基于STM32的車輛剎車系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

晁綿順，黃俊革

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418)

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基于STM32的車輛剎車系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

晁綿順，黃俊革

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418)

針對(duì)大多數(shù)車輛在急速剎車過(guò)程中，因劇烈摩擦使剎車片的溫度急速升高，可能會(huì)使剎車片熱衰竭，進(jìn)而導(dǎo)致剎車系統(tǒng)失靈或輪胎燃火起爆等問(wèn)題，提出了一種基于STM32的車輛剎車系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)儀。該監(jiān)測(cè)儀以嵌入式STM32為控制核心，以紅外熱電堆測(cè)溫模塊的方法，采用車輛成熟的CAN總線技術(shù)完成主機(jī)和從機(jī)通信。該系統(tǒng)不僅可以及時(shí)、準(zhǔn)確的采集、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及啟動(dòng)溫度報(bào)警。

STM32;剎車系統(tǒng)；溫度監(jiān)控；CAN總線

0 引言

車輛行駛過(guò)程中剎車安全性成為不可忽視的重要問(wèn)題之一[1]。而溫度是影響剎車片性能的一個(gè)重要因素，直接制約著剎車片的制動(dòng)性、耐磨性等性能[2-3]。當(dāng)剎車片工作溫度超過(guò)300℃后，摩擦系數(shù)μ表現(xiàn)非穩(wěn)定的大幅度下降，出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，主要原因是非金屬剎車片里的有機(jī)化合物高溫下分解，產(chǎn)生氣體和液體析出；而金屬類剎車片的金相組織在高溫條件下發(fā)生變化[4]。

當(dāng)前對(duì)家庭車輛以及大型車輛剎車片的磨損程度都有相應(yīng)的監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)[5]，但是對(duì)于剎車片溫度的監(jiān)測(cè)相對(duì)比較少，文獻(xiàn)[6]中提出采用以MAX6577為溫度傳感芯片的汽車剎車片實(shí)時(shí)溫控系統(tǒng)，而MAX6577溫度測(cè)量范圍只有-40～125 ℃，由于剎車片的溫度最高可達(dá)600℃以上[4]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出MAX6577的測(cè)量范圍。文獻(xiàn)[7]中采用了以接觸式K型熱電偶溫度傳感器的單片機(jī)剎車片溫控統(tǒng)由于熱電偶傳感器對(duì)安裝位置有嚴(yán)格的要求，補(bǔ)償導(dǎo)線類型選擇和使用也有嚴(yán)格要求[8]，另外該溫控系統(tǒng)需要額外布線。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于STM32的車輛剎車系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)儀，采用非接觸式的高溫紅外電堆為測(cè)溫模塊，其優(yōu)點(diǎn)為：(1)紅外熱電堆測(cè)量范圍寬，可達(dá)-70～1 030 ℃；(2)紅外熱電堆采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TO-39封裝，對(duì)安裝位置無(wú)嚴(yán)格要求，并且不用考慮現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)償導(dǎo)線的問(wèn)題；(3)STM32微控制器內(nèi)嵌CAN控制器和標(biāo)準(zhǔn)的CAN通信協(xié)議，方便與車輛的CAN總線實(shí)現(xiàn)通信，無(wú)須大范圍額外布線，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 STM32主控制器模塊

主控芯片采用基于ARM Cortex-M3的32-bit STM32F103ZET6，其主要特點(diǎn)：主頻72 MHz，處理數(shù)據(jù)速度快，并且內(nèi)含大容量的512 kB Flash,可以重復(fù)擦寫至少上萬(wàn)次，并且?guī)в?個(gè)bxCAN控制器和29-bit的CAN 2.0B Active通信協(xié)議，極大方便與車輛現(xiàn)有的CAN總線集成，2個(gè)I2C總線，其完全支持SMbus/PMbus總線，8個(gè)16位功能強(qiáng)大的定時(shí)器，這些定時(shí)器使STM332具有定時(shí)、信號(hào)頻率測(cè)量、信號(hào)PWM測(cè)量、PWM輸出等。STM32F103增強(qiáng)型系列工作電壓只有3.3 V，在同類其他32位微控制器中功耗最低，其所有外設(shè)處于工作狀態(tài)時(shí)功耗只有36 mA，待機(jī)時(shí)下降到僅2 μA。

