基于藍(lán)牙的電控懸架遠(yuǎn)程調(diào)試控制器開發(fā)

陳 斌，李軍偉，張世龍，張廣世，李 凱，岳 涵

（1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.天潤(rùn)智能控制系統(tǒng)集成有限公司，山東 文登 264413）

0 引言

電控懸架又稱電子控制空氣懸架（簡(jiǎn)稱ECAS）是汽車懸架系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一，相比于傳統(tǒng)懸架，電控懸架能夠按照車身當(dāng)前的高度、輪胎的轉(zhuǎn)向角度及速率、踏板的制動(dòng)等參數(shù)，由懸架的ECU 控制懸架的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變空氣懸架的剛度、減振器的阻尼力及車身高度等參數(shù)，從而使汽車具有良好的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性以及通過(guò)性[1-2]。隨著其電控化的程度越來(lái)越高，目前很多高檔的乘用車、商用車都廣泛采用電子控制空氣懸架[3-5]。為了使用戶能夠更方便、舒適的調(diào)節(jié)空氣懸架，本文設(shè)計(jì)一種基于藍(lán)牙的遠(yuǎn)程控制電控懸架的控制器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)使用飛思卡爾的MC9S08DZ60 單片機(jī)作為主控芯片，HC-05 模塊作為藍(lán)牙收發(fā)模塊，此外，還有電源模塊、CAN 通信模塊。

藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器通過(guò)藍(lán)牙鏈路接收來(lái)自手機(jī)APP/ 車載藍(lán)牙的指令信息，然后內(nèi)部的HC-05 藍(lán)牙模塊將指令信息通過(guò)SCI 發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收指令后，解析指令，提取關(guān)鍵信息打包成CAN 報(bào)文，通過(guò)CAN 總線發(fā)送給電控懸架ECU，電控懸架ECU 根據(jù)接收到的CAN 報(bào)文執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MC9S08DZ60單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了降低系統(tǒng)的功耗和成本，選用8 位低價(jià)位、高性價(jià)比的MC9S08DZ60 芯片作為控制芯片，該芯片具有最高達(dá)40 MHz 的CPU 工作頻率，內(nèi)含32 個(gè)中斷/復(fù)位源，4 K 的片內(nèi)RAM，60 KB 的片內(nèi)在線可編程Flash 存儲(chǔ)器[6]。單片機(jī)內(nèi)部還搭載MSCAN（CAN 通信模塊）、SCI（串口通信模塊）、TPM（定時(shí)器模塊）等功能，滿足該系統(tǒng)的需求。電路圖如圖2 所示。

圖2 DZ60 最小系統(tǒng)

DZ60 最小系統(tǒng)是指單片機(jī)能夠穩(wěn)定工作最簡(jiǎn)潔的電路。該電路由DZ60 單片機(jī)、晶振電路和下載調(diào)試接口電路組成。晶振電路給單片機(jī)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源，下載調(diào)試電路通過(guò)仿真器與PC 相連，方便開發(fā)過(guò)程為主控芯片下載、擦除程序。

2.2 HC-05藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

HC-05 是CSR 主流藍(lán)牙芯片，它是一款功能齊全、能耗低、價(jià)格便宜的藍(lán)牙串口模塊，是基于藍(lán)牙規(guī)范 V2.0 帶有增強(qiáng)速率的數(shù)傳模塊，該串口模塊工作電壓為3.3 V，可設(shè)置的波特率范圍高達(dá)4 800～1 382 400 bit/s，藍(lán)牙的工作頻率為 2.4 GHz，可實(shí)現(xiàn)10 m 距離通信，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)場(chǎng)地不同會(huì)有所增加[7-11]。

HC-05 模塊在藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器中直接與主控芯片進(jìn)行連接，它是作為藍(lán)牙APP 與主控芯片之間的數(shù)據(jù)通信橋梁，不僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收，也充當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送的角色。作為接收端時(shí)，負(fù)責(zé)接收用戶通過(guò)APP 發(fā)送的指令；作為發(fā)送端時(shí)，負(fù)責(zé)將電控懸架各種狀態(tài)信息反饋給APP。HC-05 模塊與主控芯片進(jìn)行連接時(shí)，主要是將HC-05 模塊的串口發(fā)送端和接收端與單片機(jī)的串口接收端和發(fā)送端分別連接，其電路原理圖如圖3 所示。

