基于DSP的車載點煙器彈出力測量系統(tǒng)設(shè)計

姜義成+史正洋+劉正平

摘 要： 點煙器目前已經(jīng)成為汽車的必備品，其機械性能對于駕乘安全與用戶體驗至關(guān)重要。針對汽車廠商實際需求，設(shè)計一套專業(yè)、高效的車載點煙器彈出力測量系統(tǒng)，從而對其機械性能進行有效檢驗與評估。本系統(tǒng)從功能實現(xiàn)角度可理解為一個基于嵌入式系統(tǒng)的集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等功能于一體的電子系統(tǒng)。系統(tǒng)以 TI公司專用于控制、測量領(lǐng)域的TMS320F2812系列 DSP芯片為核心處理器設(shè)計采集系統(tǒng)，利用Visual Basic 6.0開發(fā)環(huán)境設(shè)計上位機用戶操作平臺。結(jié)合系統(tǒng)所要實現(xiàn)功能給出完整的解決方案，詳細介紹了硬件電路的工作原理及系統(tǒng)固件和用戶端軟件的設(shè)計實現(xiàn)。系統(tǒng)最終進行了工業(yè)級實測，實現(xiàn)了對點煙器彈出力多周期高精度的測量，利用上位機軟件可以對測量結(jié)果進行顯示、分析與存儲。

關(guān)鍵詞： TMS320F2812； 彈出力； 測量系統(tǒng)； VB 6.0； 車載點煙器

中圖分類號： TN830.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0130?05

Design of eject force testing system for vehicle?mounted cigarette lighter based on DSP

JIANG Yi?cheng， SHI Zheng?yang， LIU Zheng?ping

（Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract： Cigarette lighter has become an essential product for vehicles， whose mechanical performance is significant in driving safety and user′s experience. A system for measuring the pop?up force of vehicle?mounted cigarette lighter was designed to meet the actual demand of car manufacturers， which is professional and efficient in assessing and inspecting the mechanical properties of their products. The system can be abstracted as an embedded CPU?based small integrated electronic system including data acquisition， analysis and other functions. In the system， the DSP chip in TMS320F2812 series of Texas Instruments， which dedicates in the control area， is taken as the core processor of the system to design the acquisition system， and users operating platform on PC is designed with Visual Basic 6.0 development environment. A complete solution based on the system request is given in this paper. The working principles of the hardware circuit are described in detail. The firmware and user interface were designed. The system has been used in the factory ultimately， and the high?precision multi?cycle measurements of cigarette lighter pop?up force has been realized. The mesuring results can be displayed， analyzed and stored in the user software of the upper computer.

Keywords： TMS320F2812； eject force； test system； VB 6.0； vehicle?mounted cigarette lighter

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷進步，汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，動力性能早已不是衡量汽車的惟一指標，可靠性、舒適的駕乘體驗、智能網(wǎng)絡化等諸多因素對于汽車評價高低起到了相當大的作用[1]。目前，點煙器已經(jīng)成為汽車必備物件之一。點煙器可自動完成加熱、彈出動作，用戶取出后即可用其點燃香煙。其改善了整車的智能化與舒適度水平，簡化了駕駛員點煙的操作流程，極大程度上規(guī)避了風險并提升了用戶體驗。

與此同時，點煙器的機械性能、穩(wěn)定性、耐疲勞性等要素又極大影響汽車的安全可靠性，持續(xù)加熱時間過長或者彈出力不足等情況會造成車身電路問題甚至是火災。相關(guān)文獻也記錄了點煙器由于結(jié)構(gòu)與彈出不正常造成車身電路問題進而引發(fā)變速器故障等事故[2]?？梢姡煽?、耐久的彈出式點煙器是汽車安全、舒適、智能化的基礎(chǔ)與前提。

車載點煙器的安全問題早已引起廣泛關(guān)注。日本工業(yè)標準JIS D 5807、美國機動車工程師協(xié)會標準SAE/USCAR?4以及各汽車制造公司均有針對其的相關(guān)產(chǎn)品標準。中國國家相關(guān)部門也針對車載點煙器編寫了QC/T 415?2006規(guī)范，對點煙器的彈出力、加熱時間、插拔性能等都做了嚴格的界定與規(guī)范[3]。

目前國內(nèi)外有很多有關(guān)力的測量系統(tǒng)，但是主要集中于機械結(jié)構(gòu)、應力等方面的測量。車載點煙器外形特殊，彈出力有一定的范圍并且需要多周期測量，用電機與機械支架進行點煙器按壓并進行加熱時間測定等的特殊工作模式，諸多因素導致市面上眾多的測量、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法勝任。因此針對汽車廠商的迫切需求，研制一套定制化的專用于汽車點煙器的彈出力測量系統(tǒng)具有實際意義。

