基于stm32的車輛調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡可狄，于亞利，李帥，李志峰，王昆

（北京航天新立科技有限公司，北京，100048）

0 引言

車輛調(diào)試是對(duì)車輛性能指標(biāo)的檢測(cè)和保證，是確保質(zhì)量的重要一環(huán)。特種車輛尤其要求高穩(wěn)定性和高可靠性，因此調(diào)試流程完整且嚴(yán)謹(jǐn)[1]。調(diào)試中涉及起車、熄車、液壓取力、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等工步，這些固定操作流程需一人操作的同時(shí)，另一人發(fā)出命令并監(jiān)視，不僅占用人力，而且操作繁瑣，降低了工作效率。

本文設(shè)計(jì)的車輛調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括控制部分、執(zhí)行部分、監(jiān)測(cè)部分等，將車輛駕駛室內(nèi)的起車、熄車等操作通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)控制終端的執(zhí)行，通過(guò)操作控制終端實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛動(dòng)作的控制，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛狀態(tài)，確保車輛的性能達(dá)標(biāo)。

1 系統(tǒng)方案選擇

為了簡(jiǎn)化車輛調(diào)試過(guò)程，保證車輛調(diào)試質(zhì)量，提高車輛調(diào)試效率，設(shè)計(jì)了基于stm32的車輛調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)。車輛調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)利用stm32實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、舵機(jī)的控制，從而完成起車、熄車、液壓取力、轉(zhuǎn)動(dòng)油門踏板等操作，其中對(duì)單片機(jī)的指令是通過(guò)終端控制面板上的按鈕傳遞的。

單片機(jī)，由于其集成度高、體積小、可靠性好，而且控制能力強(qiáng)、指令豐富，能滿足各種工業(yè)控制要求，是控制系統(tǒng)常用控制器[2-3]，車輛調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)利用stm32實(shí)現(xiàn)控制指令的傳遞。

由于操作環(huán)境復(fù)雜惡劣，考慮到通信的穩(wěn)定性和可靠性、反應(yīng)的及時(shí)性、動(dòng)作的準(zhǔn)確性，以及操作過(guò)程的需求，對(duì)方案中舵機(jī)控制方式和控制按鈕類型、繼電器類型等進(jìn)行選擇。

（1）舵機(jī)控制方式選擇

舵機(jī)，俗稱伺服馬達(dá)，是一種位置（角度）伺服驅(qū)動(dòng)器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。通過(guò)PWM控制信號(hào)或者TTL單總線通訊的方式，可以對(duì)舵機(jī)的角度進(jìn)行控制。PWM控制下，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度由PWM控制信號(hào)中高電平占空比進(jìn)行控制，且每周期均要發(fā)送高電平控制信號(hào)，才能保持穩(wěn)定；相比而言，總線舵機(jī)是用數(shù)據(jù)的方式與舵機(jī)通信，通過(guò)指令包的發(fā)送和接收獲取舵機(jī)當(dāng)前位置和需要抵達(dá)的位置，是一種閉環(huán)的控制形式，更加精準(zhǔn)、可靠。此外，總線舵機(jī)可以串聯(lián)控制，并可控制速度和加速度，反饋位置、扭矩、溫度等信息，節(jié)省資源，便于擴(kuò)展以及對(duì)執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行控制[4-5]。鑒于此，本設(shè)計(jì)選用單總線控制方式，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)SCS2332的角度控制。

（2）控制按鈕類型選擇

車輛調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需滿足調(diào)試過(guò)程中測(cè)試的操作流程。起車、轉(zhuǎn)動(dòng)油門踏板以及熄車過(guò)程，需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作結(jié)束后自動(dòng)歸位，而取力開關(guān)、取力開關(guān)保險(xiǎn)的操作需要保持執(zhí)行狀態(tài)，因此起車按鈕、熄車按鈕選用自動(dòng)復(fù)位型按鈕，液壓取力按鈕選用自鎖型按鈕，轉(zhuǎn)速按鈕（即油門踏板控制）選用三檔自動(dòng)復(fù)位型按鈕SCV4-YQ-05R2G四向（雙向、萬(wàn)向）。

