基于STM32 單片機(jī)的車輛狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王宏，胡可狄，王昆，李帥

（北京航天新立科技有限公司，北京，100039）

0 引言

車輛總裝是車輛生產(chǎn)制造工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，總裝調(diào)試過(guò)程中，液壓油溫濕度過(guò)高、液壓支腿不穩(wěn)定以及車尾信號(hào)通路反復(fù)測(cè)試嚴(yán)重影響車輛測(cè)試效率與質(zhì)量，為了避免車輛頻繁起豎尤其夏季作業(yè)環(huán)境高使車輛液壓油溫過(guò)高導(dǎo)致液壓系統(tǒng)密封件老化加速或漏油，避免車輛底盤懸架系統(tǒng)不穩(wěn)定、液壓系統(tǒng)溫度高造成車輛調(diào)平高度不滿足起豎要求等情況發(fā)生，某車輛總裝測(cè)試目前采取點(diǎn)溫槍人工測(cè)量油溫以及肉眼經(jīng)驗(yàn)判定支腿調(diào)平狀態(tài)方法，此種方式測(cè)量流程繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)，需要人員頻繁上下車或進(jìn)行多人配合作業(yè)，另外操作過(guò)程中，測(cè)試員需反復(fù)到達(dá)車尾應(yīng)用萬(wàn)用表手動(dòng)檢查指定信號(hào)通路狀態(tài)，測(cè)試安全性、質(zhì)量、效率嚴(yán)重受到制約。隨著車輛裝配技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為了提高車輛測(cè)試便捷性及效率，研制車輛狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)采集、顯示、報(bào)警系統(tǒng)是一個(gè)必然趨勢(shì)。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種車輛參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為控制核心，應(yīng)用PT100 經(jīng)溫度變送器實(shí)現(xiàn)溫度采集，應(yīng)用激光測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)高度信息采集，采集數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)485 總線有線傳輸，顯示終端可實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)狀態(tài)及報(bào)警提示，可極大提升車輛總裝調(diào)試效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

車輛狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)主要由STM32F103 單片機(jī)控制模塊、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、高度數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)模塊以及顯示模塊5 個(gè)部分組成，其中溫度數(shù)據(jù)采集模塊、高度數(shù)據(jù)采集模塊單獨(dú)供電。在系統(tǒng)工作過(guò)程中，各數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)采集，溫度、高度、信號(hào)狀態(tài)信息通過(guò)485 通信傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)作為程序控制單元，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、處理后，傳輸至顯示模塊顯示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控電路

系統(tǒng)選擇STM32 單片機(jī)作為車輛狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的主控中心，以滿足系統(tǒng)整體高性能、低功耗的應(yīng)用需求。本文選用意法半導(dǎo)體基于ARM 的32 位STM32F103ZET6 芯片，利用該芯片端口實(shí)現(xiàn)通訊、顯示、輸入輸出及存儲(chǔ)功能，該芯片提供了工作頻率為72 MHz 的Cortex-M3 內(nèi)核的性能，可在-40℃~+85 ℃的溫度范圍內(nèi)工作，工作電壓為2.0~3.6 V。

主控電路硬件設(shè)計(jì)如圖2 所示。USART1 連接高度采集模塊，USART2 連接系統(tǒng)顯示模塊，UASRT3 連接溫度采集模塊，主控芯片PA0、PA1、PC0-PC4 引腳連接信號(hào)測(cè)試模塊。其中USART1、UASRT3 應(yīng)用RS485 通信，硬件接口的硬件電路如圖3 所示。應(yīng)用中，溫度、高度數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集，分別傳輸至單片機(jī)主控芯片，主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示屏進(jìn)行顯示；進(jìn)行信號(hào)通路測(cè)試時(shí)，主控芯片發(fā)送控制信號(hào)，控制狀態(tài)指示燈亮滅，并接收狀態(tài)開(kāi)光量輸入信號(hào)傳輸至顯示屏顯示。

圖2 主控電路圖

圖3 RS485 接口的硬件電路圖

■2.2 溫度數(shù)據(jù)采集模塊

溫度數(shù)據(jù)采集選用磁性吸附式熱電阻PT100 溫度傳感器，此傳感器芯片抗干擾、抗振動(dòng)，溫度量程為-60℃~180℃，傳感器探頭帶有磁性，尺寸為20mm×25mm，吸附于車輛油箱表面，測(cè)量范圍大、響應(yīng)速度快、精度高、安裝方便。

