基于STM32的高度可控空氣懸架教學試驗平臺研究

王 濤，馬 晨

（昆明鐵道職業技術學院 機電工程學院，云南 昆明 650200）

引言

電子控制技術經過了微處理器技術及超大規模集成電路技術的發展，已形成以STM32單片機為特色的微型計算機系統，具有功能強大、低電壓低功耗、運行速度快等特點，在現代社會廣泛應用于計算機領域、工業控制領域、智能化儀器儀表領域、信息和通信領域、汽車工業領域等。以汽車工業領域為例，隨著汽車智能化和網聯化程度的推進，汽車電控系統變得日益復雜，電子控制技術已經成為汽車性能提升的核心使能技術［1-2］。“單片機自動控制”課程是高職汽車檢測與維修技術專業很重要的專業課程，是一門實踐性和綜合性都很強的課程。目前，各高職院校對“單片機自動控制”課程的授課比較保守，受制于總課時的不斷壓縮，在授課方式上，采取的還是理論課加試驗課的教學組織形式,這種組織形式在一定程度上割裂了工程技術類課程的實踐性；在授課內容上，以單片機各模塊單一功能的實現為教學目標，脫離了工程實踐意義，與汽車電控自動化關聯度不大，容易使學生陷入“學過但不會用”的窘境［3-4］。筆者采用以實踐為主、由淺入深的進階式教學方法，把單片機自動控制試驗分解為基礎試驗、進階試驗和綜合試驗［5］。本文主要討論綜合試驗的問題，以開發面向教學的高度可控空氣懸架試驗平臺為例，用單片機為控制器，把GPIO、ADC采集、繼電器驅動等基礎單片機實驗集成在一起，實現對空氣懸架高度的自動控制，讓學生綜合運用單片機所學解決實際的汽車工程問題。

試驗平臺的開發還有如下優勢：（1）開發具有汽車工程實踐意義的電控自動化項目實訓臺，有利于培養既懂機械維修，又懂電控的復合型技術人才；（2）可以直觀看到電控程序呈現在汽車部件上的運行結果，讓學生獲得直觀、生動的感性認知，提升學生的學習熱情和教學效果；（3）把單片機自動控制分散的實訓功能有機集合在一起，有利于培養學生的靈活性和創新性，讓學生在學習過程中接觸并建立電控自動化系統的概念，為培養合格的汽車類專業技術人才打下堅實基礎。

一、高度可控空氣懸架試驗平臺開發

（一）ECAS系統簡介

電子控制空氣懸架（ECAS）系統由國外發展而來，整個系統由氣源、控制系統、執行機構組成。氣源是電動打氣泵，電動打氣泵對整車的空氣彈簧和儲氣罐進行供氣；控制系統由控制器和各類傳感器組成，接收各傳感器送來的信號和采集CAN線里面有用的信息；執行機構主要是各電磁閥和空氣彈簧，通過控制各電磁閥的開和關來控制空氣彈簧的充氣和放氣。

空氣彈簧內充入一定量的高壓空氣，以此為傳遞介質，本身就具有剛度和高度可調的特性。ECAS系統由控制器進行計算處理，發出控制指令，對車身高度進行控制。在高速行駛時，空氣彈簧排氣，車身高度降低，以保證車輛的操控穩定性，減小風阻；當汽車在非鋪裝路面行駛時，空氣彈簧充氣，車身高度升高，以保證良好的通過性，防止底盤被刮擦。ECAS系統因其優良的性能，已經被廣泛應用于客車和轎車，現在在我國逐漸從高端車型向中低端車型普及［6］。

按以上使用角度分析，常規電控空氣懸架集成了以下功能：（1）手動控制功能：能夠用選擇開關自主控制懸架高度，選擇越野模式（OFF_ROAD）、普通模式（NORMAL）或高速模式（SPORT）；（2）自動控制功能：在汽車的行駛過程中，車身高度能夠隨車速和路況自動調整［7］。

