基于壓控恒流源檢測方式的汽車線束檢測系統

劉麗偉, 王艷梅*, 劉愛軍

(1.長春工業大學 計算機科學與工程學院, 吉林 長春 130102;2.長春振宇機電成套有限公司, 吉林 長春 133000)

0 引 言

近年來,國家經濟發展迅速,人民物質生活水平提高,汽車成為家庭消費的重要選擇。隨著人們對生活舒適度的要求越來越高[1],汽車在各方面的性能不斷更新,汽車上的電器部件隨之增加,汽車線束也越來越復雜。車輛的可靠性是衡量車輛性能的重要指標,而線束的可靠性是其重要的組成部分[2],確保它在制造過程中不發生故障是一個非常重要的研究課題[3]。

目前國內的線束檢測與診斷技術正在逐步發展,存在線束導通信息設定單一、檢測正確率低等問題。周樹艷等[4]研究了線束的快速檢測,檢測系統與被測線束相連,若無故障,則相應回路中的發光二極管被點亮,采樣電路輸出脈沖由高電平變為低電平,單片機根據采集到的脈沖信號,計算被點亮的發光二極管數量,在數碼管上進行顯示。許雪軍等[5]設計了無地線線束檢測儀,在發射端對應的電路施加電壓,接收端有輸出,則認為導通,同時使用 CRC 校驗確保數據的正確性。張婉茹等[6]設計了基于STM32的汽車線束故障診斷系統, STM32將高低電平施加至MOS 管的柵極中,被檢測線束連接至輸出點OUT,通過采集到檢測點OUT 的電壓判斷線束的導通。

本設計針對目前國內檢測方法存在的問題,設計了一套基于壓控恒流源檢測方式的汽車線束檢測系統,提出一種新的線束導通檢測方法。

1 汽車線束故障類型和傳統檢測系統

1.1 線束故障類型

線束生產加工的過程中,常見的故障主要包括:斷路(開路)、錯路和短路。斷路(開路)是指線路斷開,在輸出端接收不到輸入端的信號;錯路故障通常都成對出現,雖然在輸出端會有輸入端信號的響應,但是成對出現的輸入輸出端連接并不正確;短路故障則會出現多對連通導線。標準正確線束則是輸入輸出一致[7],無錯路、短路。

標準線束模型及三種故障模型如圖1所示。

圖1 線束模型

對于大型線束,由于連接關系復雜,線束中的特殊元器件數量增多,線束導通信息的設定變得非常復雜,對線束的檢測不再僅僅是短路、斷路和錯路的故障檢測,更要對存在于導線中的元器件進行檢測,確保線束中的元器件安裝正確,例如電阻、電容是否安裝,阻值、容量是否正確,二極管是否正確接入。

1.2 傳統檢測系統

目前國內線束檢測設備對小規模線束的斷路、錯路和短路故障都能有效進行檢測。傳統汽車線束檢測的主要方法是:依次選擇一個端點施加一定的電壓,讀取剩余端點的電平進行通斷判斷和故障定位[8]。實際應用表明,雖然使用該方法可以較好地滿足檢測需求,但仍舊有很大的弊端。倘若導線接觸不良,接觸電阻過大時,也可能被識別為導通,這使得檢測準確率下降。而且傳統的線束檢測設備對線束中的電阻、電容、二極管等元器件的檢測存在很大問題,尤其是對電阻、電容檢測的精準度。

因此,本設計主要對線束檢測方法和線束中存在的電阻、電容等元器件的檢測進行完善。

2 汽車線束檢測系統的設計思路

汽車線束檢測系統最主要是滿足國內線束生產廠家對檢測系統的需求。首先在線束檢測系統工作之前對硬件設備進行自檢,確保硬件設備的完好性;其次確保系統能滿足不同汽車線束的檢測需求,經過調研和分析,該檢測系統主要實現的功能有以下幾方面:

1)所開發設備能夠對三種故障進行準確檢測,當多種故障同時出現時,也能夠對故障進行準確分析;