PT100 溫度傳感器采集電阻信號(hào)，信號(hào)經(jīng)溫度變送模塊實(shí)現(xiàn)線性轉(zhuǎn)換、A/D 轉(zhuǎn)換并經(jīng)微處理器轉(zhuǎn)成RS485 接口將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)。變送模塊設(shè)計(jì)原理如圖4 所示，模塊供電電壓為3.0 ～5.2V，分辨率 為0.1 ℃， 應(yīng) 用 標(biāo) 準(zhǔn)MODBUS-RTU 協(xié) 議， 尺 寸 為5mm(厚)×16mm(寬)×32mm(長(zhǎng))，模塊使用動(dòng)態(tài)線阻補(bǔ)償，整體設(shè)計(jì)緊湊，選用低功耗、低溫漂器件，并增加抗干擾性設(shè)計(jì)，可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作在-40℃~70℃環(huán)境中。

圖4 溫度變送器原理框圖

■2.3 高度數(shù)據(jù)采集模塊

高度數(shù)據(jù)采集模塊硬件功能如圖5 所示，其包括左右對(duì)稱的2 個(gè)測(cè)量模塊，分別測(cè)量車輛尾部左右橫梁距離地面高度。

圖5 高度采集模塊硬件功能框圖

由于激光波長(zhǎng)單一，測(cè)量精度高，且結(jié)構(gòu)小巧，安裝調(diào)整方便，被廣泛應(yīng)用于高精度距離測(cè)量。本文高度數(shù)據(jù)采集即選用摩天MyAntenna 工業(yè)級(jí)激光測(cè)距傳感器，模塊供電電壓為9 ～36V，分辨率為1mm，尺寸為63.05mm×36.61mm×14.8mm，其采用相位式測(cè)量，應(yīng)用MODBUS-RTU 協(xié)議及RS485 接口，成本低、精度高、速度快、測(cè)量穩(wěn)定。

■2.4 信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)模塊

車輛總裝測(cè)試過(guò)程中，需對(duì)車尾連接器完成插拔動(dòng)作，并在測(cè)試按鈕按下后，通過(guò)判斷特定點(diǎn)位（連接器1_2、3_4）信號(hào)通斷狀態(tài)以達(dá)到車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)。為了優(yōu)化測(cè)試流程，系統(tǒng)設(shè)計(jì)信號(hào)測(cè)試模塊與手持終端通信流程如圖6所示，應(yīng)用中，通過(guò)車輛駕駛室與車尾模塊交互通信以提高測(cè)試效率。

圖6 信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)模塊與手持終端通信流程圖

信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)如圖7 所示，其主要包括兩個(gè)狀態(tài)指示燈、兩個(gè)狀態(tài)操作按鈕以及一個(gè)連接器工裝對(duì)接接口。硬件控制電路設(shè)計(jì)如圖8 所示，主要通過(guò)TLP292、TLP240A 光電耦合器與單片機(jī)通信完成信號(hào)顯示、監(jiān)測(cè)。手持終端“準(zhǔn)備測(cè)試”/“恢復(fù)電纜”按鈕按下，單片機(jī)發(fā)送“準(zhǔn)備測(cè)試”/“恢復(fù)電纜”測(cè)試指令，車尾狀態(tài)指示盒相應(yīng)指示燈亮起。車尾狀態(tài)指示盒“準(zhǔn)備完成”/“恢復(fù)完畢”按鈕按下，按鈕信號(hào)以及特定點(diǎn)測(cè)試信號(hào)傳輸至主控芯片，主控芯片將信號(hào)傳輸至顯示屏進(jìn)行顯示。

圖7 信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖8 信號(hào)狀態(tài)檢測(cè)模塊硬件控制電路圖

■2.5 顯示模塊

系統(tǒng)采用5 寸LCD 串口智能屏來(lái)顯示測(cè)量得到的系列參數(shù)，顯示屏型號(hào)為TJC8048X550_011X，分辨率為800×480，頁(yè)面設(shè)計(jì)如圖9 所示，其引腳與單片機(jī)逐一相連，單片機(jī)將處理后的信息在該單元顯示。

