汽車電子控制課程實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)與應(yīng)用

邢恩輝 趙子杰 王浩然 任桂周 王銳

摘? 要：隨著電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車向著電子化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化快速演進(jìn)。為了滿足汽車電子控制課程實(shí)踐教學(xué)需要，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于DSP的實(shí)驗(yàn)平臺，包含I/O信號和PWM信號輸出實(shí)驗(yàn)、LCD顯示實(shí)驗(yàn)、車用傳感器電容器與蓄電池充放電實(shí)驗(yàn)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)等，該實(shí)驗(yàn)平臺已成功運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，并取得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)平臺? DSP? 汽車電子控制? 教學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.423? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0238-04

Abstract： With the continuous development of automobile electronic control technology， automobile is developing rapidly towards electronic， intelligent and network. In order to meet the practical teaching needs of automobile electronic control course， the experimental platform based on DSP was designed， including I/O signal and PWM signal output experiment， LCD display experiment， vehicle sensor detection experiment， super capacitor and battery charge and discharge experiment， stepper motor drive circuit design and drive experiment， etc. The experiment platform has been successfully applied to actual teaching， and achieved good teaching effects.

Key Words： Experimental platform; DSP; Automotive electronic control; Teaching experiment

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車電子控制技術(shù)也隨之不斷進(jìn)步，從最初的汽油噴射控制、行車速度控制等技術(shù)到現(xiàn)如今電子控制技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到汽車的各個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，而且汽車電子控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域仍在繼續(xù)擴(kuò)展，電子控制技術(shù)的應(yīng)用使得汽車更為安全舒適[1]。當(dāng)下汽車的電子化程度高低已經(jīng)成為衡量汽車水平的重要標(biāo)志之一，且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及5G通訊的發(fā)展完善，汽車將愈發(fā)電子化，信息化，智能化，甚至在未來汽車可能發(fā)展成為一個(gè)大型的智能電子消費(fèi)產(chǎn)品。

開設(shè)《汽車電子控制技術(shù)》課程也是為了更好地適應(yīng)汽車行業(yè)發(fā)展的需要，更好地滿足企業(yè)人才所需，而僅僅依靠課堂教學(xué)的理論知識并不全面，我校作為“卓越工程師”計(jì)劃實(shí)施高校之一，開設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，彌補(bǔ)傳統(tǒng)工程人才培養(yǎng)下動(dòng)手能力不足的缺點(diǎn)，更好地適應(yīng)當(dāng)前社會的發(fā)展需要[2-4]。依靠實(shí)驗(yàn)教學(xué)加深課堂理論的理解，增強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高學(xué)校教學(xué)質(zhì)量，所以搭建一個(gè)符合教學(xué)需求的可靠的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺就顯得不可或缺[5]。

1? 汽車電子控制實(shí)驗(yàn)平臺

本文結(jié)合《汽車電子控制技術(shù)》課程，基于DSP控制設(shè)計(jì)開發(fā)了汽車電子控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺，如圖1所示。該綜合實(shí)驗(yàn)平臺由DSP核心控制板、仿真器、示波器、12V鋰離子蓄電池和超級電容器模塊、電流傳感器、電壓傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)字萬用表、LED或LCD顯示裝置、步進(jìn)電機(jī)及其供電電源等硬件部分，以及CCS以及Matlab等軟件部分組成。該綜合實(shí)驗(yàn)平臺與《汽車電子控制技術(shù)》課程相輔相成，有助于提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，幫助學(xué)生加深課程所學(xué)理論知識的理解，提高教學(xué)質(zhì)量。

1.1 DSP核心控制板

隨著數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的日漸成熟，其優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，其具有計(jì)算速度較快，且其靈活準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)、尺寸較小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前已在多個(gè)領(lǐng)域中逐漸取代傳統(tǒng)的模擬信號處理器進(jìn)行應(yīng)用 [6]。

本實(shí)驗(yàn)平臺選用的TMS320F2812數(shù)字信號處理器是32位定點(diǎn)DSP控制器，其頻率高達(dá)150MHz，集成128kB閃存，可用于開發(fā)以及現(xiàn)場軟件升級時(shí)再編程 [7]。其事件管理器包括脈沖寬度調(diào)制（PWM）產(chǎn)生器、可編程通用計(jì)時(shí)器以及捕捉譯碼器接口等，該芯片適用于多種應(yīng)用場合，功能豐富強(qiáng)大，這些特點(diǎn)確保了實(shí)驗(yàn)所需的硬件條件。

