基于USB通信技術(shù)的車用電動(dòng)天窗檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李敏 (蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,安徽蕪湖 241006)

包廣華 (蕪湖市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所,安徽蕪湖 241007)

夏躍武 (蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,安徽蕪湖 241006)

龐輝 (埃泰克汽車電子(蕪湖)有限公司,安徽蕪湖 241009)

基于USB通信技術(shù)的車用電動(dòng)天窗檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李敏 (蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,安徽蕪湖 241006)

包廣華 (蕪湖市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所,安徽蕪湖 241007)

夏躍武 (蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,安徽蕪湖 241006)

龐輝 (埃泰克汽車電子(蕪湖)有限公司,安徽蕪湖 241009)

采用STM32處理器作為系統(tǒng)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)核心控制,設(shè)計(jì)了一種車用電動(dòng)天窗檢測系統(tǒng),完成了車用電動(dòng)天窗的控制、位置、狀態(tài)檢測及判別,通過USB接口實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與STM32系統(tǒng)通信,并采用C#語言設(shè)計(jì)了系統(tǒng)PC端軟件界面及USB通信程序主要控制天窗開啟,設(shè)置天窗電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行次數(shù)以及進(jìn)行故障監(jiān)測和報(bào)警,并記錄運(yùn)行狀況(包括故障時(shí)間和無故障運(yùn)行次數(shù)),同時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Execl表中,便于后期數(shù)據(jù)管理。實(shí)際應(yīng)用表明,利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)天窗生產(chǎn)的在線測試和整車廠抽檢。

USB;STM32;電動(dòng)電窗

為適應(yīng)消費(fèi)者對(duì)汽車安全、舒適的各方面需求,電動(dòng)天窗被廣泛使用[1]。為了防止車窗質(zhì)量問題引發(fā)安全事故(如車窗難以打開、打開移動(dòng)不到位等電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障),影響整車質(zhì)量問題,因此在車窗產(chǎn)品出廠或整車安裝前均需進(jìn)行檢測。國內(nèi)目前已研制出的電動(dòng)天窗測試系統(tǒng)多數(shù)采用上下位機(jī)聯(lián)合控制,由下位機(jī)控制天窗的運(yùn)行及信號(hào)檢測,經(jīng)通信線路傳至上位機(jī)顯示參數(shù)并報(bào)警,同時(shí)記錄保存[2],通信多采用RS232標(biāo)準(zhǔn)。由于RS232標(biāo)準(zhǔn)通信低速且可靠性較低,硬件系統(tǒng)較為復(fù)雜。此外,目前多數(shù)PC機(jī)配置無RS232接口。因此,采用高速傳輸且可靠的USB通信方式實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信傳輸對(duì)于工業(yè)測控系統(tǒng)來說意義重大。為此,筆者基于USB通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種車用電動(dòng)天窗檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

電動(dòng)天窗檢測系統(tǒng)硬件由供電電路、天窗信號(hào)檢測和開啟關(guān)閉控制電路、天窗電機(jī)過載信號(hào)檢測、放大及報(bào)警電路等構(gòu)成。系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片,PA1作為天窗關(guān)閉到位檢測信號(hào),將PA2作為天窗開啟到位檢測信號(hào),PA11和PA12作為USB通信接口,利用PD0控制電動(dòng)天窗供電, PD1控制電動(dòng)天窗的關(guān)閉,PD2控制電動(dòng)天窗的開啟。此外,將PA6作為過載信號(hào)的檢測輸入,PA4作為故障報(bào)警信號(hào)輸出。系統(tǒng)主控原理圖如圖1所示。

1.1 天窗開啟關(guān)閉到位檢測及控制電路

天窗開啟關(guān)閉到位控測及控制電路如圖2所示。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)紅外光電傳感器檢測天窗開啟和關(guān)閉位置檢測,輸出開關(guān)量信號(hào)。該信號(hào)通過4N35光電耦合器輸入至PA1和PA2口,實(shí)現(xiàn)位置信號(hào)輸入,采用光電耦合器隔離,降低輸入輸出信號(hào)間干擾。在天窗開啟關(guān)閉控制中,根據(jù)電動(dòng)天窗控制系統(tǒng)要求[3],由PD1輸出高電平經(jīng)4N35光電耦合器進(jìn)行信號(hào)隔離,同時(shí)PD2輸出低電平經(jīng)4N35光電耦合器進(jìn)行信號(hào)隔離,輸出至天窗控制器,控制天窗開啟,反之控制天窗關(guān)閉。