（二）總體方案設計

為了符合汽車工程實踐定位，開發高度可控空氣懸架試驗平臺必須達到以上手動控制和自動控制功能，在此基礎上還可增設微調功能，在停車狀態若簧上質量發生變化，導致車身高度變化，能夠恢復原有車身高度；同時增設維修模式，在舉升機舉升車輛時讓電動打氣泵不工作，防止電動打氣泵和蓄電池因異常工作而損壞。要達到以上功能，需要一個空氣懸架實物的最小系統，本著結構簡潔、功能清晰、易于理解的原則，設計了用最少部件構成的1/4 空氣懸架實驗平臺，搭建方形框架，合理布置電動氣泵、儲氣罐、分配閥、懸架空氣彈簧、STM32 單片機等必要部件。試驗平臺采集儲氣罐空氣壓力和位移傳感器信號傳給控制器，同時控制器接收上位機發送的CAN通信信號，經過邏輯分析與計算，通過控制繼電器輸出分別控制空氣壓縮機、排氣電磁閥、配氣電磁閥的工作狀態，以達到控制空氣懸架高度的目的。最終空氣懸架試驗平臺擬達到以下功能：（1）手動控制懸架高度；（2）懸架高度隨車速自動調節；（3）懸架高度自動恢復功能；（4）維修時系統靜默。

（三）高度可控空氣懸架試驗平臺軟硬件設計

高度可控空氣懸架試驗平臺硬件設計按功能主要分為五個部分：控制器、ADC模塊、CAN通信模塊、繼電器驅動模塊、人機交互模塊。

1.控制器模塊。控制器采用成熟的STM32F103，最高工作頻率72MHz，外設接口豐富，具有較強的拓展性，可滿足系統對串口數量的要求，設置IO端口管腳分配如下（見表1）。

表1 控制器管腳分配

2.ADC模塊。由控制器供給5V電壓，用宏定義設置ADC連接的IO端口為PA4、PA5，負責采集懸架高度傳感器數據和分配閥氣壓數據，并把數據采集的模擬量轉換為0～5V的電壓信號，通過串口PA4、PA5輸出到控制器。兩個ADC也通過DMA通道進行自動數據采集，把數據存入SRAM，控制器需要時直接從SRAM中提取。

3.CAN通信模塊。設置CAN信號接收和發射的端口為PA11、PA12，接收上位機發來的CAN總線信號，通過TJA1050芯片進行轉換，解析出車速信號，通過串口PA11輸出到控制器。

4.繼電器驅動模塊。用宏定義設置繼電器連接的IO端口為PA13、PA14、PB8、PB9，由控制器供給5V電壓，采用低電平控制方式，當控制器給驅動電路IN5腳輸出低電平時，通過驅動電路給繼電器J1輸出高電平，觸發繼電器內部開關導通，從而控制外部功能電路導通。

5.人機交互模塊。人機交互界面由觸摸按鍵和OLCD顯示屏組成，觸摸按鍵可選擇OFF_ROAD、NORMAL、SPORT、AUTO四種模式，OLCD顯示屏把控制器收到的模式信號、CAN信號、ADC信號等關鍵信息直接顯示出來，便于讀取。

高度可控空氣懸架試驗平臺軟件設計主要是控制器程序設計（如圖1），系統通電以后進入初始化，把系統時鐘、繼電器、ADC、CAN等系統初始化，進入數據處理主循環。在手動模式讀取觸摸按鍵信息，判定當前模式并讀取懸架高度信息，判定懸架需要上升、下降還是保持，進入相應的工作模式，驅動繼電器進行工作，當懸架高度達到標定值，系統停止工作進入主循環；在自動模式讀取CAN線發送來的車速信息，讀取懸架高度信息，判定懸架需要上升、下降還是保持，進入相應的工作模式，驅動繼電器進行工作，當懸架高度達到標定值，系統停止工作進入主循環。