1.2 超級電容器

超級電容器是一種環(huán)保且實(shí)用的能量存儲裝置，其具有使用壽命長;功率密度高;充電速度快;受環(huán)境溫度影響小;以及污染較小等優(yōu)點(diǎn)。雖然目前超級電容還存在一些不足，如價(jià)格成本也較高，但隨著技術(shù)發(fā)展的完善，制造成本的降低，其應(yīng)用將會更為廣泛。目前超級電容主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、城市軌道交通以及軍事等領(lǐng)域[8-9]。

本實(shí)驗(yàn)選用MaxWell 16V 58F超級電容器，實(shí)物圖如圖2所示，其性能穩(wěn)定，具有較好的安全性，可以確保實(shí)驗(yàn)操作的安全可行，避免實(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生。

1.3 蓄電池

使用電池儲能仍是目前最常見的儲能技術(shù)之一，且隨著新能源汽車尤其是電動(dòng)汽車的發(fā)展應(yīng)用，電池在汽車上的作用也顯得愈發(fā)重要，電池性能已然成為衡量電動(dòng)汽車的重要指標(biāo)之一。當(dāng)下常見的電池類型主要有：鋰離子電池、鎳氫電池以及鉛酸電池等。綜合比對來看，鋰離子電池的綜合性能較強(qiáng)，但其再循環(huán)能力相對較弱，鎳氫電池安全性能較好，而鉛酸電池的循環(huán)能力較強(qiáng)[10]。考慮到本實(shí)驗(yàn)平臺的使用強(qiáng)度大，電池充放電頻率高，故選用循環(huán)能力較強(qiáng)的鉛酸電池以及綜合能力較強(qiáng)的鋰離子電池作為實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行使用。

1.4 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種控制類電機(jī)，又被稱為脈沖電機(jī)，其受電脈沖控制轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格相對較低、維修方便，且具有定位精度高、動(dòng)態(tài)力矩大、優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)、調(diào)速范圍較大等優(yōu)點(diǎn)[11]。而且步進(jìn)電機(jī)可以通過相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，無需反饋信號，其操作控制相對簡單，所以本實(shí)驗(yàn)平臺選用步進(jìn)電機(jī)，便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

1.5 其他部分

該綜合實(shí)驗(yàn)平臺除上述硬件器材外還使用到數(shù)字萬用表、示波器、霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器以及LED或LCD顯示裝置等硬件裝置;以及Matlab和CCS等仿真軟件部分。

2? 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 基于DSP開發(fā)系統(tǒng)的I/O信號和PWM信號輸出實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)為綜合實(shí)驗(yàn)當(dāng)中較為簡單的一項(xiàng)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)以及熟悉各種設(shè)備和系統(tǒng)的工作原理和操作之后，分小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，配置TMS320F2812的I/O引腳，觀察LED燈的變化效果;調(diào)試TMS320F2812的PWM程序，通過示波器觀察PWM信號波形;學(xué)生可以嘗試改變DSP的控制參數(shù)，觀察PWM波形有何不同。

學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)TMS320F2812的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及指令系統(tǒng)，使實(shí)驗(yàn)者能夠規(guī)范地對該型號的DSP進(jìn)行簡單編程，了解TMS320F2812的PWM模塊的工作原理，掌握PWM信號的編程和輸出方法，實(shí)驗(yàn)過程中體驗(yàn)汽車電控系統(tǒng)的執(zhí)行器控制、監(jiān)控和故障診斷的重要性和開發(fā)的基本思路，并使實(shí)驗(yàn)者能夠規(guī)范地搭建整個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，借此培養(yǎng)良好的工程操作素質(zhì)。

2.2? LCD顯示實(shí)驗(yàn)

通過運(yùn)用CCS3.3軟件，將仿真器與電腦和F2812開發(fā)板連接;連接目標(biāo)板;完成準(zhǔn)備工作后學(xué)生打開事先自行準(zhǔn)備好的LCD顯示程序;運(yùn)行程序，觀察LCD所顯示的內(nèi)容。嘗試改變DSP控制參數(shù)，觀察能否順利顯示所要求的內(nèi)容。