1.2 天窗電機(jī)堵轉(zhuǎn)信號(hào)檢測、放大及報(bào)警電路

天窗電機(jī)堵轉(zhuǎn)信號(hào)檢測、放大及報(bào)警電路如圖3所示。天窗電機(jī)因故障發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí),采樣電阻R8電壓上升,將該信號(hào)經(jīng)過LM2904N放大后,再經(jīng)過LM2904N構(gòu)建的電壓跟隨器輸入至電壓頻率變換器VFC320轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào),為防止信號(hào)干擾,再通過4N35光電耦合器隔離至STM32的PA6,作為過載信號(hào)的檢測輸入,并通過USB接口將相關(guān)數(shù)據(jù)傳至PC上位機(jī)處理。當(dāng)數(shù)據(jù)處理出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時(shí),報(bào)警數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口下傳至STM32。STM32接收上位機(jī)數(shù)據(jù)在PA4引腳輸出低電平通過光電耦合器至2SC8015控制蜂鳴器報(bào)警。在PD0引腳輸出低電平通過光電耦合器隔離控制繼電器、交流接觸器,切斷電機(jī)供電電源,實(shí)現(xiàn)斷開天窗電機(jī)總電源。在交流接觸器的常閉觸點(diǎn)兩端并接阻容吸收電路,消除交流接觸器觸點(diǎn)火花干擾。根據(jù)天窗負(fù)載特性,供電電源斷開后暫停幾十秒,再給天窗電機(jī)供電,實(shí)現(xiàn)天窗重復(fù)運(yùn)行。由于車用電動(dòng)天窗電機(jī)不能長時(shí)間連續(xù)工作,天窗控制中設(shè)置了中間位置的停頓,因而檢測天窗時(shí)要對(duì)中間位置停頓信號(hào)進(jìn)行判斷,相應(yīng)方法如下:首先檢測開啟和關(guān)閉信號(hào)是否均為低電平,若是低電平,則表明此時(shí)天窗處在中間位置,再判斷電流是否超過額定值;若電流接近零,則表明是中間位置停頓,延遲一段時(shí)間后,發(fā)出之前的天窗控制信號(hào),天窗正常測試;若電流超過額定值,則表明天窗在中間位置堵轉(zhuǎn)。

圖1 系統(tǒng)主控原理圖

圖2 天窗開啟關(guān)閉到位檢測及控制電路圖

2 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 STM32采樣控制和USB通信軟件

STM32系統(tǒng)軟件采用C#語言開發(fā),包括系統(tǒng)初始化、USB初始化、USB數(shù)據(jù)接收中斷子程序、天窗開閉到位中斷子程序、過載電流采樣子程序、USB通信程序等。STM32F103芯片內(nèi)含USB控制器,直接使用PA11和PA12與PC端通信。USB控制器內(nèi)部有16位寄存器,可實(shí)現(xiàn)與緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換,根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向,實(shí)現(xiàn)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)分組,并觸發(fā)USB設(shè)備端點(diǎn)中斷。設(shè)備端點(diǎn)所用的緩沖區(qū)描述塊內(nèi)容主要包含地址和存儲(chǔ)容量以及傳輸字節(jié)數(shù)等。相關(guān)流程如下:建立USB通道、響應(yīng)PC機(jī)請(qǐng)求后執(zhí)行枚舉操作、等待中斷; USB接收中斷,上位機(jī)發(fā)出復(fù)位啟動(dòng)命令和堵轉(zhuǎn)電流值時(shí),觸發(fā)USB數(shù)據(jù)接收中斷;電機(jī)過載中斷,當(dāng)電機(jī)發(fā)生過載時(shí),通過電壓頻率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生頻率信號(hào)觸發(fā)輸入捕捉中斷;紅外光電傳感器到位檢測中斷。STM32系統(tǒng)軟件信號(hào)采集及USB通信程序流程圖如圖4所示。

圖3 天窗電機(jī)堵轉(zhuǎn)信號(hào)檢測、放大及報(bào)警電路圖

2.2 檢測系統(tǒng)PC端軟件設(shè)計(jì)

