基于STM32的汽車線束故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張婉茹，陳厚軍，聶 燕，劉蘇蘇,3，張 平

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019；2.中天智能裝備有限公司，江蘇南通 226009;3.南通棉花機(jī)械有限公司，江蘇南通 226002；4.南通友星線束有限公司，江蘇南通 226010)

0 引言

汽車線束是汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞信號(hào)的載體，線束的安全可靠是汽車正常行駛的保障。隨著人們對(duì)汽車安全性能的要求不斷增加，汽車線束也更加復(fù)雜，給線束故障檢測(cè)帶來了困難。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法利用萬用表等工具采用逐點(diǎn)搭接的方式來判斷線束的通斷，該方法速度慢、檢測(cè)效率低、智能化水平低且容易造成線束的錯(cuò)檢和漏檢[1]。

國內(nèi)有關(guān)線束的故障檢測(cè)與診斷技術(shù)正處于起步階段，存在檢測(cè)數(shù)量受限制等問題。S. Y. Jiang等以S3C44B0微處理器為核心設(shè)計(jì)了線束檢測(cè)的硬件電路[2]。盛碧云等分析了任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)線束的故障模型，并運(yùn)用矩陣降價(jià)處理和矩陣異或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了故障分析[3]，此方法減少內(nèi)存消耗，縮短了檢測(cè)時(shí)間。W. D. Feng等基于LabVIEW編程語言開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)更加靈活[4]。G. H. Bao等提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)通信的新型系統(tǒng),用于飛機(jī)線束導(dǎo)通試驗(yàn)[5]。

國外已經(jīng)出現(xiàn)了較專業(yè)化、自動(dòng)化的線束檢測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確性高但成本高。因此。本文針對(duì)國內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)了一套基于STM32的汽車線束故障檢測(cè)系統(tǒng)。

1 線束故障診斷的理論基礎(chǔ)

1.1 線束故障模型

圖1 線束故障模型圖

1.2 系統(tǒng)檢測(cè)原理

線束檢測(cè)的基本原理是將檢測(cè)到的線束狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為矩陣模型再進(jìn)行線束故障的診斷分析?；诖嗽砜纱_立線束檢測(cè)的基本步驟：

(1)將線束設(shè)計(jì)圖紙中的線號(hào)連接信息解析處理后存儲(chǔ)到設(shè)計(jì)矩陣中。

(2)系統(tǒng)主板向各個(gè)單元板發(fā)送檢測(cè)命令，檢測(cè)由n×64(n為單元板個(gè)數(shù))個(gè)引腳所組成的點(diǎn)陣，觀察其信號(hào)信息。

(3)單元板依次選擇1個(gè)引腳X給其施加一定電壓，對(duì)剩余的n×64-1個(gè)引腳循環(huán)掃描讀取其電壓變化情況。若存在m個(gè)引腳的電壓隨X點(diǎn)的電壓變化而變化，則這m個(gè)引腳與X點(diǎn)存在導(dǎo)通關(guān)系，該狀態(tài)記為“1”；剩余的n×64-m-1個(gè)引腳電壓未發(fā)生變化，則這些點(diǎn)與X點(diǎn)不存在導(dǎo)通關(guān)系，該狀態(tài)記“0”。

(4)將狀態(tài)信號(hào){0,1}轉(zhuǎn)化為檢測(cè)矩陣的數(shù)字信息，將其與設(shè)計(jì)矩陣進(jìn)行運(yùn)算進(jìn)而得到判斷矩陣，即可判斷出線束是否有斷路、短路等故障發(fā)生。

1.3 線束故障檢測(cè)矩陣

基于線束故障檢測(cè)原理建立的3種類型的矩陣分別為設(shè)計(jì)矩陣Ai×j、檢測(cè)矩陣Bi×j和判斷矩陣Ci×j。其中，Ai×j存儲(chǔ)線束正確連接信息；Bi×j存儲(chǔ)檢測(cè)時(shí)的狀態(tài)信息；Ci×j存儲(chǔ)線束故障信息。3種矩陣的運(yùn)算關(guān)系如式(1)所示。