1 力測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

從結(jié)構(gòu)上講，系統(tǒng)可分為兩個部分。

硬件以TMS320F2812為核心控制器，輔以外圍串口通信、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊構(gòu)成的主電路板，由壓力傳感器、運算放大器、信號調(diào)理等構(gòu)成前端信號采集電路，利用步進電機實現(xiàn)三軸運動平臺來完成點煙器彈力測量。

軟件設(shè)計包括兩部分：嵌入式系統(tǒng)的固件編寫，包括利用SCI（串行通信接口）進行DSP與上位機的通信、信號的采集處理、利用事件管理器EV完成對步進電機的控制等；上位機端用戶軟件編寫，用戶進行操作以實現(xiàn)各種功能，包括串口連接與調(diào)試、系統(tǒng)功能選擇、測試模式設(shè)定、數(shù)據(jù)采樣與結(jié)果保存、生成實驗報告等功能。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

硬件電路整體框圖如圖2所示。圖中白色方框即為TMS320F2812，包括電源、JTAG（在線調(diào)試仿真）、SCI、A/D、EV（事件管理器模塊）等核心功能模塊；藍色框為電路板整體框圖，在DSP的基礎(chǔ)上附有板載電源電路、測試電路、信號調(diào)理電路以及以MAX232為核心的SCI通信接口電路[4]。

圖2 硬件電路功能框圖

針對點煙器彈出力的特性，選用惠斯通電橋壓力傳感器。該傳感器激勵電壓5～12 V，典型值50 mV的毫伏級電壓輸出，滿量程輸出約為0.5 V左右。因此選擇低噪聲、增益可控放大器AD?623將其線性放大至0～3 V，送入DSP的A/D進行采樣[5]。

1.1 信號采集與調(diào)理放大單元

AD?623具有寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出等特點，允許僅使用單個電阻進行增益調(diào)整，以保證良好的用戶靈活性；提供極好的交流共模抑制比，從而保持最小的誤差。該運放為雙列直插8腳封裝，實際應用時在1腳與8腳之間接入可變電阻[RG，]增益大小可由公式[Gain=1+100RG]算出。考慮系統(tǒng)實際需要，在1腳與8腳之間接入600 Ω定值電阻與1 kΩ滑動變阻器，從而方便調(diào)試與標定。

1.2 信號量化與A/D精度校正[6]

系統(tǒng)使用TMS320F2812內(nèi)部集成的12位高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，該模塊具有16路模擬信號采樣通道。ADC時鐘可以配置為25 MHz，最高采樣帶寬為12.5 MSPS，模擬輸入電壓范圍為0～3 V。值得注意的是當采樣信號超過3 V或者為負值時，可能會燒壞DSP芯片A/D端口。因此為保證芯片正常工作，在模擬信號傳到DSP之前加入了A/D保護電路，采用采樣3.3 V穩(wěn)壓管反向?qū)拥姆绞綄⒐苣_輸入信號鉗位控制在0～3 V內(nèi)。

傳感器主要產(chǎn)生靜態(tài)偏置與線性增益誤差。靜態(tài)偏置指傳感器不受壓力時的小電平輸出，線性增益誤差則是由于溫度等實際情況造成的斜率偏移。采用電路板模/數(shù)分離、合理布線等硬件措施抑制誤差的同時，采用軟件算法校正。

TMS320F2812雖然有12位精度，但在實際的使用過程中轉(zhuǎn)換結(jié)果誤差較大，最大的轉(zhuǎn)換誤差可以達到9%。系統(tǒng)采樣如下辦法減小誤差[7]：

1.2.1 硬件角度

（1） 電路板布線時模擬信號采集通路遠離數(shù)字信號通路，這樣能使耦合到ADC輸入端的數(shù)字信號開關(guān)噪聲大大降低；

（2） 采用適當?shù)母綦x技術(shù)，將ADC模塊電源引腳和數(shù)字電源隔離；

（3） 設(shè)計A/D校正電路，如圖3所示。圖中TL431ACLP為三態(tài)穩(wěn)壓管，當輸入電壓在4～8 V時，端口1輸出穩(wěn)定參考電壓。從端口3輸出的電壓滿足[VOUT=][1+R503R504?VREF。]故各參考電位電平計算式如下：

