基于STM32 單片機的車輛狀態參數自動檢測系統設計

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制造工藝流程中的關鍵環節，總裝調試過程中，液壓油溫濕度過高、液壓支腿不穩定以及車尾信號通路反復測試嚴重影響車輛測試效率與質量，為了避免車輛頻繁起豎尤其夏季作業環境高使車輛液壓油溫過高導致液壓系統密封件老化加速或漏油，避免車輛底盤懸架系統不穩定、液壓系統溫度高造成車輛調平高度不滿足起豎要求等情況發生，某車輛總裝測試目前采取點溫槍人工測量油溫以及肉眼經驗判定支腿調平狀態方法，此種方式測量流程繁瑣、耗時長，需要人員頻繁上下車或進行多人配合作業，另外操作過程中，測試員需反復到達車尾應用萬用表手動檢查指定信號通路狀態，測試安全性、質量、效率嚴重受到制約。隨著車輛裝配技術與工業技術的迅猛發展，為了提高車輛測試便捷性及效率，研制車輛狀態參數自動采集、顯示、報警系統是一個必然趨勢。

針對以上問題，本文設計了一種車輛參數自動檢測系統，該系統以STM32 單片機為控制核心，應用PT100 經溫度變送器實現溫度采集，應用激光測距模塊實現高度信息采集，采集數據傳輸通過485 總線有線傳輸，顯示終端可實時顯示數據狀態及報警提示，可極大提升車輛總裝調試效率。

1 系統總體設計

車輛狀態參數檢測系統整體設計框圖如圖1 所示，系統主要由STM32F103 單片機控制模塊、溫度數據采集模塊、高度數據采集模塊、信號狀態檢測模塊以及顯示模塊5 個部分組成，其中溫度數據采集模塊、高度數據采集模塊單獨供電。在系統工作過程中，各數據模塊進行信號數據采集，溫度、高度、信號狀態信息通過485 通信傳輸至單片機，單片機作為程序控制單元，對數據進行對比、處理后，傳輸至顯示模塊顯示。

圖1 系統硬件總體設計圖

2 系統硬件設計

■2.1 主控電路

系統選擇STM32 單片機作為車輛狀態參數自動檢測系統的主控中心，以滿足系統整體高性能、低功耗的應用需求。本文選用意法半導體基于ARM 的32 位STM32F103ZET6 芯片，利用該芯片端口實現通訊、顯示、輸入輸出及存儲功能，該芯片提供了工作頻率為72 MHz 的Cortex-M3 內核的性能，可在-40℃~+85 ℃的溫度范圍內工作，工作電壓為2.0~3.6 V。

主控電路硬件設計如圖2 所示。USART1 連接高度采集模塊，USART2 連接系統顯示模塊，UASRT3 連接溫度采集模塊，主控芯片PA0、PA1、PC0-PC4 引腳連接信號測試模塊。其中USART1、UASRT3 應用RS485 通信，硬件接口的硬件電路如圖3 所示。應用中，溫度、高度數據采集模塊完成數據采集，分別傳輸至單片機主控芯片，主控芯片進行數據處理后將數據發送至顯示屏進行顯示；進行信號通路測試時，主控芯片發送控制信號，控制狀態指示燈亮滅，并接收狀態開光量輸入信號傳輸至顯示屏顯示。

圖2 主控電路圖

圖3 RS485 接口的硬件電路圖

■2.2 溫度數據采集模塊

溫度數據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，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，測量范圍大、響應速度快、精度高、安裝方便。

PT100 溫度傳感器采集電阻信號，信號經溫度變送模塊實現線性轉換、A/D 轉換并經微處理器轉成RS485 接口將數據傳輸至單片機。變送模塊設計原理如圖4 所示，模塊供電電壓為3.0 ～5.2V，分辨率 為0.1 ℃， 應 用 標 準MODBUS-RTU 協 議， 尺 寸 為5mm(厚)×16mm(寬)×32mm(長)，模塊使用動態線阻補償，整體設計緊湊，選用低功耗、低溫漂器件，并增加抗干擾性設計，可長期穩定工作在-40℃~70℃環境中。

圖4 溫度變送器原理框圖

■2.3 高度數據采集模塊

高度數據采集模塊硬件功能如圖5 所示，其包括左右對稱的2 個測量模塊，分別測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

由于激光波長單一，測量精度高，且結構小巧，安裝調整方便，被廣泛應用于高精度距離測量。本文高度數據采集即選用摩天MyAntenna 工業級激光測距傳感器，模塊供電電壓為9 ～36V，分辨率為1mm，尺寸為63.05mm×36.61mm×14.8mm，其采用相位式測量，應用MODBUS-RTU 協議及RS485 接口，成本低、精度高、速度快、測量穩定。

■2.4 信號狀態檢測模塊

車輛總裝測試過程中，需對車尾連接器完成插拔動作，并在測試按鈕按下后，通過判斷特定點位（連接器1_2、3_4）信號通斷狀態以達到車輛狀態監測。為了優化測試流程，系統設計信號測試模塊與手持終端通信流程如圖6所示，應用中，通過車輛駕駛室與車尾模塊交互通信以提高測試效率。

