系统在设置了脉冲频率上下阈值，且采集频率大于上阈值或小于下阈值的情况下，不计入计数法采集模块和周期法采集模块的本次采集频率。
采用了本发明的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，基于通用MCU具备的CAP外设，使用软件对采集到的车速信号进行滤波、脉冲计数、频率计算。本发明基于通用的硬件外设，软件使用跨平台的C语言设计，所以本发明具有广泛的适用性，可以方便的不同硬件上实现。同时C语言使用遵循MISRA-C 2012标准，有很高的可靠性，典型的应用场景就是车速采集。
附图说明
图1为本发明的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统的整体架构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其中包括：
脉冲计数模块，用于采集汽车里程，通过硬件采集模块获取当前输入车速频率，在频率异常的情况下停止脉冲计数；
计数法采集模块，通过在固定时间t内，记录检测到的脉冲个数n，通过计算得出本次采集的n次车速脉冲的平均频率；
周期法采集模块，通过检测到的两次中断的CAP外设计数器差值，通过差值计算车速的周期，并计算车速频率；
滤波模块，与所述的计数法采集模块和周期法采集模块均相连接，用于对计数法采集模块和周期法采集模块的采集数据进行排序，去掉最大值和最小值，取中位值作为滤波结果，将结果返回至计数法采集模块或周期法采集模块；
采集方法仲裁模块，与所述的脉冲计数模块、计数法采集模块和周期法采集模块均相连接，用于在车速频率大于阈值的情况下，关闭周期法采集模块并打开计数法采集模块，从计数法采集模块读取车速；在读取的车速频率小于阈值的情况下，关闭计数法采集模块并打开周期法采集模块，从周期法采集模块读取车速。
作为本发明的优选实施方式，所述的系统还包括低频快速响应模块，与所述的采集方法仲裁模块相连接，用于检测车速快速跌落，并处理车速骤降。
作为本发明的优选实施方式，所述的计数法采集模块和周期法采集模块提供打开接口和关闭接口给采集方法仲裁模块。
作为本发明的优选实施方式，所述的脉冲计数模块通过CAP外设的外部中断功能，每次检测到PWM信号就触发一次中断。
作为本发明的优选实施方式，所述的脉冲计数模块包括脉冲计数器，每次监测到脉冲信号时计数值增加。
作为本发明的优选实施方式，所述的滤波模块提供去抖滤波和中位值滤波。
作为本发明的优选实施方式，所述的采集方法仲裁模块支持实现高频采集和低频采集，根据需求切换采集方法阈值。
作为本发明的优选实施方式，所述的系统支持同时采集频率和PWM脉冲计数。
作为本发明的优选实施方式，所述的系统在设置了脉冲频率上下阈值，且采集频率大于上阈值或小于下阈值的情况下，不计入计数法采集模块和周期法采集模块的本次采集频率。
本发明的具体实施方式中，涉及车速信号采集和里程采集的方法。通常车速以PWM信号形式供给ECU采集，所以车速采集就是PWM信号采集。该发明包括脉冲计数模块、计数法采集模块、周期法采集模块、滤波模块、采集方法仲裁模块、低频快速响应模块。脉冲计数模块每当监测到一个脉冲，检查脉冲有效性，如果满足有效性条件，则脉冲加一。本发明使用两种方法采集车速和汽车里程，一种是计数法，一种是周期法。分别在计数法采集模块和周期法采集模块中实现。两种采集方式具有不同的特点，计数法在高频区间采集准确性较好，而周期法在低频区间采集准确性较好。周期法和计数法使用相同的滤波算法，即去抖加中位值滤波。采集方法仲裁模块通过监测当前频率，与阈值比较，高于阈值时使用计数法，低于阈值时使用周期法。低频快速响应模块专为需要快速相应频率的系统设计，当频率发生急速下降时，使系统可以实现快速响应。本发明中的CAP指MCU输入捕获外设。
本发明的车速和汽车里程采集方法具有如下构成：
脉冲计数模块、计数法采集模块、周期法采集模块、滤波模块、采集方法仲裁模块、低频快速响应模块。
脉冲计数模块采集汽车里程。计数法采集模块、周期法采集模块、滤波模块、采集方法仲裁模块、低频快速响应模块实现车速采集。
脉冲计数模块是本方法中必备模块，因为汽车里程是必须采集的。脉冲计数模块从车速采集模块获取当前输入车速频率，当频率异常时，停止脉冲计数。
计数法采集模块和周期法采集模块直接获得外部输入车速信号，并计算车速频率。两个模块使用滤波模块的接口，通过滤波模块筛选存储的数据计算得到车速频率。两个模块提供打开和关闭接口给采集方法仲裁模块。
滤波模块输入计数法采集模块和周期法采集模块存储的采集数据。先对数据进行排序，去掉最大值和最小值，在剩下的数据中取中位值作为滤波后的结果。将结果返回给计数法采集模块或周期法采集模块。
采集方法仲裁模块默认从周期法采集模块读取车速频率，当车速频率大于阈值时，关闭周期法采集模块并且打开计数法采集模块，采集方法仲裁模块从计数法采集模块读取车速。当读取的车速频率小于阈值时，再关闭计数法采集模块并且打开周期法采集模块，采集方法仲裁模块从周期法采集模块读取车速。
低频快速响应模块可以处理车速骤降，比如车辆急刹时。另外，低频时使用周期法采集模块，但输入车速频率低时周期法采集速度也会变慢，所以会影响车速采集。为了ECU可以实时显示真实车速，设计了低频快速响应模块。