[VREF_A=VOUTVREF_B=R506+R507+R508R503+R506+R507+R508?VOUTVREF_C=R507+R508R503+R506+R507+R508?VOUT]

[VREF_D=R508R503+R506+R507+R508?VOUT]

將電阻參數(shù)帶入上述方程得出各點參考電壓的大小。應用時用跳線帽將REF_A點電壓加到A/D的A0引腳，REF_B電壓加到B0引腳，REF_C電壓加到A1引腳，REF_D電壓加到B1引腳。通過ADC轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果與真實值對比，在代碼中采用直線擬合的方法即可以實現(xiàn)對A/D采樣自身誤差的矯正。

圖3 硬件校正電路

1.2.2 軟件角度

（1） 對結(jié)果進行多通道過采樣方式，對大量的結(jié)果取平均值；

（2） 采用中值濾波法，具體實現(xiàn)方法為：連續(xù)采樣20個數(shù)據(jù)，排序后去掉最小的5個和最大的5個，然后取中間10個采樣數(shù)據(jù)的平均值；

（3） 軟件校正算法，對模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中的增益誤差和偏置誤差進行補償。

1.3 串口模塊、步進電機控制及其他電路單元

系統(tǒng)控制器通過SCI（串行通信接口）與主機進行通信，以完成控制命令和有效數(shù)據(jù)的收發(fā)。SCI是雙線制異步串行通信接口，系統(tǒng)內(nèi)部共有2個相同的SCI模塊SCIA和SCIB。本次試驗選用SCIA作為串行數(shù)據(jù)的收發(fā)模塊，配置波特率為9 600 b/s?？紤]實現(xiàn)難度，系統(tǒng)不采用奇偶校驗方式。數(shù)據(jù)幀的格式為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

DSP的SCI模塊信號電平為TTL電平，一般來說最小輸入高電平為2.0 V，最小輸出低電平為0.8 V。而通用計算機的串行通信一般基于RS 232協(xié)議規(guī)定，采用3～15 V范圍的正電平表示邏輯“0”，-15～3 V范圍的負電平表示邏輯“1”。所以要實現(xiàn)TMS320F2812與主機間的串行通信，必須對串行總線信號電平進行匹配轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用MAX3232芯片完成此項功能。

TMS320F2812工作時要求的電壓分為2部分：1.8 V的內(nèi)核電壓和3.3 V的Flash電壓。電路板使用LM1117?1.8作為穩(wěn)壓芯片，當輸入范圍是3～12 V時，輸出恒壓1.8 V；使用LM1117?3.3直流穩(wěn)壓輸出為3.3 V。該3.3 V電壓應與DSP2812上ADC部分模塊的模擬電源3.3 V區(qū)分，實際中使用100 μH電感連接；同時也應將數(shù)字地GND和模擬地AGND用100 μH電感相連，減小數(shù)字通路對模擬信號的干擾。輔以8段數(shù)碼管做測試電路、FLASH芯片和外擴RAM電路。至此，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計完畢。

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要包括嵌入式系統(tǒng)固件和用戶界面兩部分。

嵌入式系統(tǒng)的固件（燒錄到DSP的ROM中的工程）實現(xiàn)功能包括對DSP的SCI、A/D、事件管理器等模塊初始化、整體系統(tǒng)的工作流程、與上位機的“握手通信”及對數(shù)據(jù)的采集處理等[8]。

用戶控制界面采用Visual Basic 6.0語言編寫，在主界面上實現(xiàn)串口連接、通信測試、功能選擇，分為插拔力測量界面與彈出力測量界面。用戶通過軟件控制可以進行測量參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采樣，結(jié)果與采集圖像可以實時顯示，將結(jié)果進行保存并生成實驗報告[9]。

2.1 嵌入式系統(tǒng)固件實現(xiàn)

系統(tǒng)固件將面向各個功能模塊電路直接作用于底層硬件，實現(xiàn)對其的配置、控制等操作。系統(tǒng)固件利用CCS3.3集成環(huán)境進行開發(fā)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊配置為單序列順序采樣模式，同一信號采樣8路的過采樣方式；利用定時器周期中斷啟動A/D模塊，定時器計數(shù)周期為10 ms，采樣速率為100 Sa/s；SCI配置為8 b數(shù)據(jù)位，無停止位與奇偶校驗位，波特率為9 600 b/s。