圖6 信號狀態檢測模塊與手持終端通信流程圖

信號狀態檢測模塊結構如圖7 所示，其主要包括兩個狀態指示燈、兩個狀態操作按鈕以及一個連接器工裝對接接口。硬件控制電路設計如圖8 所示，主要通過TLP292、TLP240A 光電耦合器與單片機通信完成信號顯示、監測。手持終端“準備測試”/“恢復電纜”按鈕按下，單片機發送“準備測試”/“恢復電纜”測試指令，車尾狀態指示盒相應指示燈亮起。車尾狀態指示盒“準備完成”/“恢復完畢”按鈕按下，按鈕信號以及特定點測試信號傳輸至主控芯片，主控芯片將信號傳輸至顯示屏進行顯示。

圖7 信號狀態檢測模塊結構圖

圖8 信號狀態檢測模塊硬件控制電路圖

■2.5 顯示模塊

系統采用5 寸LCD 串口智能屏來顯示測量得到的系列參數，顯示屏型號為TJC8048X550_011X，分辨率為800×480，頁面設計如圖9 所示，其引腳與單片機逐一相連，單片機將處理后的信息在該單元顯示。

圖9 顯示屏顯示圖

3 系統軟件設計

系統程序流程如圖10 所示，設計包括初始化、溫度數據讀取判定顯示、高度數讀取判定顯示、信號測試命令接收及顯示等部分。系統接通電源，進行系統參數初始化，分別進入溫度數據采集、高度數據采集及信號測試檢測線程。溫度數據采集線程中，系統讀取溫度數據后，進行數據閾值判定，當溫度大于50℃時，顯示屏中溫度值報警顯示。高度數據采集線程中，系統讀取車輛左右橫梁高度數據后，進行數據閾值判定，當數值超出1590mm ～1670mm 時，顯示屏中左右高度值報警顯示。信號測試線程中，設置系統初始狀態為狀態0，顯示屏發出開始測試命令，程序系統進入狀態1，此時手持終端顯示：等待測試電纜連接，車尾狀態指示盒“開始測試”指示燈亮起；車尾人工轉換測試電纜，連接測試工裝，按下“電纜連接完成”按鈕，程序系統進入狀態2，此時手持終端顯示：轉接電纜完成，并顯示相應點位信號測試狀態結果，車尾狀態指示盒“開始測試”指示燈閃爍；手持終端進行信號測試狀態人工判定，發出結束測試命令，程序系統進入狀態3，此時手持終端顯示：信號測試完成，等待電纜恢復，車尾狀態指示盒“恢復電纜”指示燈亮起；車尾人工拆卸測試電纜還原至初始狀態，按下“電纜恢復完成”按鈕，程序系統還原至狀態0。當系統處于狀態1－狀態3 時，駕駛室手持終端可以發出取消測試信號，如確認進入取消狀態，程序系統還原至狀態0。

圖10 系統軟件設計流程圖

4 系統測試及分析

系統設計完成，分別對各模塊功能進行調試試驗，各模塊功能正常進行整機聯調測試，試驗結果表明系統運行穩定，能夠滿足實際檢測需求。

溫度測試將溫度傳感器置于恒溫箱中測量不同溫度數值，將測得的結果與設定結果進行比較。傳感器測得的數據及誤差分析結果如圖11 所示，從圖中可以看出系統在不同溫度下工作正常，溫度測量精度較高，平均相對誤差在2%以內，同時設定溫度上限值50℃，當溫度超出上限時，顯示屏溫度值變紅報警顯示。

圖11 系統測量溫度數據及誤差分析圖

高度測試如圖12 定點定距完成測試環境搭建，系統設定測試閾值1590mm ～1670mm，實驗測試結果及誤差如圖13 所示，從測試結果可以看出，系統高度測試工作正常，傳感器測試精度較高，誤差相對較低，且在設定閾值范圍內，報警功能正常。

圖12 系統高度測試示意圖

圖13 系統測量高度測試結果及誤差分析圖

圖14 系統顯示屏信號測試顯示圖

信號開關通路測試應用測試開關按鈕模擬信號狀態，當1_2 點模擬開關按下時，顯示屏顯示兩點線路接通，當3_4點模擬開關按下時，顯示屏顯示兩點線路接通，經過多次測試顯示，系統通路測試功能正常。

5 結語

本文設計的車輛狀態參數自動檢測系統，通過STM32F103 單片機及PT100 溫度采集模塊、激光測距模塊等，實現了對車輛油箱溫度、左右橫梁高度以及車尾特定信號狀態的自動檢測，系統測量通過LCD 串口智能屏實時顯示信息狀態參量。經過實驗測試以及實際應用，各模塊測量、通信正常，狀態信息獲取快速準確，報警功能運行有效，極大提高了車輛檢測工作效率。后期將采取無線通信方式，提高系統便捷性。