Ci×j=Ai×j-Bi×j

(1)

設(shè)檢測(cè)含有5個(gè)點(diǎn)位的護(hù)套的線束連接情況，5個(gè)點(diǎn)位分別記為1、2、3、4、5。其中，1號(hào)點(diǎn)與2號(hào)點(diǎn)存在導(dǎo)通關(guān)系，3號(hào)點(diǎn)與4號(hào)點(diǎn)存在導(dǎo)通關(guān)系，共兩條線束。檢測(cè)系統(tǒng)的3種矩陣如圖2所示。

圖2 三類型矩陣

首先，根據(jù)導(dǎo)通關(guān)系可得5×5的設(shè)計(jì)矩陣A5×5，如圖2(a)所示。設(shè)計(jì)矩陣中，“1”代表點(diǎn)與點(diǎn)之間存在導(dǎo)通關(guān)系，“0”代表不存在導(dǎo)通關(guān)系。故由假設(shè)條件可知，記A12與A21為“1”，A34與A43為“1”；而5個(gè)引腳自導(dǎo)，也將A11、A22、A33、A44與A55記作“1”。

接著，在檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)1號(hào)點(diǎn)與5號(hào)點(diǎn)存在導(dǎo)通關(guān)系，3號(hào)點(diǎn)與4號(hào)點(diǎn)存在導(dǎo)通關(guān)系。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)過程中的線束檢測(cè)狀態(tài)可編寫5×5的檢測(cè)矩陣B5×5，如圖2(b)所示。

最后，根據(jù)式(1)運(yùn)算處理得到判斷矩陣C5×5，如圖2(c)所示。該判斷矩陣中的“1”代表斷路故障，“-1”表示短路故障。在此矩陣中，C12與C21為“1”，即1號(hào)點(diǎn)與2號(hào)點(diǎn)發(fā)生斷路故障；C51與C15為“-1”，即1號(hào)點(diǎn)與5號(hào)點(diǎn)發(fā)生短路故障。線束故障矩陣是檢測(cè)系統(tǒng)的核心，矩陣的建立也為檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖3所示。汽車線束故障診斷系統(tǒng)主要由上位機(jī)軟件、下位機(jī)硬件、串口通信模塊和被測(cè)線束4個(gè)部分組成。上位機(jī)通過串口將檢測(cè)命令下發(fā)至下位機(jī)，下位機(jī)的主板中的STM32通過解析串口命令，向單元板發(fā)送不同的檢測(cè)脈沖波形。單元板執(zhí)行板卡自檢、導(dǎo)通檢測(cè)、電壓檢測(cè)等相應(yīng)的檢測(cè)命令，并將檢測(cè)結(jié)果按照相應(yīng)協(xié)議通過RS-485總線[6]反饋到主板中，主板再將檢測(cè)結(jié)果送至上位機(jī)中。上位機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)變換和運(yùn)算，在界面上實(shí)時(shí)顯示診斷結(jié)果，并將顯示故障信息打印，進(jìn)而定位到故障線束。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)檢測(cè)流程

線束檢測(cè)系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。上位機(jī)打開串口和檢測(cè)線程，串口通信的波特率為115 200 kbit/s[7]。使用條碼槍掃描被測(cè)線束條形碼，若與上位機(jī)預(yù)設(shè)線束條形碼一致，則向下位機(jī)發(fā)送檢測(cè)命令。下位機(jī)的檢測(cè)分為兩個(gè)部分，分別是板卡硬件自檢和線束檢測(cè)。板卡硬件自檢是為了獲取單元板的數(shù)量和單元板是否都被上電進(jìn)而為線束檢測(cè)做準(zhǔn)備；線束檢測(cè)則是為了獲取線束的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。主板將采集的檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，由上位機(jī)轉(zhuǎn)換后形成檢測(cè)矩陣，并通過式(1)的矩陣運(yùn)算進(jìn)行線束檢測(cè)。上位機(jī)通過操作具有自描述功能的XML文件[8]，將XML文件與圖形化編程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了線束的可視化動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