该模块化设计的车速和汽车里程采集方法，使用标准C语言实现，遵循C89和MISRAC 2004标准。遵循C89标准，使本方法可以移植到多编译环境。遵循MISRA C 2004标准保证本方法安全标准，尤其满足车载领域的安全需求。
该模块化设计的车速和汽车里程采集方法，采用模块化设计。每个子功能为一个模块，每个模块定义一组接口函数，模块之间相互调用接口实现数据交互。
本发明的系统包括以下：
脉冲计数模块可以实现采集汽车里程。使用CAP外设的外部中断功能，每检测到一个PWM信号，触发一次中断，软件脉冲计数器加1。如果设置了脉冲频率上下阈值，可以检测两次触发中断的时间间隔，当间隔大于上阈值或小于下阈值时，可认为是干扰信号，软件可忽略本次，软件脉冲计数器不加1。如此可以记录汽车里程。
周期法采集模块，建立长度为n的频率缓存Buffer，每次采集频率后更新一个值。使用CAP外设的外部中断功能，每检测到一个车速信号，触发一次中断。检测两次中断的CAP外设计数器差值，通过这个差值可以计算出车速的周期，进而算出车速频率。将车速频率写入周期法频率采集的Buffer中。如果设置了脉冲频率上下阈值，当采集频率大于上阈值或小于下阈值，则本次采集频率不计入。
计数法采集模块，建立长度为n的频率缓存Buffer，每次采集频率后更新一个值。在固定时间t内，记录检测到的脉冲个数n，通过计算得出本次采集的n次车速脉冲的平均频率。将车速频率写入周期法频率采集的Buffer中。如果设置了脉冲频率上下阈值，当采集频率大于上阈值或小于下阈值，则本次采集频率不计入。
滤波模块是一套API，提供去抖和中位值滤波。周期采集模块和计数采集模块调用这些接口，即可以得到频率。
采集方法仲裁模块分别从计数法采集模块和周期法采集模块读取频率。当频率高于阈值时，关闭周期法采集模块，打开计数法采集模块，此时输出频率即是周期法采集模块采集的频率。当频率低于阈值时，打开周期法采集模块，关闭计数法采集模块，此时输出频率即是计数法采集模块采集的频率。
低频快速响应模块，可以检测车速快速跌落，也可以实现车速频率<10Hz时，周期法快速响应。
可以同时采集频率和PWM脉冲计数，可以满足系统中对实时状态和累计状态的需求，比如车辆中采集车速和累计里程。在一个模块内实现两个需求。
使用周期法采集频率，既可以作为单独的频率采集方法，也可与其他方法综合计算频率。使用计数法采集频率，既可以作为单独的频率采集方法，也可与其他方法综合计算频率。
具有独立的滤波模块，周期法模块和计数法模块都可以使用。
采集方法仲裁模块使本方法可以适应高频采集和低频采集。同时，可以根据需要设置切换采集方法阈值，适应不同的需求。
为了适应需要快速响应频率变化的需求，增加一个低频快速响应模块。作为一个可选模块，可以根据实际需求，打开或关闭。
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的具体实施例为模块化设计的车速和汽车里程采集方法在NXP S32K系列MCU上的实际应用。S32K系列MCU是NXP面向汽车应用的一款通用性MCU。
使用信号发生器输出PWM信号模拟车速信号，作为外部输入。使用S32K的FTM模块接收PWM信号，S32K的FTM模块设置为INPUT CAPTURE模式。下面详细介绍每个模块。
脉冲计数模块，提供四个接口：
获取有效脉冲数接口，get_pwm_counter()
使能/关闭脉冲频率限制，set_pwm_counter_filter()
设置有效脉冲频率上限，set_pwm_counter_upperlimit()
设置有效脉冲频率下限，set_pwm_counter_lowlimit()
脉冲计数模块内部设置一个软件计数器pwmCounter，每次检测到一个脉冲信号时pwmCounter+1。如果使能了脉冲频率限制，需要先检查脉冲频率有效性。
计数法采集模块，提供一个接口：
读取计数法采集频率，get_cntmethod_freq()
计数法采集模块使用一个周期100ms的硬件定时器，设置一个软件计数器cntmethod_counter。每检测到一个车速信号cntmethod_counter+1，计算在一个硬件定时器周期(100ms)内产生多少个脉冲。通过脉冲和100ms周期可以计算出实际的车速频率。计数法采集模块内设置一个长度为n的buffer，每采集到一个PWM频率及写入buffer。当get_cntmethod_freq()被调用时，buffer传入滤波模块API得到滤波后频率，最后频率通过get_cntmethod_freq()返回。
周期法采集模块，提供一个接口：
读取周期法采集频率，get_prdmethod_freq()
周期法采集模块使用硬件频率采集外设，硬件频率采集模块有内置硬件计数器hw_counter，两次pwm触发之间hw_counter的差值delta_counter。通过delta_counter和硬件频率采集的技术频率即可以计算出pwm频率。周期法采集模块内设置一个长度为n的buffer，每采集到一个PWM频率及写入buffer。当get_prdmethod_freq()被调用时，buffer传入滤波模块API得到滤波后频率，最后频率通过get_prdmethod_freq()返回。