圖3 HC-05 電路原理圖

HC-05 模塊可以直接通過(guò)串口來(lái)進(jìn)行控制并且串口電壓要求為3.3 V，如果直接用單片機(jī)自帶的串口（輸出5 V）與藍(lán)牙模塊串口連接可能會(huì)因?yàn)殡妷哼^(guò)高燒毀芯片，因此，需要加一個(gè)轉(zhuǎn)化電路（如圖3 下半部分電路所示），圖中NLSX4373 芯片是一款雙電源雙向自動(dòng)感應(yīng)轉(zhuǎn)換器，VCC 的I/O 和VL 的I/O 端口分別分別接入5.0 V 和3.3 V 電源輸入，可實(shí)現(xiàn)5.0 V 與3.3 V 之間相互轉(zhuǎn)換。HC-05 模塊電路圖對(duì)應(yīng)的引腳說(shuō)明如表1 所示。

表1 HC-05模塊引腳說(shuō)明

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

考慮到該控制器應(yīng)用于車輛上，車載蓄電池的電壓一般為12 V 或24 V，而單片機(jī)芯片供電電壓要求為5 V，HC-05 藍(lán)牙模塊供電電壓要求為3.3 V。因此，需要設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換電路以滿足各模塊工作電壓的需要。具體的電源電路如圖4 所示。

圖4 電源供電電路

圖中上半部分為車載蓄電池為藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器提供12 V/24 V 的輸入電源，通過(guò)降壓芯片將其轉(zhuǎn)化為5 V 供主控芯片及其他模塊使用。該電路選用的降壓芯片為TPS5430，該芯片支持的輸入電壓范圍為5.5～36.0 V，能夠在-40～125℃的環(huán)境溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。此外，芯片內(nèi)部還具有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流限制以及熱關(guān)斷保護(hù)功能，以保證電源電路運(yùn)行過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性。

圖中下半部分為5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 降壓電路，負(fù)責(zé)給藍(lán)牙模塊供電。選用的降壓芯片是LD1117,該芯片輸入端電壓最大可達(dá)16 V，能夠穩(wěn)定輸出3.3 V 電壓，輸出電壓精度可控制在1%范圍內(nèi)，可有效保證對(duì)HC-05 模塊提供穩(wěn)定的電源輸入。

2.4 CAN通信電路

CAN 收發(fā)器在CAN 通信網(wǎng)絡(luò)中起到信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用，一方面將來(lái)自單片機(jī)FlexCAN 模塊輸出的TTL 信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)傳輸?shù)紺AN 總線上，另一方面將來(lái)自CAN 總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為FlexCAN模塊能夠接收的TTL 信號(hào)[12]。

本文選用的收發(fā)器為Infineon 公司5 V 版本的TLE6250，該芯片的通信波特率可以達(dá)到1 Mbps，并且還帶有只聽模式和低功耗待機(jī)模式，可以滿足本設(shè)計(jì)的使用需求。

共模濾波器ACT45B 是為了提高CAN 通信的穩(wěn)定而選取的元件?？梢韵娐分杏捎诰€路阻抗不平衡所引起的共模干擾信號(hào)。在CAN 高、CAN 低與GND 之間分別接入20 pF 的電容，能夠很好的過(guò)濾掉CAN 總線上高頻信號(hào)的干擾，并且還可以防止電磁輻射對(duì)電路造成影響。由于阻抗匹配的需要，提高CAN 總線的驅(qū)動(dòng)能力，加上2 個(gè)各為60 Ω 的終端電阻。圖5 為CAN 通信電路原理圖。

圖5 CAN 通信電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件流程設(shè)計(jì)首先是系統(tǒng)初始化，然后主機(jī)設(shè)備（手機(jī)APP 或車載藍(lán)牙）開始自動(dòng)掃描其他藍(lán)牙設(shè)備，當(dāng)掃描到藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器時(shí)，發(fā)送配對(duì)碼進(jìn)行配對(duì)，只有配對(duì)碼一致時(shí)才能實(shí)現(xiàn)連接。完成配對(duì)后，說(shuō)明主機(jī)設(shè)備已經(jīng)與藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器建立連接，下一步需要藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器與懸架ECU 建立連接。

