汽車空調控制器檢測系統設計與測試

尹永福

（煙臺汽車工程職業學院車輛運用工程系，山東煙臺 265500）

隨著社會經濟和汽車工業的快速發展，市場對汽車舒適性、安全性等性能的要求不斷提高，空調作為影響車輛駕乘舒適性的一項重要構成，成為汽車制造商和市場消費者的關注重點，而汽車空調則以空調控制器作為核心，因此對在汽車上普遍應用的空調控制器質量提出了更高的要求，在出廠前需對空調控制器基本功能進行檢測，傳統以人工為主的檢測方式存在流程復雜、效率低、可靠性低等不足，促使汽車空調控制器檢測系統成為研究熱點之一，改進和完善檢測系統的檢測效果成為提升汽車空調系統性能的有效手段。為有效滿足汽車駕乘人員不斷提高舒適度的需求，文中完成了一種空調控制器檢測系統設計方案的構建，以期有效提高空調控制器的控制效果。

1 汽車空調控制器檢測系統設計分析

1.1 設計需求分析

在節能環保的大背景下，對汽車行業發展提出了更高的要求，新能源汽車逐漸成為行業發展的主流方向，作為汽車基礎配置之一的車載空調系統可使車內人員的乘坐舒適度得到顯著提高，但電動汽車空調同傳統空調間存在一定的差異，這就為汽車空調的檢測與維修帶來了新的挑戰。功能較復雜的電子式汽車空調控制器在整個生產制造過程中，為保證最終出廠產品的零故障、高品質，通常必須經過多次功能檢測才可出廠投入使用[1]。空調控制器功能的檢測大多使用工控機完成，此種方式具有明顯的控制復雜度高及成本高的不足，尤其是在同一生產線上的多道生產工序均需使用檢測設備的情況下，檢測費用會帶來較大的經濟負擔。通過使用科學高效的空調控制器檢測系統，可確保控制器質量，進而有效提高空調的耐用性，同時簡化后續的檢測維護工作，幫助工人準確找出故障原因。為此，該文完成了一種操作較為簡便的基于單片機的檢測系統的設計，在實際檢測過程中，結合運用串口和LIN 總線完成同空調控制器間的有效通信過程，空調控制器以檢測系統發出的命令為依據，運行測試代碼并執行相應的輸出，檢測系統據此完成對其功能的判斷，提高檢測質量效率的同時降低了檢測成本，對于部分現階段難以實現全程自動檢測的復雜項目，系統會提示操作人員結合運用人工檢測方法完成。通過該系統可使漏檢、錯檢問題得以有效避免[2]。

1.2 設計原理

該文采用主從式設計方式對檢測系統進行設計，實現控制器的功能檢測以及參數配置，主機即上位機對應檢測系統，從機則對應控制器，上位機的單片機I/O 口和從機的單片機I/O 口相連，從而實現串行通信功能。從機根據接收到的來自上位機的發送命令執行相應的動作，再向上位機傳送相應的信號和通信內容，由上位機完成對空調控制器對應功能優劣的判斷[3]。在實際檢測過程中，需將一段控制啟動運行時間的測試代碼嵌入到空調控制器中，僅在控制器接入到檢測系統的情況下啟動，避免對正常工作下的空調控制器產生影響。并且在控制器線路板上的單片機中預留2 個通信接口（即I/O 口）。圖1為檢測系統的原理示意圖，系統檢測到啟動按鍵被觸發后，先將檢測系統檢測端子通過驅動氣動夾具連接空調控制器線束端子，并將夾具上的頂針接到上述預留的I/O 口，完成檢測系統同空調控制器間通信接口的連接。檢測時空調控制器由檢測系統供電后，在系統持續輸出的200 ms 的低電平的作用下，若檢測到空調控制器數據接收端口在此段時間內的低電平持續超過100 ms，則運行檢測程序，由LED 顯示模塊負責對系統的測試步驟和最終測試結果進行顯示，檢測到問題或故障后通過蜂鳴器發出報警信息，考慮到檢測系統難以自動檢測控制器中的背光燈和功能燈，通過添加OK 和NG 按鍵，結合運用人工方式完成檢測過程[4-5]。

圖1 檢測系統原理示意圖

1.3 系統的總體設計

傳統空調控制器的測試方法需測試員將命令發送給空調控制器（使用測試臺架完成），壓縮機和外界溫度使用風機和旋鈕電位器進行模擬，以空調運行狀態作為判斷依據，得出測試結果。該文設計的空調控制器自動化檢測系統裝置集合了參數設置、信號檢測、數據通信、獲取和展示產品判斷結果等多項功能，實現了對空調傳感器參數的自主設置以及數據信號的自動分析處理過程[6-7]。該空調控制器功能檢測系統的應用優勢主要表現在：1）實現了自動化的檢測過程，使用上位機實現了對控制器的自動化檢測和控制，無需在各系統中對參數進行設置，將檢測人員從大量的工作中解脫出來，并有效避免了人為誤操作問題的產生，提高了檢測質量和效率，有效節約了人力物力的成本。在執行檢測過程中嚴格按照相關規范或規定進行，從而得到更加客觀準確的檢測結果。2）實現了對空調裝置檢測結果的數字化管理和使用，在數據庫中保存檢測結果以供后續查詢、分析、打印數據時使用。3）采用自動檢測方式使產品的功能驗證與測試時間得以明顯縮短，加快產品出廠的進程[8-9]。