2)能夠對線束中存在的電阻、電容、二極管等特殊元器件進行測量[9],確保這些元器件的正確接入;

3)能夠實現用觸摸屏對系統操控,并實時地將線束的檢測結果和錯誤線束的故障信息顯示在上機位觸摸屏,以便返修時工人能快速地解決問題, 同時能夠打印線束信息等廠家需要信息的實時報表;

4)具有自學習功能,可以對標準線束的連通進行自主學習,通過輸入特殊元器件的信息(如電阻的阻值)對線束中的元器件進行學習,根據學習信息進行線束檢測,同時具備學習多種類型線束信息的能力。

3 汽車線束檢測系統的設計

3.1 硬件設計

硬件電路MCU 采用STM32F407ZGT6,它是ARM核心,擁有豐富的片內資源,可以完成線束檢測所需的功能。同時使用16 M字節,128 Mb容量的W25Q128芯片存儲不同類別的線束類型信息,以便進行檢測時的信息調用。

硬件電路包括以下四部分:

1)電源電路負責給整個系統提供所需的電壓;

2)MCU 及其外圍電路包括時鐘電路、復位電路、串口通信電路、USB電路、Flash存儲器、按鍵和控制輸出接口電路、LCD屏幕接口電路等;

3)線束檢測電路對線束進行通斷檢測,對線束內的電阻、電容、二極管進行測量。線束檢測部分電路包含壓控恒流源電路、模擬開關電路、地址譯碼器電路、電容測量電路以及控制電路等;

4)狀態指示燈驅動電路使用LED作為指示燈,用來指示檢測電路的工作狀態、故障狀態等。

硬件總體框圖如圖2所示。

圖2 硬件總體框圖

3.2 檢測電路

硬件中最核心的部分是檢測電路,要確保檢測部分能在MCU的控制下完成線束的通斷,錯接檢測以及對線束內的電阻、電容、二極管的檢測。線束檢測部分的電路包含壓控恒流源電路[10]、模擬開關電路、地址譯碼器電路、電容測量電路以及控制電路等。

基于傳統的電平檢測方法對線束導通檢測的誤判考慮,本系統設計了壓控恒流源電路來進行導線檢測,采用電流源流過被測導線,通過A/D轉換來檢測導線兩端電壓,如果電壓超過限定值(事先測量出給定電流值時,標準導線導通時的電壓最大值,并留出少許余量,定該值為限定值),就認為不合格(STM32F407ZGT6的A/D轉換時間低至0.5 μs,可以較高的精度快速完成檢測)。同時測量電阻、電容和二極管也使用恒流源電路實現。檢測電阻時給定電流,讓電流流過被測電阻,經過A/D轉換測得電壓,計算出電阻值。檢測二極管時,使其正向流過電流,正向的導通壓降在正常范圍,反向流過電流,因二極管反向截止,電流無法流過,故反向壓降超出測量范圍(大于3 V),就認為二極管安裝正確。電容的測量采用恒流源給電容充電,通過計數器測量充電時間,從而確定電容的大小。

3.2.1 壓控恒流源電路設計

恒流源電路如圖3所示。

圖3 恒流源電路

恒流源輸出的電流值根據被測電阻和電容的范圍來確定。MCU 的A/D轉換電壓基準源選擇3 V,即A/D轉換的輸入滿量程電壓為3 V,電流源的大小設置要使其流過電阻產生的電壓不超過3 V,而且在測量范圍內,電流值要稍大一些。例如檢測的電阻范圍為50 Ω～200 kΩ,當被測電阻為200 kΩ時,恒流源的最大電流Iom=3 V/200 kΩ=0.015 mA。這個電流值要留出余量,故取0.014 mA。可以測量的電阻最大值Rmax=3 V/0.014 mA=214.29 kΩ。

電阻測量分3個范圍:

1)50 Ω～2 kΩ,測量電流為1.2 mA;

2)2～20 kΩ,測量電流為0.14 mA;