滤波模块，提供一个接口：
对输入的数据进行滤波，pwm_freq_filter()
滤波模块的方法较为灵活，一般根据实际需求进行选择。这里推荐一种比较通用的方法，去掉最大/小值+中位值滤波，即可以去掉异常数据干扰，同时又较好的响应速度。
低频快速响应模块，提供两个接口：
读取低频响应状态打开/关闭，get_low_freq_state()
读取低频下车速频率，get_low_freq_freq()
低频响应模块使用一个硬件定时器，当两次触发pwm信号的间隔大于一定时间t，那么认为进入低频模式，设置低频状态。同时使用硬件定时器计算车速频率，但不使用滤波模块。
采集方法仲裁模块，提供三个接口：
读取车速频率，get_period()
打开/关闭计数法采集，set_cntmethod()
打开/关闭周期法采集，set_prdmethod()
采集方法仲裁模块从计数法采集模块和周期法采集模块读取车速频率，以周期法采集频率作为比较值与频率阈值f对比。当小于f时，使用周期法采集的频率，关闭计数法采集模块。当大于f时，使用计数法采集模块，关闭周期法采集模块。如果使能了低频响应模块，该模块还需要读取低频响应模块状态，如果进入了低频模式，那么车速频率从低频响应模块读取。
采用了本发明的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，基于通用MCU具备的CAP外设，使用软件对采集到的车速信号进行滤波、脉冲计数、频率计算。本发明基于通用的硬件外设，软件使用跨平台的C语言设计，所以本发明具有广泛的适用性，可以方便的不同硬件上实现。同时C语言使用遵循MISRA-C 2012标准，有很高的可靠性，典型的应用场景就是车速采集。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其特征在于，所述的系统包括：
脉冲计数模块，用于采集汽车里程，通过硬件采集模块获取当前输入车速频率，在频率异常的情况下停止脉冲计数；
计数法采集模块，通过在固定时间t内，记录检测到的脉冲个数n，通过计算得出本次采集的n次车速脉冲的平均频率；
周期法采集模块，通过检测到的两次中断的CAP外设计数器差值，通过差值计算车速的周期，并计算车速频率；
滤波模块，与所述的计数法采集模块和周期法采集模块均相连接，用于对计数法采集模块和周期法采集模块的采集数据进行排序，去掉最大值和最小值，取中位值作为滤波结果，将结果返回至计数法采集模块或周期法采集模块；
采集方法仲裁模块，与所述的脉冲计数模块、计数法采集模块和周期法采集模块均相连接，用于在车速频率大于阈值的情况下，关闭周期法采集模块并打开计数法采集模块，从计数法采集模块读取车速；在读取的车速频率小于阈值的情况下，关闭计数法采集模块并打开周期法采集模块，从周期法采集模块读取车速。
2.根据权利要求1所述的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其特征在于，所述的系统还包括低频快速响应模块，与所述的采集方法仲裁模块相连接，用于检测车速快速跌落，并处理车速骤降。
3.根据权利要求1所述的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其特征在于，所述的计数法采集模块和周期法采集模块提供打开接口和关闭接口给采集方法仲裁模块。
4.根据权利要求1所述的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其特征在于，所述的脉冲计数模块通过CAP外设的外部中断功能，每次检测到PWM信号就触发一次中断。
5.根据权利要求4所述的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其特征在于，所述的脉冲计数模块包括脉冲计数器，每次监测到脉冲信号时计数值增加。
6.根据权利要求1所述的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其特征在于，所述的滤波模块提供去抖滤波和中位值滤波。
7.根据权利要求1所述的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其特征在于，所述的采集方法仲裁模块支持实现高频采集和低频采集，根据需求切换采集方法阈值。
8.根据权利要求1所述的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其特征在于，所述的系统支持同时采集频率和PWM脉冲计数。
9.根据权利要求1所述的基于MCU输入捕获外设模块化设计实现车速和汽车里程采集处理的系统，其特征在于，所述的系统在设置了脉冲频率上下阈值，且采集频率大于上阈值或小于下阈值的情况下，不计入计数法采集模块和周期法采集模块的本次采集频率。
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