該文檢測系統的硬件系統框圖如圖2 所示，主要由檢測模塊、通信模塊和上位機構成，數字電位器檢測模塊的主控芯片選用了性價比較高的微處理器STM32F103（意法半導體公司），包含豐富的IO口，能夠完成對空調控制器的多路使能信號實時準確接收，將傳統手動調整的旋鈕電位器采用數字電位器代替，顯著提高檢測過程的自動化水平；通信模塊主要負責完成同PC 上位機的串口通信過程，具體選用了CH340G 芯片，并整合了串口電路；上位機內置眾多控件，上位機軟件使用可從網上直接下載的C# 語言進行編寫，顯著降低了編程難度，節約了系統開發和使用成本。PC 機根據接收到的數據任務后，向應用網關發送讀取控制參數的命令，并由其完成命令到LIN 診斷協議的轉換，再向LIN 總線傳送，將相應的控制參數向診斷禎中傳送，完成診斷后傳送至PC 機，從而完成對控制器性能參數的檢測過程。

圖2 硬件系統框圖

2 檢測系統的硬件設計

2.1 主控芯片設計

主控芯片選用了微處理器STM32F103，具有高性能、高性價比、拓展性較好等優勢，主要由相應功能的電路（包括復位、晶振、去耦、降壓等）、數字電位器和IO 接口構成，數字電位器負責對控制器相關參數進行設置，IO 接口主要負責接收信號。STM32F103 芯片中包含48 個引腳，除了滿足最小系統的電路使用需求以外，還能夠完成對ECU 使能信號及時準確地接收，可有效滿足空調控制器檢測系統的使用需求[10]。

2.2 微處理器的選擇及通信接口設計

該文采用PIC 單片機（型號為16F1947）作為微處理器，該單片機包含豐富的硬件資源，包括flash 程序存儲器、豐富的I/O 口（共54 個）、1 路D/A 通道以及17 路A/D 通道等，能夠為自動化檢測系統提供有力支撐。為節省控制器單片機的串口資源，由單片機的2 個I/O 口負責完成檢測系統同空調控制器間的串行通信過程，2 個I/O 口分別作為數據接收端口和數據發送端口。由于對溫度參數的設置、檢測模塊的控制等功能均需PC 上位機完成，在控制器數據接收端口設置了弱上拉部件，以確保通信口的低電平信號能夠被上電后的空調控制器及時準確地檢測到，進而及時開啟檢測程序。圖3 為所采用的串行通信信號定義方式，通信端口的高、低電平均持續2 ms 時的信號對應數字“1”，高、低電平均持續1 ms時的信號對應數字“0”[11-12]。

圖3 串口通訊信號定義

2.3 電壓信號與PWM信號的檢測

空調控制器輸出幅值為5 V，控制器輸出的電壓信號包含0 V 和+12 V 兩種狀態，這些電壓信號主要負責對壓縮機、模式/混合/內外循環風門電機的運動進行驅動，電壓信號需先通過分壓回路轉換為單片機可檢測的信號；混合以及溫度風門反饋端在+5 V電壓下工作，由空調控制器輸出，只需調整相應電阻的阻值大小即可完成對該部分電壓信號的檢測。PWM 信號（頻率為400 Hz，占空比變化范圍為0%～100%）負責對鼓風機進行驅動，通過單片機捕獲單元的使用完成對PWM 信號的檢測，包括對信號頻率和周期的測定[13]。

2.4 電壓信號的輸出

根據幅值變化范圍，空調控制器接收到由檢測系統輸入的電壓信號主要包括0～+5 V（主要由溫度風門和模式風門2 部分位置反饋電壓構成）和0～+12 V（主要由鼓風機負端反饋電壓構成）兩種電壓信號，考慮到檢測系統所使用的單片機的D/A 轉換口僅有一個，因此使用74HC4051（一種模擬開關芯片）對D/A 輸出通道進行擴展，以實現3 路電壓輸出的有效獲取。單片機D/A 口的電壓輸出最大值為5 V，通過比例放大電路獲取到12 V 電壓。空調控制器的電源開關通過檢測系統驅動2 個繼電器線圈完成，并使用氣動換向閥線圈控制氣動夾具[14]。