1.2 測(cè)溫模塊

該溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用非接觸式MLX90616紅外熱電堆溫度傳感器。測(cè)量范圍-70～1 030 ℃，分辨率0.02 ℃，MLX90616采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TO-39封裝，其工作原理：首先將采集到的紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)低噪聲放大器放大后送給A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)FIR/IIR低通濾波器調(diào)理后送入數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算處理后輸出測(cè)量結(jié)果并保存在MLX90616內(nèi)部RAM中，可以通過(guò)SMBus或PWM 方式供STM32的CPU單元讀取，SMbus與MLX90616電路連接如圖2所示，由于STM32的I2C總線完全支持SMbus總線方式(與SMbus總線兼容的I2C總線如圖3所示)，這里特別注意的是SMbus總線的數(shù)據(jù)傳輸率只有100 Kbit/s，因此必須采用I2C總線100 Kbit/s標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率,而不是常用的400 Kbit/s模式。對(duì)于PWM模式，STM32的6個(gè)通用定時(shí)器和高級(jí)定時(shí)器都可以方便地調(diào)節(jié)頻率和占空比，容易將通用端口配置為PWM輸出模式。

圖2 SMbus與MLX90616(TO-39封裝)電路連接圖

圖3 兼容SMbus的I2C總線

1.3 CAN總線接口電路模塊設(shè)計(jì)

STM32F103ZET6內(nèi)嵌2個(gè)bxCAN控制器，具體定義為PB8-CAN-RX、PB9-CAN-TX,它支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，波特率最高可達(dá)1 Mbit/s,包含3個(gè)發(fā)送郵箱，2個(gè)3級(jí)深度接受先進(jìn)先出緩沖區(qū)(FIFO),14個(gè)可變位寬的過(guò)濾器組，支持時(shí)間觸發(fā)通信模式。

CAN總線驅(qū)動(dòng)器采用TJA1050型號(hào)的CAN收發(fā)器，它的RXD和TXD引腳分別連接到STM32的PB8和PB9，它的CANH和CANL引腳外接到排陣上，并且在CANH和CANL之間連接一個(gè)120 Ω的終端電阻，這里加終端電阻的目的是防止高頻信號(hào)傳輸時(shí)，信號(hào)波長(zhǎng)相對(duì)傳輸線較短，信號(hào)在傳輸線終端形成反射波，干擾原信號(hào)。TJA1050以及雙(主機(jī)和從機(jī))CAN通信連接原理圖如圖4所示。

圖4 TJA1050以及雙(主機(jī)和從機(jī))CAN通信連接原理圖

1.4 STM32驅(qū)動(dòng)LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

LCD液晶顯示模塊的外部接口一般采用并行方式，其并行接口線的讀寫時(shí)序常見(jiàn)以下兩種模式：8080通信接口時(shí)序模式和6800通信接口時(shí)序模式，這里系統(tǒng)采用8080時(shí)序模式。 8080通信接口時(shí)序可以由STM32使用普通I/O口進(jìn)行模擬，這也是大多數(shù)單片機(jī)常用的方式，但是這樣效率較低，STM32提供了另外一種特別的控制方法—使用FSMC(靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)接口，F(xiàn)SMC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 STM32的FSMC內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

FSMC可用于STM32控制NOR FLASH、PSRAM和NAND FLASH存儲(chǔ)芯片，這里溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用FSMC的NORPSRAM模式模擬8080時(shí)序來(lái)控制LCD。FSMC控制NOR FLASH使用到的信號(hào)線FSMC_CLK時(shí)鐘、FSMC_A[25：0]地址總線、FSMC_D[15：0]雙向數(shù)據(jù)總線、FSMC_NE[x]片選、FSMC_NOE輸出使能、FSMC_NEW寫使能、FSMC_NWAIT NOR閃存要求等待的信號(hào)。這里8080的CSX功能類似于FSMC_NE[x]，WRX類似于NWR,RDX類似于NOE，D[15:0]類似于FSMC_D[15:0],通過(guò)比較上述4類相對(duì)應(yīng)的信號(hào)線可發(fā)現(xiàn)：FSMC寫NOR時(shí)序(圖6所示)與的8080接口寫命令時(shí)序(圖7所示)十分相似。

圖6 FSMC寫NOR時(shí)序圖(模擬8080時(shí)序)

圖7 8080通信接口寫命令時(shí)序模式

FSMC提供了所有的LCD顯示器控制信號(hào)：FSMC_D[15：0]提供LCD所需的數(shù)據(jù)總線FEMC_NOE連接LCD的RD腳，F(xiàn)EMC_NEW連接LCD的RW腳。FEMC_Ax:用在LCD顯示RAM和寄存器之間進(jìn)行選擇的地址線，即該線用于選擇LCD的RS腳，該線可用地址線的任意一根線，范圍：FSMC_A[25:0]。

1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)SDIO接口設(shè)計(jì)