圖4 STM32系統(tǒng)軟件信號(hào)采集及USB通信程序流程圖

PC端軟件采用C#語言設(shè)計(jì),USB系統(tǒng)采用中斷傳輸模式,通信采用HID驅(qū)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)USB免驅(qū)。STM32與PC機(jī)之間信息傳輸通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行操作,該緩沖區(qū)設(shè)256字節(jié)存儲(chǔ)容量和2個(gè)單向端口,PC上位機(jī)識(shí)別USB設(shè)備屬性通道為端口0、PC上位機(jī)接收STM32下位機(jī)數(shù)據(jù)為端口1,PC上位機(jī)向STM32下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為端口2[4];當(dāng)PC向STM32發(fā)送請(qǐng)求,STM32接收PC請(qǐng)求后作出響應(yīng)。PC與STM32的USB通信格式如圖5和圖6所示。

PC端軟件流程如下:首先系統(tǒng)初始化并加載USB組件,PC查詢USB設(shè)備,若STM32系統(tǒng)已接上,則在界面上顯示設(shè)備檢測狀態(tài)和廠家ID和產(chǎn)品ID,同時(shí)進(jìn)入中斷等待狀態(tài);中斷類型有2 個(gè),一是等待事件中斷,若有事件發(fā)生則讀取按鍵控件ID,通過ID判斷是哪一個(gè)按鍵中斷并發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)至STM32,二是USB數(shù)據(jù)接收事件中斷,當(dāng)下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)至PC,則觸發(fā)此中斷并顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容。檢測系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)如圖7所示。當(dāng)按下復(fù)位鍵,則天窗執(zhí)行關(guān)閉操作,實(shí)現(xiàn)復(fù)位。天窗運(yùn)行關(guān)閉到位時(shí),界面上關(guān)閉有效顯示綠色,當(dāng)天窗發(fā)生過載,界面過載顯示紅色,同時(shí)可按復(fù)位鍵使得天窗回到關(guān)閉位置。此外,在操作界面上可設(shè)置檢測天窗的批次和運(yùn)行次數(shù)以及過載電流大小,并顯示天窗的實(shí)際運(yùn)行次數(shù)以及運(yùn)行起始時(shí)間和停止時(shí)間,同時(shí)記錄不合格天窗的數(shù)據(jù)并保存至Excel表中。

圖5 STM32至PC的USB通信格式

圖6 PC至STM32系統(tǒng)的USB通信格式

圖7 車用電動(dòng)天窗檢測系統(tǒng)界面

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種車用電動(dòng)天窗檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)天窗到位檢測、電機(jī)的過載電流檢測以及中間位置停頓檢測,并采用USB通信方式將采集數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)顯示,其中PC機(jī)界面和通信程序采用C#語言設(shè)計(jì),主要控制天窗開啟,設(shè)置天窗電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行次數(shù)以及進(jìn)行故障監(jiān)測和報(bào)警,并記錄運(yùn)行狀況(包括故障時(shí)間和無故障運(yùn)行次數(shù)),同時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Execl表中,便于后期數(shù)據(jù)管理。實(shí)際應(yīng)用表明,利用該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)汽車電動(dòng)天窗的在線測試和整車廠抽檢,因而具有可行性。

[1]張志敏,陶永琴.基于嵌入式系統(tǒng)的智能汽車天窗的設(shè)計(jì)[J].電子測試,2013(9):111-113.

[2]李軍,王立濤.電動(dòng)天窗耐久性測試系統(tǒng)的研制與開發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(1):112-114.

[3]任佳麗,李月香.汽車電動(dòng)天窗控制單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械管理開發(fā),2009,24(2):185-187.

[4]田明,徐平,黃國輝,等.基于STM32和μC/OS-II的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2012,29(4):482-485.

[編輯]李啟棟

U463.85

A

1673-1409(2014)19-0046-04

2013-10-20

安徽省校企合作實(shí)踐教育基地項(xiàng)目(2012sjjd047);安徽省信息技術(shù)專業(yè)群教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2013jxtd051)。

李敏(1977-),男,碩士,講師,現(xiàn)主要從事檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置方面的教學(xué)和研究工作。

包廣華(1955-),男,工程師,現(xiàn)主要從事電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測檢驗(yàn)方面的研究工作;E-mail:2910130948@qq.com。