圖4 檢測(cè)流程圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件電路總體框架

汽車線束檢測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)的硬件電路主要由電源電路、串口電路、STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)[9]、檢測(cè)電路、串/并口轉(zhuǎn)換電路和并/串口轉(zhuǎn)換電路、電壓檢測(cè)電路和多路模擬開關(guān)電路組成，硬件電路總體框架圖如圖5所示。

圖5 硬件電路總體框架圖

主板中STM32向單元板發(fā)送“點(diǎn)名”指令，單元板控制74HC595串口/并口電路對(duì)通斷檢測(cè)電路施加不同的檢測(cè)信號(hào)，并將檢測(cè)結(jié)果通過74HC165并口/串口電路返回至單元板中，進(jìn)而單元板對(duì)主板“應(yīng)答”，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。多路模擬開關(guān)電路中的通道電路均有不同阻值的電阻，實(shí)現(xiàn)了多種電壓測(cè)量范圍的電阻測(cè)量。

3.2 線束故障檢測(cè)電路

硬件電路中最核心的部分是通斷檢測(cè)電路。單元板的STM32對(duì)主板命令進(jìn)行解析，通過8個(gè)級(jí)聯(lián)的HC595芯片將高低電平施加至MOS管的柵極中，被檢測(cè)線束連接至輸出點(diǎn)OUT，8個(gè)級(jí)聯(lián)的HC165芯片將檢測(cè)點(diǎn)OUT的高低電平反饋到STM32中，進(jìn)而完成對(duì)線束的檢測(cè)電壓采集，線束故障檢測(cè)電路圖如圖6所示。

圖6 線束故障檢測(cè)電路

CTRH0、CTRH1…對(duì)MOS管進(jìn)行高端控制，CTRL0、CTRL1…對(duì)MOS管進(jìn)行低端控制，OUT0…OUT63為電平檢測(cè)點(diǎn)，故一塊單元板可檢測(cè)64個(gè)點(diǎn)。若有一被檢測(cè)線束兩端連接在OUT0和OUT63兩點(diǎn)，故檢測(cè)時(shí)對(duì)OUT0的MOS管的高端驅(qū)動(dòng)輸入高電平，其他輸出點(diǎn)的MOS管的高端驅(qū)動(dòng)輸入低電平，對(duì)MOS管的低端驅(qū)動(dòng)始終輸入低電平。由電路原理可知，OUT0輸出高電壓，若線束導(dǎo)通，則OUT63輸出高電壓，反之，輸出低電壓。理論上，由于單元板個(gè)數(shù)不受限制，故檢測(cè)線束的點(diǎn)數(shù)亦不受限制，但經(jīng)實(shí)測(cè)，檢測(cè)的線束過多時(shí)，檢測(cè)的速度也相應(yīng)降低。

3.3 電壓比較電路

系統(tǒng)的診斷原理是將{0,1}信號(hào)上傳至上位機(jī)進(jìn)行檢測(cè)運(yùn)算，故需將檢測(cè)的電壓轉(zhuǎn)化為邏輯電平，電壓比較電路如圖7所示。

圖7 電壓比較電路

本文設(shè)計(jì)的電壓比較電路利用雙路電壓比較器LM319比較兩輸入電壓[10]，進(jìn)而輸出邏輯電平。由D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC7512輸出的模擬電壓為L(zhǎng)M319的基準(zhǔn)電壓，待測(cè)電壓接LM319的“-”輸入端。由于LM319是OC(集電極開路)輸出，故接10 kΩ的上拉電阻保證高電平輸出。