2.5 數字電位器設計

傳統人工檢測裝置在檢測過程中，將空調控制器所接的溫敏電阻通過使用旋鈕電位器調整電阻進行模擬，該文系統裝置采用數字電位器負責完成參數設置，實現了自動化檢測功能，數字電位器芯片選用了滿量程為10 kΩ的x9c103，在0～10 kΩ間滑動共100 級，由3～5 V 電壓供電，滑動變阻器的低端對應電位器VL 端口、高端對應VH 端口，允許輸入-5～5 V的電壓，電位器VW 端的滑動過程通過x9c103 的輸入端口（即INC、U/D、CS）的升降沿組合高低電平實現。

3 系統軟件設計與實現

3.1 上位機程序

在PC 端安裝上位機測試系統軟件，同檢測模塊進行通信（通過串口）、向其發送查詢和控制命令，檢測模塊根據命令執行相應操作，結合控制器的運行狀態得出最終測試結果。該文從常用的上位機開發軟件中選用了易于操作且經濟適用的C#開發語言，并采用Visual Studio 作為開發環境，上位機軟件使用.NET 的窗體應用程序完成設計，借助Visual Studio 提供的大量可供選擇的控件，開發人員僅需掌握這些控件的基本功能，即可便捷高效地應用到系統開發過程中。combobox、TextBox、Label、Button、groupbox 等控件是Winform 應用程序的主要常見控件，多線程編程通過Thread 實現，控制器同單片機間使用Serial Port 控件完成串口通信過程；使用功能強大的Serial Port 控件提供的串口數據收發方法，有效提高通信的速度、實時性及準確性。測試軟件包括3 個功能模塊：1）溫度模塊，負責將溫度指令發送至檢測模塊；2）串口模塊，提供串口名稱、波特率參數等串口配置，為用戶提供多種串口選擇；3）結果模塊，結合溫度模塊的參數設置及空調ECU 返回的執行情況完成對產品功能的判斷[15]。

3.2 單片機程序設計

對單片機程序進行設計時，集成開發環境和開發語言分別采用了keil5 和C 語言，單片機工作流程如圖4 所示。

圖4 單片機工作流程

3.3 底層軟件LIN總線診斷功能

作為一種串行通信協議，LIN（Local Interconnect Network）可有效滿足汽車分布式機械電子節點的控制需求，適用于A 類多點總線（包含單主機節點和一組從機節點），檢測系統使用到的LIN 診斷功能中的功能函數主要包括：1）ReadEcuIdentification 函數，用于從ECU 獲取包括軟、硬件版本等在內的相關標識信息，讀取空調控制器軟件版本時，通過LIN 總線診斷禎發送如62 02 1A 86 FF FF FF FF 的命令，1A 表示讀取版本功能，62 表示ID 信息（下同），02 表示含有2 個有效字節，86 表示讀取的版本信息；應用網關收到62 04 5A 02 04 01 FF FF 的診斷反饋信息，5A對應1A 的反饋信息，04 表示含有4 個有效字節，02、04 和01 分別表示硬件、軟件和測試版本。2）Read DataByLocalId 函數，用于獲取ECU 中的輸入/輸出控制參數，如讀取蒸發器傳感器的溫度值時，可發送62 02 21 52 FF FF FF FF 命令，21 表示讀取控制參數功能，02 表示有效字節數，52 表示傳感器代碼；反饋信 息為62 03 61 52 30 FF FF FF，61 對 應21 的 反饋信息，03 表示有效字節數，30 表示蒸發器溫度值。3）InputOutputControlByLocalId 函數，幫助用戶設定ECU 輸入/輸出的相應控制參數，用于設置空調控制器的輸出參量，如強制鼓風機輸出8 級風，發送62 03 30 55 08 FF FF FF 命令，30 表示強制功能函數，55和08 分別表示鼓風機代碼和輸出8 級風；反饋信息為62 03 70 55 08 FF FF FF，70對應30的反饋信息[16]。

3.4 系統測試

為了測試該文檢測系統的有效性，以溫度參數為例，檢驗系統檢測結果與空調控制器實際情況是否一致，結果表明系統獲得的溫度檢測結果同設置參數一致，說明系統上位機實現了同空調控制器間的有效通信過程，檢測界面如圖5 所示，采用基于C# 的上位機檢測裝置顯著提高了檢測過程的自動化水平，有效彌補了人工手動逐步調控設置參數及獲取檢測結果存在的不足。

圖5 檢測界面工作圖

4 結束語

新能源電動汽車已成為汽車行業未來發展的主要趨勢，空調系統在提升現代汽車的舒適性方面發揮著重要作用，該文根據汽車空調控制器的硬件結構和實際功能檢測需求，設計一款空調控制器檢測系統，使工作人員從繁瑣重復的機械化操作中解放出來，并且嚴格按照操作工藝書執行檢測過程，結合運用人工檢測方式有效提高了空調控制器的檢測質

量和效率，使產品功能漏檢、錯檢問題得以有效避免，在提高產品質量的同時，降低檢測成本，進而提高產品的市場競爭力。