（3）繼電器類型選擇

起車、熄車、液壓取力、轉(zhuǎn)動(dòng)油門踏板等工步下，操作按鈕，通過(guò)控制器控制繼電器通斷狀態(tài)，完成對(duì)電機(jī)施加正、反電壓，因此繼電器需要有兩種不同的狀態(tài)，且實(shí)現(xiàn)正負(fù)電壓的切換，確定選用有兩組轉(zhuǎn)換的繼電器。HF115F/005-2ZS4型繼電器重量輕，印制板式引出端，安裝、使用方便；線圈電阻小，線圈功率小，降低功耗，因此選用HF115F/005-2ZS4型繼電器。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

車輛調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)包括控制部分、執(zhí)行部分、監(jiān)測(cè)部分等，設(shè)計(jì)控制板和帶有按鈕的控制終端。按鈕代替車輛駕駛室內(nèi)的操作手柄，通過(guò)控制按鈕，實(shí)現(xiàn)人車分離；控制終端連接控制板，通過(guò)控制板上stm32單片機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)、直流電機(jī)的加電狀態(tài)控制，以完成起車、熄車、轉(zhuǎn)速控制等操作。

終端控制面板為控制按鈕操作板，主要用于控制按鈕的操作和車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)；控制板主要包括stm32單片機(jī)最小系統(tǒng)、舵機(jī)控制電路、電機(jī)控制電路以及按鈕控制輸入電路等部分，完成與終端控制面板和電機(jī)、舵機(jī)的通信控制。

（1）終端控制面板

控制面板主要包括系統(tǒng)總開關(guān)、起車、熄車、液壓取力、轉(zhuǎn)速開關(guān)以及急停按鈕，布局如圖1所示。

圖1 控制面板布局

車輛調(diào)試時(shí)，按下開關(guān)按鈕，需要執(zhí)行起車、熄車操作時(shí)，按住起車、熄車按鈕；起車后需要液壓取力時(shí)，按下液壓取力按鈕，獲取動(dòng)力；若發(fā)生緊急情況，可以按下急停按鈕，切斷控制通路，避免意外發(fā)生。由于起車、熄車按鈕操作后，所控制電機(jī)需加反向電壓，因此選用自動(dòng)復(fù)位型按鈕；液壓取力按鈕動(dòng)作一次完成一次操作，因此選用自鎖型按鈕；轉(zhuǎn)速開關(guān)需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及無(wú)動(dòng)作三種狀態(tài)，因此選用三檔自動(dòng)復(fù)位型按鈕。

（2）stm32單片機(jī)最小系統(tǒng)

stm32單片機(jī)最小系統(tǒng)，主要由stm32f103rct6單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路以及下載電路等組成。電源電路如圖2所示，利用12V電源供電，通過(guò)電源模塊VRB1205YMD-6WR3，獲得5V電壓，然后經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓器AMS1117-3.3獲得3.3V電壓，為單片機(jī)及其外圍電路、集成芯片供電。在電路電源電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中，并聯(lián)合適容值的貼片電容和電解電容，以達(dá)到穩(wěn)壓和濾除雜波的效果。

圖2 單片機(jī)電源電路

單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示，復(fù)位電路由復(fù)位芯片MAX809組成，上電時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，使單片機(jī)的程序從頭執(zhí)行，避免單片機(jī)程序跑飛。時(shí)鐘電路由晶振和電容器組成，單片機(jī)通過(guò)連接32.768kHz晶振和8.0MHz晶振獲得時(shí)鐘源。通電時(shí)，外部晶振產(chǎn)生特定頻率的振蕩，輸出頻率穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

（3）舵機(jī)控制電路

舵機(jī)選用飛特SCS2332總線舵機(jī)，綜合考慮工作環(huán)境及通信距離，選用單總線控制方式。由于單片機(jī)和舵機(jī)工作電壓不同，設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路，利用SN74LVC1G126和SN74LVC1G125驅(qū)動(dòng)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換到舵機(jī)可識(shí)別范圍，如圖4所示。

