汽車多功能方向盤按鍵檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)①

郎璐紅, 余紅英, 董俊

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006；2.中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031)

0 引 言

汽車方向盤除了轉(zhuǎn)向功能之外，為方便駕駛員操作，通常在方向盤上觸手可及的位置，集成了多個(gè)常用的功能控制鍵，如視聽娛樂操作、剎車與換檔撥片等，有些車型如儀表的里程調(diào)校也轉(zhuǎn)移到方向盤上，駕駛員手不離開方向盤就能進(jìn)行很多常用的操作。這樣的方向盤如果用多個(gè)單獨(dú)的普通按鍵或者矩陣鍵盤往往需要的連線比較多，不適合在汽車方向盤上使用，而如果采用CAN總線連接到車身主控芯片上進(jìn)行通信，增加了硬件電路的復(fù)雜性，同時(shí)也是大材小用，所以汽車方向盤上的功能控制鍵常常采用簡(jiǎn)單的電阻式按鍵，把每個(gè)按鍵接上不同電阻，按下不同的按鍵會(huì)引起總線電壓不同變化，MCU通過AD轉(zhuǎn)換測(cè)量電壓值就知道是哪個(gè)阻值對(duì)應(yīng)的按鍵被按下了。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能方向盤按鍵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主控芯片采用STM32F103VC，用來進(jìn)行模擬量檢測(cè)和TFT觸摸屏控制和顯示；四路繼電器分別控制背光電源BAT、報(bào)警燈、蜂鳴器及背光電流。

顯示和操作界面采用工控7寸TFT串口觸摸屏，實(shí)現(xiàn)方向盤型號(hào)的選擇、方向盤按鍵的合格判定、阻值顯示、背光判定。工控串口觸摸屏開發(fā)方便，即保證產(chǎn)品在生產(chǎn)環(huán)境下的使用壽命，又能提供友好的用戶界面，使普通操作者容易使用。

STM32F103VC單片機(jī)帶有兩個(gè)獨(dú)立的12位ADC控制器，是一個(gè)逐次逼近模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，有18個(gè)通道，可同時(shí)對(duì)16個(gè)模擬量通道進(jìn)行快速采樣。方向盤按鍵通常有多個(gè)輸出信號(hào)端，可以分別由不同的通道進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 檢測(cè)原理

2.1 方向盤按鍵信號(hào)原理

方向盤上的按鍵一般都根據(jù)需要和相關(guān)性布局，分左、右手控制。電阻式按鍵的接法不一，但實(shí)質(zhì)都是一樣的。通常汽車方向盤上的功能按鍵接法示例如圖2所示，等效電路圖示例如圖3所示。

圖2 實(shí)際電子開關(guān)的典型電阻電路

圖3 典型電阻開關(guān)的等效電路(無靜態(tài)電阻)

若按鍵未按下時(shí)在輸出線的端口處為開路狀態(tài)，即無靜態(tài)電阻，反之如輸出線的端口處有等效電阻，則為有靜態(tài)電阻。早期的電阻開關(guān)沒有靜態(tài)電阻，方向盤連接到檢測(cè)裝置的AD端的線束斷路和無按鍵按下時(shí)在電氣上是一樣的，無法進(jìn)行斷路檢查。而有靜態(tài)電阻的電阻開關(guān)，可以在開機(jī)時(shí)檢查是否有斷路和短路情況。

2.2 按鍵標(biāo)準(zhǔn)值的標(biāo)定

每個(gè)按鍵的標(biāo)準(zhǔn)阻值并不需要實(shí)際值，檢測(cè)裝置設(shè)置了專門的測(cè)量界面，進(jìn)入此頁面后，分別按下不同的按鍵，通過實(shí)測(cè)的方法得到該按鍵所接的AD轉(zhuǎn)換通道以及電阻值。用這種方法得到電阻按鍵標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)際上也修正了參考電阻以及電路本身帶來的誤差。

標(biāo)定按鍵標(biāo)準(zhǔn)值的界面如圖4所示，其中R1～R4分別對(duì)應(yīng)方向盤上的多個(gè)方向盤信號(hào)輸出端口中的一個(gè)，標(biāo)定時(shí)按下每一個(gè)按鍵其中將有一個(gè)電阻值發(fā)生變化，即可確定該按鍵所對(duì)應(yīng)的AD通道及標(biāo)準(zhǔn)值大小，標(biāo)準(zhǔn)值偏差一定范圍做為判斷按鍵合格與否的依據(jù)。

2.3 AD轉(zhuǎn)換的原理及設(shè)計(jì)

AD轉(zhuǎn)換電路中的關(guān)鍵是參考電阻的選取。給被測(cè)方向盤按鍵串聯(lián)一個(gè)參考電阻Rref(上拉電阻)進(jìn)行分壓，被測(cè)電阻Rx一端接地，上拉電阻端為基準(zhǔn)電壓Vref，即VCC。在圖3的等效電路中，即將PORT3、PORT6接地，PORT1、PORT2、PORT5及NET1接入STM32的AD輸入端，在AD端和VCC之間接入?yún)⒖茧娮鑂ref，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換測(cè)量得到VAD的值，則通過下面的關(guān)系可求得按鍵對(duì)應(yīng)的阻值：