圖1 主程序流程圖

（四）試驗平臺系統集成與驗證

搭建高度可控空氣懸架試驗平臺實物如圖2所示，空氣懸架試驗平臺與控制器連接后按流程進行調試。（1）進行外部設備OLED顯示的調試，在顯示屏上顯示模式、車速、懸架高度、氣壓等標題信息；（2）調試電動打氣泵繼電器、排氣閥繼電器、儲氣罐進氣閥繼電器、空氣懸架進氣閥繼電器的驅動，依據動作真值表進行四個繼電器的協同控制調試，實現繼電器按懸架升高或降低的動作要求進行控制；（3）標定懸架高度傳感器和儲氣罐氣壓傳感器，進行懸架高度和儲氣罐氣壓的ADC采集調試，采集數據后進行模/數轉換，并且在顯示屏上顯示轉換成電壓的信息，同時按高度電壓值實現對以上四個繼電器的協同控制；（4）進行CAN通信的調試，能夠接收上位機發送的CAN信號，并解析出車速信號，顯示在顯示屏上，同時按車速信號實現對以上四個繼電器的協同控制。最終完成整個系統功能的集成，實現高度可控空氣懸架試驗平臺設計的功能。系統初始化后懸架系統進入普通模式，手動分別選擇OFF_ROAD、NORMAL、SPORT模式，空氣懸架能調整到對應高度，實現手動功能；選擇AUTO功能，從上位機導入車速數據，懸架高度隨車速變化而自動調節（如表2、圖3所示），停車情況下實現空氣懸架隨簧上質量的變化自動微調，維修舉升情況下實現了系統靜默，達到了空氣懸架在實車應用上的基本要求。

圖2 高度可控空氣懸架試驗平臺

圖3 懸架高度隨速控制

表2 空氣懸架高度自動控制車速模擬表

二、教學應用與推廣

高度可控空氣懸架試驗平臺系統程序在Keil uVision4開發環境下編寫，配置好底層程序后只需對main.c文件進行編譯即可，有一定單片機基礎的學生上手難度不大，可訓練學生Keil uVision4軟件的使用、FlyMcu等第三方ISP在線編譯軟件的使用。本試驗平臺整合了單片機試驗中的GPIO輸出試驗、外部中斷試驗、ADC采集試驗、CAN通信試驗、繼電器控制試驗、觸摸按鍵驅動試驗、OLED屏顯示試驗等（見表3），既可以把以上試驗單個開展教學，也可以指導學生綜合調用以上部分或全部程序來解決實際汽車工程實踐問題——汽車懸架高度的自動控制問題。

表3 高度可控空氣懸架試驗平臺試驗項目表

以綜合實訓項目為例，用項目教學法實施汽車懸架高度自動控制實訓項目：（1）明確項目任務。組建6～8人學習小組，完成準備工作，明確空氣懸架高度自動控制的任務目標，把任務分解為ADC采集、繼電器控制、觸摸按鍵驅動等不同的子項目，每人負責1～2個子項目。（2）制訂計劃。小組討論制訂項目實施計劃，包括任務分工、實施步驟、時間節點、階段性成果等。（3）項目實施。子項目任務解析，小組成員利用網絡、微信、書面資料等方式查閱相關子項目信息，發揮主觀能動性，用單片機開發板實現各子項目功能，訓練學生靈活應用資源以達到目標的自學能力。（4）成果檢驗。把各子項目的成果匯總在一起，完成空氣懸架高度自動控制的集成調試，最后教師點評團隊項目實施過程及成果，大家共同學習，形成合力共同進步［8］。

結語

本文圍繞單片機自動控制的高職教學，以工程應用為背景，設計了面向教學的高度可控空氣懸架試驗平臺，使高職單片機的教學與工程實踐掛鉤，有助于開發“教—學—做”一體化的教學過程，實現了知識運用的綜合性、實踐性和創新性。以項目教學法推動本項目實施，有利于培養學生的靈活性和創新性，并且讓學生在學習過程中接觸并建立電控自動化系統的概念，讓學生學以致用，取得較大的成就感。同時，高度可控空氣懸架試驗平臺建立的是1/4實物懸架，具有較強的拓展性，還可應用于嵌入式課程的教學，在MATLAB軟件里用Stateflow功能搭建整車懸架控制策略，利用AUTOBOX建立整車空氣懸架模型，聯合此1/4實物懸架實現半實物仿真，驗證控制策略的正確性。