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路

單片機(jī)串口USART3發(fā)出舵機(jī)控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)4針插座，傳遞到電平轉(zhuǎn)換電路，完成電平變換后傳遞給舵機(jī)，舵機(jī)完成操作后反饋信息給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制?？刂齐娐啡鐖D5所示。

圖5 控制線引出電路接口

（4）電機(jī)控制電路

起車、熄車等過(guò)程通過(guò)控制直流電機(jī)完成。工作過(guò)程需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換，因此需要借助繼電器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)所加電壓的正負(fù)極換向。此外，為了隔離電氣連接上的干擾傳導(dǎo)，添加光耦TLP240A隔離，避免極端情況對(duì)內(nèi)部電路的損壞。電路連接如圖6所示。

圖6 電機(jī)控制電路

按下起車、熄車按鈕時(shí)，光耦輸出電壓，控制繼電器吸合，直流電機(jī)接通+12V電壓，轉(zhuǎn)動(dòng)，完成起車操作；按鈕恢復(fù)后，光耦輸入低電平，輸出斷開，繼電器線圈斷電，開關(guān)斷開，直流電機(jī)接通-12V。

（5）程序下載電路

JTAG接口是一種特殊的4個(gè)引腳接口連到單片機(jī)芯片上，利用JTAG進(jìn)行程序下載。4個(gè)引腳如表1所示。

表1 JTAG接口引腳

3 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

C語(yǔ)言易于編寫和移植，模塊化的結(jié)構(gòu)便于功能擴(kuò)展。車輛調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)利用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊功能的編程，程序流程如圖7所示。

圖7 電機(jī)控制流程圖

3.1 舵機(jī)通信控制模塊

單片機(jī)發(fā)出控制指令信號(hào)，控制舵機(jī)動(dòng)作。通信方式為串行異步方式，一幀數(shù)據(jù)分為 1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位和 1 位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，模塊通信參數(shù)設(shè)置主要程序?yàn)椋?/p>

3.2 舵機(jī)指令

（1）舵機(jī)指令包格式為：

字頭 ID號(hào) 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 指令 參數(shù) 校驗(yàn)和

（2）字頭固定為：0xFF 0xFF

（3）校驗(yàn)方式為：指令中處校驗(yàn)和外所有字節(jié)相加后取反的十六進(jìn)制值。

（4）SCS內(nèi)存表：通過(guò)查找SCS內(nèi)存控制表，確定各個(gè)參數(shù)的地址，如ID地址為0x05，目標(biāo)位置高位地址為0x2A，目標(biāo)位置低位地址為0x2B，運(yùn)行速度高低位地址分別為0x2E、0x2F等。

（5）位置控制指令：SCS2332型舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為270°，電子分辨率達(dá)270°/1024，通過(guò)控制位置參數(shù)在0-1024間變化，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的準(zhǔn)確定位。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件裝配

首先參照原理圖對(duì)PCB板進(jìn)行測(cè)試，確保連線準(zhǔn)確；對(duì)元器件進(jìn)行測(cè)試，確保性能和功能的完整性。然后借助SMT流水線進(jìn)行元器件焊接，完成硬件裝配，裝配后的示意圖如圖8所示。

圖8 硬件裝配示意圖

4.2 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試，是電子生產(chǎn)制作的必要流程。測(cè)量電路板的電源部分，保證沒(méi)有短路的情況，然后進(jìn)行上電，通過(guò)下載線連接到電腦，通過(guò)JTAG接口進(jìn)行程序的下載。然后依次撥動(dòng)各個(gè)按鈕開關(guān)，改變按鈕狀態(tài)，觀察連接電機(jī)、舵機(jī)的動(dòng)作，和程序設(shè)定及需求一致，完成調(diào)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

跟隨智能工業(yè)的發(fā)展，車輛調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)更加高效和安全?；趕tm32單片機(jī)設(shè)計(jì)的車輛調(diào)試自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)功能完全實(shí)現(xiàn)，能很好的應(yīng)用于車輛調(diào)試過(guò)程，操作便利，效率提高，達(dá)到預(yù)期效果。但該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)建立方面的探索還需深入，以實(shí)現(xiàn)更全面和智能的系統(tǒng)。