主程序流程圖如圖4所示。具體工作方式如下：系統(tǒng)上電后先完成各硬件電路初始化與參數(shù)配置，然后進入主循環(huán)，采用查詢工作方式實時監(jiān)測主機發(fā)來的串行數(shù)據(jù)。圖5為系統(tǒng)主循環(huán)流程圖。控制器對從主機接收到的控制命令字與預先設(shè)定的交互字參考表進行比對，如果符合則賦予Sci_Key相應關(guān)鍵字的代碼，并執(zhí)行對應代碼段中的功能，包括串口測試、采樣數(shù)據(jù)等功能。

2.2 用戶界面設(shè)計

用戶軟件實現(xiàn)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)分析處理以及結(jié)果顯示等功能。作為人機交互界面，應做到友好、美觀。系統(tǒng)以Visual Basic 6.0為開發(fā)環(huán)境。

主控制平臺是控制指令的發(fā)出者，也是最終結(jié)果的提供者。一方面它承載著計算機系統(tǒng)與控制器指令、數(shù)據(jù)交換任務；另一方面，它與用戶直接進行交互。圖6為彈出力測量的界面。界面組成：測量初始參數(shù)（滑臺開始位置、終止位置、測量周期）設(shè)定；文件保存與讀取系統(tǒng)，建立txt文件用于數(shù)據(jù)的存儲及調(diào)用；動作菜單（測量模式的選擇，系統(tǒng)動作的操控以及配置報告界面）。配置報告使用VB與Office Word進行交互，直接生成.doc報告。

圖4 主程序流程圖

圖5 主循環(huán)流程圖

圖6 彈出力測量界面

2.2.1 串口通信事件

用戶端軟件的整體架構(gòu)就是圍繞著串口控件（MSComm）所展開。計算機向控制器發(fā)送指令時，程序根據(jù)用戶操作直接向串口輸出寄存器中寫入命令字，通過移位寄存器以二進制碼形式送往控制器。在事件通信功能啟動之后，若CommEvent屬性的值為comEvReceive，則認為此通信事件為串口接收事件，使用字符串變量StrReceiveCase為接收到數(shù)據(jù)的具體事件做標記[10]。

舉例來說，單擊“系統(tǒng)啟動”按鈕，進入串口事件。StrReceiveCase賦值為“ORIG”，界面狀態(tài)欄提示“系統(tǒng)開始運行”，同時用戶端軟件向DSP發(fā)送命令字“O”。DSP將接收信息與命令字表進行查找比對，相符則使滑臺上下運動，傳感器空采得到初始偏置誤差。期間向上位機發(fā)送反饋控制字“ORIG”?？刂破鲗⒔邮盏降淖址c預設(shè)進行判斷，符合則“握手成功”。表1為上位機與DSP進行串口通信的交互控制字，對應其各種功能實現(xiàn)。

表1 串口通信交互控制字

[ 功能＼&主機命令字＼&反饋命令字＼& 串口測試＼&T＼&SUCC＼& 系統(tǒng)初始化＼&O＼&ORIG＼& 滑臺上移＼&U＼&UPMV＼& 滑臺下移＼&D＼&DOWN＼& 彈出力運行＼&C＼&RUNS＼& 停止運行＼&S＼&STOP＼&]

RS 232只能發(fā)送串行8位數(shù)據(jù)，而采樣數(shù)據(jù)均為16位整型?？刂破鞑扇〔鸱值姆绞竭M行傳送，主機端將數(shù)據(jù)的高低8位分別接收再通過移位相加將其恢復。利用VB中的Line input語句將接收到的數(shù)據(jù)逐一寫入至預先建立好的txt文件進行保存。

2.2.2 VB繪圖控件與Office Word關(guān)聯(lián)控件

繪制圖像采用VB的PictureBox控件，在界面中放置畫布，同時繪制標尺網(wǎng)格增強結(jié)果的可讀性；將[x]軸等分為（N?1）份從而獲得[N]點的[x]軸坐標值；將采集到的數(shù)據(jù)進行折疊、伸縮變換后得到的數(shù)據(jù)作為[y]軸坐標值；利用Line input語句將各坐標點相連得到測試曲線。為了使軟件更加智能，本系統(tǒng)利用VB鼠標事件編寫模塊，使得用戶將鼠標移動到任意一點時都會自動顯示該點的力值大小。

利用VB中的office word插件可以實現(xiàn)每次有效實驗后自動生成實驗報告的功能。在軟件默認路徑下需要保存.doc的實驗報告模板，利用word中的書簽進行位置查找并更新內(nèi)容。