STM32的SDIO接口的有8條數(shù)據(jù)線，這與標(biāo)準(zhǔn)的SDIO有稍許區(qū)別，標(biāo)準(zhǔn)的SDIO接口包含CLK、CMD及4條DAT[3：0]數(shù)據(jù)線。STM32對(duì)SD卡讀寫操作電路有兩種連接方式：一種是不帶上拉電阻；一種是帶上拉電阻。當(dāng)采用不帶上拉電阻方式時(shí)，STM32的相應(yīng)端口應(yīng)設(shè)置為推挽輸出模式，其優(yōu)點(diǎn)傳輸速度快，缺點(diǎn)是可靠性降低；當(dāng)采用帶上拉電阻方式時(shí)，STM32的端口必須設(shè)置為開(kāi)漏輸出方式，這里設(shè)置上拉電阻的目的是防止總線浮空，產(chǎn)生讀寫誤操作，其優(yōu)點(diǎn)：傳輸?shù)目煽啃愿呷秉c(diǎn)是對(duì)傳送速度有一定的限制。這里采用SD卡規(guī)范的協(xié)議——帶上拉電阻的模式，另外使用DMA來(lái)實(shí)現(xiàn)大吞吐量的數(shù)據(jù)傳送，STM32對(duì)MicroSD卡(TF-card)讀寫電路連接如圖8所示。

圖8 STM32讀寫MicroSD卡硬件電路連接圖

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 STM32主機(jī)程序設(shè)計(jì)和從機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序以STM32固件庫(kù)3.5為開(kāi)發(fā)工具，首先從主機(jī)程序設(shè)計(jì)開(kāi)始，STM32控制系統(tǒng)先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作及配置相應(yīng)的外設(shè)端口，外設(shè)端口配置包括RCC配置、GPIO陪置、NVIC配置、CAN模式配置和CAN過(guò)濾器配置。系統(tǒng)初始化和外設(shè)配置完成后，根據(jù)剎車踏板位置傳感器的信號(hào)對(duì)剎車片的溫度采集，考慮到采樣的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，對(duì)溫度進(jìn)行連續(xù)多次采樣，STM32控制系統(tǒng)對(duì)采集的溫度值做相應(yīng)處理，以便于通過(guò)CAN總線發(fā)送報(bào)文到從機(jī)。主機(jī)的程序流程圖如圖9所示。

從機(jī)程序設(shè)計(jì)，開(kāi)始的工作同樣是初始化和外設(shè)端口配置，SysTick初始化、LCD初始化、SDIO初始化、GPIO配置、CAN模式配置、FSMC模式配置，上述準(zhǔn)備工作完成后，從機(jī)開(kāi)始接受CAN總線網(wǎng)絡(luò)由主機(jī)發(fā)送的報(bào)文，然后解碼還原數(shù)據(jù)。一方面判斷溫度值是否開(kāi)啟溫度超限報(bào)警，另一方面通過(guò)LCD顯示當(dāng)前剎車片的溫度值，此外還可以將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，從機(jī)程序流程圖如圖10所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，利用STM32F103ZET6控制芯片和紅外熱電堆傳感器，以車輛CAN總線為通信手段，完成了剎車系統(tǒng)溫度采集模塊，溫度超限報(bào)警模塊，溫度數(shù)據(jù)的LCD顯示模塊和SD卡存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)。此外系統(tǒng)采用的STM32嵌入式微控制器功能強(qiáng)大，集成度高；紅外熱電堆傳感器測(cè)量范圍廣，現(xiàn)場(chǎng)安裝靈活、測(cè)量方便，檢測(cè)和補(bǔ)償電路通用性強(qiáng)。該溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于家庭車輛、大中型客車以及重載貨車，特別是在急速剎車或者在大長(zhǎng)坡路段連續(xù)剎車的情況，有效的保障車輛行駛安全和道路交通安全。

圖9 主機(jī)程序執(zhí)行流程圖

圖10 從機(jī)程序執(zhí)行流程圖

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Brake Temperature Monitoring System of Vehicles Based on STM32

CHAO Mian-shun,HUANG Jun-ge

(School of Mechanical Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China )

According to the most vehicles in the process of braking with high speed,the fabrication always led to increasing of the temperature and the failure of the brake block with heat prostration，thus leading to the brake system failure or tire initiation fire. This paper proposed a brake temperature monitoring system of vehicles based on STM32. With the embedded STM32 as the control core ,by means of the infrared thermopile temperature measurement module,the system employed the CAN bus of the vehicles to finish the communication between the host and slave machine. The system can not only collect,process and send data timely and accurately,but also display and store data,and triggers an alarm.

STM32;brake system;temperature monitoring;CAN bus

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項(xiàng)目(1212011120196)

2014-12-15 收修改稿日期:2015-06-29

TP216

A

1002-1841(2015)09-0035-03

晁綿順(1988—)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制，嵌入式儀表技術(shù)。E-mail:835427598@qq.com 黃俊革(1966—)博士，教授，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)采集與數(shù)值模擬技術(shù)，智能檢測(cè)與控制技術(shù)。 E-mail：dragondragon1111@163.com