此時(shí)，需要APP 向藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器發(fā)送連接指令，藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器解析收到的連接指令，將其打包成CAN 報(bào)文，通過(guò)CAN 總線發(fā)送給懸架ECU，懸架ECU 接收CAN 報(bào)文后進(jìn)行相應(yīng)的連接配置，隨后通過(guò)CAN 總線返回連接狀態(tài)，藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器讀取CAN 報(bào)文信息，并將連接狀態(tài)通過(guò)藍(lán)牙模塊返回給APP。若連接失敗則需要重新發(fā)送連接指令，連接成功后，用戶可進(jìn)行下一步操作，根據(jù)需求發(fā)送相應(yīng)的調(diào)節(jié)懸架的指令，懸架接收到指令后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作并且實(shí)時(shí)返回懸架狀態(tài)信息，用戶可通過(guò)懸架狀態(tài)信息繼續(xù)調(diào)整，直到調(diào)到合適位置為止。

當(dāng)調(diào)整結(jié)束，不需要進(jìn)一步調(diào)整時(shí)，APP 發(fā)送斷開連接指令，藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器與懸架ECU 斷開連接，再發(fā)送其他操作指令（連接指令除外）也將視為無(wú)效。若斷開連接后仍然需要調(diào)整懸架，此時(shí)只需要重新發(fā)送連接指令，然后再發(fā)送具體的調(diào)整指令即可。本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件流程圖

4 藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器功能測(cè)試

為了確保整個(gè)系統(tǒng)和模塊的正確性與可靠性，對(duì)設(shè)計(jì)的藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器的功能完整性進(jìn)行測(cè)試，搭建了如圖7 所示未上車前的功能測(cè)試硬件平臺(tái)，手機(jī)APP 通過(guò)藍(lán)牙與藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器（位于圖7 中央的黑色板）連接，藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器與懸架ECU（位于圖7 左側(cè)的綠色板）通過(guò)CAN雙絞線連接，此外還將CAN 卡（位于圖7 上方）接入CAN 總線上。圖8 為CAN 卡觀察CAN 報(bào)文收發(fā)界面。

圖8 CAN 卡觀測(cè)界面

首先對(duì)硬件電路進(jìn)行測(cè)試，檢查各模塊是否連接正確，藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器、懸架ECU 供電是否正常。

隨后對(duì)軟件代碼進(jìn)行測(cè)試，手機(jī)APP 按流程圖先與藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器完成配對(duì)，然后發(fā)送連接指令（如圖7 中手機(jī)通信框第一行所示，連接指令為55010255AAAA0D0A），此時(shí)可在CAN 卡觀察藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器與懸架ECU 之間通信的CAN 報(bào)文（圖8 中幀ID 為550 的報(bào)文是藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器發(fā)給懸架ECU 的報(bào)文，其第一個(gè)字節(jié)的最高位置1表明發(fā)送了建立連接的請(qǐng)求），再通過(guò)手機(jī)APP 界面返回值觀察藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器返回的懸架連接狀態(tài)（圖7 中手機(jī)通信框第二行所示為懸架ECU 返回的消息—AA01020200AF 0D0A，其中第7 個(gè)數(shù)和第8個(gè)數(shù)組合代表連接狀態(tài)，01 代表連接失敗，02 代表連接成功），成功建立連接后，再逐一發(fā)送其他的操作指令，觀察CAN 卡上和手機(jī)APP 上的信息是否正確，經(jīng)測(cè)試所有指令均能成功執(zhí)行。

在完成上述平臺(tái)測(cè)試后又進(jìn)行了上車測(cè)試，如圖9 所示。上車后又將所有指令再次測(cè)試，其中前后橋高度上升、下降指令的測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。

圖9 實(shí)車測(cè)試

圖10 懸架高度指令測(cè)試

由圖10 可得，在系統(tǒng)建立連接后，手機(jī)APP 通過(guò)藍(lán)牙向懸架ECU 分別發(fā)送了10 組不同的前橋懸架高度值和后橋懸架高度值，懸架接收指令后進(jìn)行動(dòng)作，前后橋?qū)嶋H高度值曲線一直在設(shè)定高度值曲線附近，誤差在1～3 mm 左右，在懸架控制策略允許的精度范圍以內(nèi)。

經(jīng)過(guò)上述所有測(cè)試，所設(shè)計(jì)的藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)試控制器能夠達(dá)到使用戶通過(guò)藍(lán)牙遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)電控懸架的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于藍(lán)牙的電控懸架遠(yuǎn)程調(diào)試控制器，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。無(wú)線模塊的應(yīng)用使得用戶可以遠(yuǎn)程控制電控懸架，按照不同的舒適性對(duì)懸架進(jìn)行調(diào)整，可以極大的增加乘坐的舒適性。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)工作可靠，功能完善，滿足控制需求。