通過本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)TI（Texas Instruments）公司提供的CCS（Code Composer Studio）集成化開發(fā)環(huán)境的使用，完成對TMS320F2812的在線調(diào)試;了解LCD12864顯示的控制原理，掌握LCD12864的編程方法。

2.3 車用傳感器檢測實(shí)驗(yàn)

用示波器觀察電流傳感器和電壓傳感器輸出信號模擬量變化情況。任意選擇電流傳感器或者電壓傳感器輸出信號中的一個(gè)，用導(dǎo)線連接電路，讓電源給其供電，改變輸入電流或電壓的大小，用示波器觀測其輸出信號，了解傳感器輸入和輸出之間對應(yīng)關(guān)系。打開CCS3.3軟件，將仿真器與電腦和F2812開發(fā)板連接，連接目標(biāo)板，打開AD采樣程序，運(yùn)行程序。若在程序中合適位置設(shè)置斷點(diǎn)，就可以讀取到當(dāng)前的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，同時(shí)結(jié)合示波器讀取傳感器電壓，可以此判斷AD結(jié)果是否準(zhǔn)確合理。

通過本實(shí)驗(yàn)掌握汽車電子系統(tǒng)中重要模擬量的測量過程，了解電流傳感器、電壓傳感器等模擬量傳感器的結(jié)構(gòu)和基本原理;了解TMS320F2812的AD模塊的工作原理，掌握TMS320F2812控制AD采樣的方法。

2.4 超級電容器與蓄電池充放電實(shí)驗(yàn)

按照蓄電池和超級電容器的使用要求，使用專用充電器對其進(jìn)行充電，充電時(shí)用示波器分別觀察蓄電池和超級電容器的充電曲線。實(shí)驗(yàn)升壓電路如圖3所示，根據(jù)電路圖搭建整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將蓄電池和超級電容器并聯(lián)的混合電源接入到實(shí)驗(yàn)電路中，仔細(xì)檢查電路連接無誤后，通過DSP控制升壓電路對混合電源放電，用示波器分別觀察蓄電池和超級電容器的放電曲線。

通過本次實(shí)驗(yàn)了解蓄電池和超級電容器并聯(lián)電源系統(tǒng)，掌握蓄電池和超級電容器的充放電方法，掌握超級電容器的充放電特性。通過實(shí)驗(yàn)操作，提高實(shí)驗(yàn)者動(dòng)手能力，加深理論知識理解。

2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

開展本實(shí)驗(yàn)前學(xué)生可分組確定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)原理圖和布線圖，并提交指導(dǎo)老師批示完善，確保布線合理可行。學(xué)習(xí)電路板焊接注意事項(xiàng)，調(diào)試焊接電路板，完成電路的最終制作;進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，選擇合適的驅(qū)動(dòng)信號來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)的不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度、不同轉(zhuǎn)動(dòng)速度、不同旋轉(zhuǎn)方向的控制;用示波器測量步進(jìn)電機(jī)的相電流，理解和掌握電流反饋和相電流過流保護(hù)的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)圖如圖4所示。

通過本次操作實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法，掌握步進(jìn)電機(jī)半橋和全橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的基本方法和電路參數(shù)匹配的設(shè)計(jì)。

3? 結(jié)語

本文結(jié)合《汽車電子控制技術(shù)》課程當(dāng)中的實(shí)踐應(yīng)用問題，根據(jù)課程要求以及“卓越工程師”計(jì)劃培養(yǎng)方案，搭建了汽車電子控制綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，圍繞該實(shí)驗(yàn)平臺可開展一系列汽車電子控制實(shí)驗(yàn)，如基于DSP開發(fā)系統(tǒng)的I/O信號和PWM信號輸出實(shí)驗(yàn);LCD顯示實(shí)驗(yàn);車用傳感器檢測實(shí)驗(yàn);超級電容器與蓄電池充放電實(shí)驗(yàn);以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)等。該實(shí)驗(yàn)平臺目前已成功運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，學(xué)生利用該實(shí)驗(yàn)平臺完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高自身動(dòng)手能力與知識運(yùn)用能力，目前已取得較為理想的的教學(xué)效果。

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