圖9 顯示屏顯示圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程如圖10 所示，設(shè)計(jì)包括初始化、溫度數(shù)據(jù)讀取判定顯示、高度數(shù)讀取判定顯示、信號(hào)測(cè)試命令接收及顯示等部分。系統(tǒng)接通電源，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)初始化，分別進(jìn)入溫度數(shù)據(jù)采集、高度數(shù)據(jù)采集及信號(hào)測(cè)試檢測(cè)線程。溫度數(shù)據(jù)采集線程中，系統(tǒng)讀取溫度數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)閾值判定，當(dāng)溫度大于50℃時(shí)，顯示屏中溫度值報(bào)警顯示。高度數(shù)據(jù)采集線程中，系統(tǒng)讀取車輛左右橫梁高度數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)閾值判定，當(dāng)數(shù)值超出1590mm ～1670mm 時(shí)，顯示屏中左右高度值報(bào)警顯示。信號(hào)測(cè)試線程中，設(shè)置系統(tǒng)初始狀態(tài)為狀態(tài)0，顯示屏發(fā)出開(kāi)始測(cè)試命令，程序系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)1，此時(shí)手持終端顯示：等待測(cè)試電纜連接，車尾狀態(tài)指示盒“開(kāi)始測(cè)試”指示燈亮起；車尾人工轉(zhuǎn)換測(cè)試電纜，連接測(cè)試工裝，按下“電纜連接完成”按鈕，程序系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)2，此時(shí)手持終端顯示：轉(zhuǎn)接電纜完成，并顯示相應(yīng)點(diǎn)位信號(hào)測(cè)試狀態(tài)結(jié)果，車尾狀態(tài)指示盒“開(kāi)始測(cè)試”指示燈閃爍；手持終端進(jìn)行信號(hào)測(cè)試狀態(tài)人工判定，發(fā)出結(jié)束測(cè)試命令，程序系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)3，此時(shí)手持終端顯示：信號(hào)測(cè)試完成，等待電纜恢復(fù)，車尾狀態(tài)指示盒“恢復(fù)電纜”指示燈亮起；車尾人工拆卸測(cè)試電纜還原至初始狀態(tài)，按下“電纜恢復(fù)完成”按鈕，程序系統(tǒng)還原至狀態(tài)0。當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)1－狀態(tài)3 時(shí)，駕駛室手持終端可以發(fā)出取消測(cè)試信號(hào)，如確認(rèn)進(jìn)入取消狀態(tài)，程序系統(tǒng)還原至狀態(tài)0。

圖10 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，分別對(duì)各模塊功能進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)，各模塊功能正常進(jìn)行整機(jī)聯(lián)調(diào)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足實(shí)際檢測(cè)需求。

溫度測(cè)試將溫度傳感器置于恒溫箱中測(cè)量不同溫度數(shù)值，將測(cè)得的結(jié)果與設(shè)定結(jié)果進(jìn)行比較。傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)及誤差分析結(jié)果如圖11 所示，從圖中可以看出系統(tǒng)在不同溫度下工作正常，溫度測(cè)量精度較高，平均相對(duì)誤差在2%以內(nèi)，同時(shí)設(shè)定溫度上限值50℃，當(dāng)溫度超出上限時(shí)，顯示屏溫度值變紅報(bào)警顯示。

圖11 系統(tǒng)測(cè)量溫度數(shù)據(jù)及誤差分析圖

高度測(cè)試如圖12 定點(diǎn)定距完成測(cè)試環(huán)境搭建，系統(tǒng)設(shè)定測(cè)試閾值1590mm ～1670mm，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及誤差如圖13 所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)高度測(cè)試工作正常，傳感器測(cè)試精度較高，誤差相對(duì)較低，且在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，報(bào)警功能正常。

圖12 系統(tǒng)高度測(cè)試示意圖

圖13 系統(tǒng)測(cè)量高度測(cè)試結(jié)果及誤差分析圖

圖14 系統(tǒng)顯示屏信號(hào)測(cè)試顯示圖

信號(hào)開(kāi)關(guān)通路測(cè)試應(yīng)用測(cè)試開(kāi)關(guān)按鈕模擬信號(hào)狀態(tài)，當(dāng)1_2 點(diǎn)模擬開(kāi)關(guān)按下時(shí)，顯示屏顯示兩點(diǎn)線路接通，當(dāng)3_4點(diǎn)模擬開(kāi)關(guān)按下時(shí)，顯示屏顯示兩點(diǎn)線路接通，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試顯示，系統(tǒng)通路測(cè)試功能正常。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的車輛狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)STM32F103 單片機(jī)及PT100 溫度采集模塊、激光測(cè)距模塊等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛油箱溫度、左右橫梁高度以及車尾特定信號(hào)狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)，系統(tǒng)測(cè)量通過(guò)LCD 串口智能屏實(shí)時(shí)顯示信息狀態(tài)參量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及實(shí)際應(yīng)用，各模塊測(cè)量、通信正常，狀態(tài)信息獲取快速準(zhǔn)確，報(bào)警功能運(yùn)行有效，極大提高了車輛檢測(cè)工作效率。后期將采取無(wú)線通信方式，提高系統(tǒng)便捷性。