3.4 多路模擬開關(guān)電路

為了適應(yīng)被測(cè)線束電阻在不同量程范圍內(nèi)變化，系統(tǒng)選擇74HCF4051和干簧繼電器組成多路模擬開關(guān)電路[11]實(shí)現(xiàn)不同電阻阻值的自動(dòng)切換。STM32通過改變A、B和C 3個(gè)通道的信號(hào)值來控制X0～X7通道任一通道被接通，連接在此通道的干簧繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)不同電阻的切換。多路模擬開關(guān)電路圖如圖8所示。

圖8 多路模擬開關(guān)電路

4 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

對(duì)于本文研究的線束檢測(cè)系統(tǒng)，研究它的速度和準(zhǔn)確率是非常有必要的。為此，系統(tǒng)搭建了由工控機(jī)、銀信檢測(cè)臺(tái)、RF10安全氣囊線束和檢測(cè)機(jī)箱組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖

單個(gè)檢測(cè)機(jī)箱由1塊主板、10塊單元板以及1塊底板組成。主板上分別有機(jī)箱轉(zhuǎn)接插槽、串口插槽和電源插槽。機(jī)箱轉(zhuǎn)接插槽將多個(gè)機(jī)箱相連，可擴(kuò)展被檢測(cè)線束的數(shù)量；串口插槽則負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。而被測(cè)線束則通過單元板的線束插槽與單元板的通斷檢測(cè)電路相連。

被測(cè)對(duì)象RF10安全氣囊線束由7個(gè)護(hù)套組成，共產(chǎn)生 23條導(dǎo)通關(guān)系。為了檢測(cè)此安全氣囊線束是否存在故障，首先，要為線束設(shè)計(jì)護(hù)套模塊，為每個(gè)端口添加PIN點(diǎn)物理地址和線號(hào)名等信息，如圖10(a)所示；接著，根據(jù)設(shè)計(jì)矩陣生成帶有導(dǎo)通關(guān)系的測(cè)試臺(tái)文件，即將線束的導(dǎo)通關(guān)系添加至預(yù)先設(shè)計(jì)的線束模塊中，護(hù)套間的連線即是被測(cè)線束；最后將生成的測(cè)試臺(tái)文件導(dǎo)入到線束檢測(cè)界面，即可檢測(cè)此線束的通路、斷路和短路等信息，如圖10(b)所示。

圖10 上位機(jī)系統(tǒng)界面

汽車線束檢測(cè)系統(tǒng)投入試行后，實(shí)現(xiàn)了64 h工作無故障記錄，線束檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)量結(jié)果表明，線束測(cè)量點(diǎn)數(shù)在3 000個(gè)點(diǎn)以內(nèi)，檢測(cè)速度約為0.6 ms/點(diǎn)，準(zhǔn)確率為100%，不會(huì)出現(xiàn)丟失測(cè)量點(diǎn)的現(xiàn)象；當(dāng)測(cè)試點(diǎn)數(shù)量大于3 000個(gè)點(diǎn)時(shí)，測(cè)試速度降低為0.65 ms/點(diǎn)且會(huì)丟失4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，準(zhǔn)確率降低至99.89%。故本文設(shè)計(jì)的診斷系統(tǒng)適合檢測(cè)測(cè)量點(diǎn)在3 000個(gè)點(diǎn)以內(nèi)的汽車線束。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32的汽車線束故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了線束檢測(cè)信息的采集、上傳、處理，且系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)箱的可擴(kuò)展性使線束的檢測(cè)數(shù)量得以擴(kuò)充。此外，上位機(jī)通過觀測(cè)圖形界面上線束顏色的變化進(jìn)而判斷該線束的合格與否形象直觀，對(duì)故障信息的打印可直接定位至故障線束，顯著提高了工作效率。

表1 線束檢測(cè)數(shù)據(jù)表