2.2.3 測量系統(tǒng)的標定與校正

模/數(shù)轉(zhuǎn)換所得到的電壓值需要進行實際標定才能轉(zhuǎn)化成力的大小。選取標準砝碼進行標定來擬合參數(shù)；將不同重量的砝碼放在傳感器受力端，讓控制器持續(xù)采樣，將所得結(jié)果記錄。采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)，考慮到小輸入時誤差較大，我們棄置了零點以及偏離線性區(qū)間的數(shù)據(jù)。擬合公式為：

[β=NXY-XYNX2-（X）2]

圖7為點煙器周期彈出力測量結(jié)果的圖像。

圖7 彈出力測量結(jié)果

3 結(jié) 語

通過硬件設(shè)計與制作、軟件編寫以及聯(lián)合調(diào)試完成了該系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。此系統(tǒng)著眼于用戶需求，實現(xiàn)了相關(guān)功能，最終結(jié)果準確可靠，繪制圖像效果良好。經(jīng)過工業(yè)級實測，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。此測力系統(tǒng)是針對于用戶所提出的特殊用途進行專門設(shè)計和開發(fā)的，已經(jīng)應用在具體工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。

本系統(tǒng)的研制對用戶亟待解決的生產(chǎn)實際問題具有不可替代的作用，系統(tǒng)的實際應用會為汽車廠商在彈出件的定型以及性能、質(zhì)量的提升、評估方面做出貢獻。

參考文獻

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利用VB中的office word插件可以實現(xiàn)每次有效實驗后自動生成實驗報告的功能。在軟件默認路徑下需要保存.doc的實驗報告模板，利用word中的書簽進行位置查找并更新內(nèi)容。

2.2.3 測量系統(tǒng)的標定與校正

模/數(shù)轉(zhuǎn)換所得到的電壓值需要進行實際標定才能轉(zhuǎn)化成力的大小。選取標準砝碼進行標定來擬合參數(shù)；將不同重量的砝碼放在傳感器受力端，讓控制器持續(xù)采樣，將所得結(jié)果記錄。采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)，考慮到小輸入時誤差較大，我們棄置了零點以及偏離線性區(qū)間的數(shù)據(jù)。擬合公式為：

[β=NXY-XYNX2-（X）2]

圖7為點煙器周期彈出力測量結(jié)果的圖像。

圖7 彈出力測量結(jié)果

3 結(jié) 語

通過硬件設(shè)計與制作、軟件編寫以及聯(lián)合調(diào)試完成了該系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。此系統(tǒng)著眼于用戶需求，實現(xiàn)了相關(guān)功能，最終結(jié)果準確可靠，繪制圖像效果良好。經(jīng)過工業(yè)級實測，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。此測力系統(tǒng)是針對于用戶所提出的特殊用途進行專門設(shè)計和開發(fā)的，已經(jīng)應用在具體工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。

本系統(tǒng)的研制對用戶亟待解決的生產(chǎn)實際問題具有不可替代的作用，系統(tǒng)的實際應用會為汽車廠商在彈出件的定型以及性能、質(zhì)量的提升、評估方面做出貢獻。

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利用VB中的office word插件可以實現(xiàn)每次有效實驗后自動生成實驗報告的功能。在軟件默認路徑下需要保存.doc的實驗報告模板，利用word中的書簽進行位置查找并更新內(nèi)容。

2.2.3 測量系統(tǒng)的標定與校正

模/數(shù)轉(zhuǎn)換所得到的電壓值需要進行實際標定才能轉(zhuǎn)化成力的大小。選取標準砝碼進行標定來擬合參數(shù)；將不同重量的砝碼放在傳感器受力端，讓控制器持續(xù)采樣，將所得結(jié)果記錄。采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)，考慮到小輸入時誤差較大，我們棄置了零點以及偏離線性區(qū)間的數(shù)據(jù)。擬合公式為：

[β=NXY-XYNX2-（X）2]

圖7為點煙器周期彈出力測量結(jié)果的圖像。

圖7 彈出力測量結(jié)果

3 結(jié) 語

通過硬件設(shè)計與制作、軟件編寫以及聯(lián)合調(diào)試完成了該系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。此系統(tǒng)著眼于用戶需求，實現(xiàn)了相關(guān)功能，最終結(jié)果準確可靠，繪制圖像效果良好。經(jīng)過工業(yè)級實測，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。此測力系統(tǒng)是針對于用戶所提出的特殊用途進行專門設(shè)計和開發(fā)的，已經(jīng)應用在具體工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。

本系統(tǒng)的研制對用戶亟待解決的生產(chǎn)實際問題具有不可替代的作用，系統(tǒng)的實際應用會為汽車廠商在彈出件的定型以及性能、質(zhì)量的提升、評估方面做出貢獻。

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