圖4 方向盤按鍵電阻標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)定

2.4 方向盤背光燈的檢測(cè)原理

背光燈即發(fā)光二極管，背光燈的個(gè)數(shù)通常等于按鍵的個(gè)數(shù)，即每個(gè)按鍵下面對(duì)應(yīng)一個(gè)背光燈，如圖2中所示連接在PORT4的LED。方向盤按鍵中，多個(gè)發(fā)光二極管通常是并聯(lián)連接，當(dāng)所有背光燈開啟時(shí)，即全部二極管導(dǎo)通的狀態(tài)。檢測(cè)背光燈好壞時(shí)采用檢測(cè)背光電流的方法，即在PORT4和PORT3之間加上電壓，點(diǎn)亮所有背光燈，測(cè)量此時(shí)的電流，可以判斷LED背光燈珠的壞通與壞斷。

檢測(cè)裝置在檢測(cè)完方向盤上的所有按鍵后，進(jìn)入自動(dòng)檢測(cè)背光狀態(tài)，同時(shí)在觸摸屏上界面上設(shè)有人工檢測(cè)按鈕。當(dāng)拔出方向盤與檢測(cè)裝置的連接線檢測(cè)到?jīng)]有電流時(shí)，自動(dòng)清除觸摸屏按鍵上的指示圖標(biāo)，進(jìn)入下一個(gè)方向盤檢測(cè)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程圖

方向盤檢測(cè)裝置的軟件分為串口觸摸屏軟件和STM32下位機(jī)軟件兩部分，通過串口進(jìn)行通信。串口觸摸屏軟件采用圖形化編程，主要用于人機(jī)交互和顯示。下位機(jī)軟件流程圖如圖5所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理

為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性，檢測(cè)裝置采用了三種數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

3.2.1 去除干擾數(shù)據(jù)

AD轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間很短，STM32的轉(zhuǎn)換精度比較高，因此轉(zhuǎn)換結(jié)果不斷的跳變，穩(wěn)定性差，采用軟件方法消除干擾信號(hào)和轉(zhuǎn)換本身帶來的粗大誤差，即連續(xù)進(jìn)行二十次采樣和轉(zhuǎn)換后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行排序，去掉最高和最低各5個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)保留的十次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)取平均值作為一次測(cè)量的電阻值。

圖5 方向盤檢測(cè)裝置軟件流程圖

3.2.2 采樣電阻選取

通常MCU的AD端口允許輸入的電壓范圍由端口的耐壓即電源供電電壓決定。STM32的IO端口最高電壓是3.3V，AD端口輸入模擬信號(hào)不能高于3.3V。為適應(yīng)多種型號(hào)的方向盤，每個(gè)AD通道可能測(cè)量的電阻值范圍差別可能很大。

采樣電阻的選取要考慮電阻的量級(jí)，電阻大，電流則小，有利于省電，但太大的電阻會(huì)導(dǎo)致信號(hào)阻抗變大，AD采樣時(shí)需要相應(yīng)加大采樣時(shí)間。如果要降低功耗，可以用300kΩ、100kΩ電阻進(jìn)行分壓，否則可以用30kΩ、10kΩ電阻進(jìn)行分壓。

3.2.3 AD轉(zhuǎn)換電路的改進(jìn)

方向盤在同一個(gè)輸出端的電阻值是不同電阻串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)果，最大電阻值和最小電阻值有可能相差比較大，如圖3中PORT2或PORT5端口，所選取的參考電阻不能同時(shí)滿足大電阻和小電阻兩種情況的測(cè)量要求，因此對(duì)AD電路進(jìn)行改進(jìn)，采用兩路AD轉(zhuǎn)換分別對(duì)大阻值和小阻值的電阻進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以在這樣的輸出端采取如圖6所示的測(cè)量電路。

根據(jù)被測(cè)按鍵電阻值大小不同，自動(dòng)選擇用不同的AD通道，當(dāng)電阻值比較小時(shí)由AD1進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到Rx和Rref2串聯(lián)的結(jié)果，減去Rref2為方向盤按鍵的電阻值；當(dāng)測(cè)量電阻比較大時(shí)由AD2進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此時(shí)參考電阻值為Rref1和Rref2的串聯(lián)值，可直接得到Rx的值。

圖6 改進(jìn)的AD轉(zhuǎn)換測(cè)量電路

4 結(jié) 論

方向盤檢測(cè)裝置已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中使用，人機(jī)界面友好，檢測(cè)時(shí)由手形圖標(biāo)按固定的順序指示下一個(gè)要檢測(cè)的按鍵，結(jié)果顯示出檢測(cè)的通道、實(shí)測(cè)阻值、標(biāo)準(zhǔn)阻值及偏差百分比，如在合格范圍內(nèi)，在按鍵位置顯示并且蜂鳴器響一聲，繼續(xù)檢測(cè)下一個(gè)按鍵直至所有按鍵檢測(cè)完成，屏幕顯示表示合格。如檢測(cè)到超差、短路或斷路等的按鍵，相應(yīng)按鍵位置顯示并且蜂鳴器一直響進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)屏幕上顯示，表示此方向盤不合格，不必繼續(xù)檢測(cè)其他按鍵。拔下方向盤后恢復(fù)到初始狀態(tài)，裝置可自行檢測(cè)出是否插上和拔下方向盤。

采用聲光同時(shí)指示的方式使操作人員即使不通過眼睛觀察識(shí)別，也可以根據(jù)聲音了解檢測(cè)結(jié)果，避免錯(cuò)檢、漏檢等問題。如在裝置中利用視覺檢測(cè)顯示屏上的結(jié)果，并和PLC通訊，利用簡(jiǎn)單的三軸機(jī)器手按壓方向盤，可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)檢測(cè)。