3)20～200 kΩ,測量電流為0.014 mA。

恒流源的電流經過Q1的漏極輸出,流經被測電路,再通過控制開關流入GND。電流源輸出的電流由D/A輸出的電壓來控制。在該系統中,MCU的PA4,PA5腳是D/A輸出引腳,用PA5輸出電壓控制恒流源的輸出電流。PA5的輸出電壓UD/A與輸出電流Io的關系為

其中,Io單位為mA,UD/A單位為V。

恒流源的輸出使能由三極管Q3控制,當Q3截止時,電流流經被測線束進行測量,當Q3導通時,電流通過Q3流入GND。 Q3的導通或者截止,通過STM32F407ZGT6的PB11引腳控制。

3.2.2 模擬開關電路設計

由于要檢測的線束端點較多(以1 024個檢測點為例),若每個端點都接一路恒流源,并且連接到A/D的輸入端,這就使得檢測系統復雜化,不利于實際應用。因此為簡化系統,選用模擬開關,把需要檢測的端點切換到恒流源和A/D檢測輸入端。由于檢測的端點較多,故使用8選1結構的74HC4051D。該模擬開關能通過模擬信號和數字信號實現信號雙向傳輸,并且具有較低的導通內阻。采用兩個芯片為一組的電路結構,一個芯片作為發送端,另一個作為接收端,兩個芯片組成8個檢測端點,這8個端點既可以作為發送端,又可以作為接收端。當檢測點同時作為發送端和接收端時,該電路結構可實現電路的自檢。

模擬開關電路如圖4所示。

圖4 模擬開關電路

要組成1 024點的檢測電路,就需要256片74HC4051D,系統采用插卡式結構,分成8塊檢測卡,每塊卡檢測128點,即每塊卡32片74HC4051D。發送端的公共點連接到一起,接收端的公共點連接到一起,分別接到恒流源輸出端和MCU的A/D檢測輸入端。每個檢測點都有保護電路,防止因為靜電而燒壞74HC4051D。保護電路由100 Ω電阻和鉗位二極管BAV99W組成。保護電路如圖5所示。

圖5 保護電路

3.2.3 測試通道切換電路

測試通道切換電路的基本結構如圖6所示。

圖6 測試通道切換電路

其中導線、電阻、電容和二極管等都在同一位置檢測,即圖中待測電阻RX的位置。

該電路用上下兩片74HC4051D芯片組成8個檢測點,兩片74HC4051D的X0～X7分別連接到一起,再通過一個100 Ω電阻連接到檢測點。上方兩片74HC4051D的X端接在一起,構成發送端的公共端,使用發送端地址選通,下方兩片74HC4051D的X端接在一起,構成接收端的公共端,使用接收端地址選通。以測量電阻為例,需測量4次才可以精確計算出RX的阻值。具體步驟為:待測電阻RX兩個端點的地址分別為A和B(上端點為A,下端點為B),連接電阻兩端的4個74HC4051D的導通電阻從左至右,從上至下分別標記為Ra,Rb,Rc和Rd。

第一次測量:發送端和接收端地址都為A,測量電阻R1=Ra+Rc;

第二次測量:發送端和接收端地址都為B,測量電阻R2=Rb+Rd;

第三次測量:發送端地址為A,接收端地址為B,測量電阻R3=Ra+Rd+200 Ω+RX;

第四次測量:發送端地址為B,接收端地址為A,測量電阻R4=Rb+Rc+200 Ω+RX。

通過4次測量,可以計算出電阻

RX=0.5(R3+R4-R1-R2)-200 Ω,

該測量計算方法有效地消除了模擬開關導通電阻的影響。所以測量電阻的誤差主要來源于檢測點上100 Ω的電阻,該電阻選用1%誤差的電阻,使測量電阻的理論誤差不大于2 Ω。考慮上述實際情況可能出現的其他誤差,實際測量誤差小于5%(測量范圍50 Ω≤RX≤200 kΩ)。

3.2.4 電容測量電路設計

電容的測量方法是通過恒流源給電容充電,計數器測量充電時長,當電容兩端電壓達到設定電壓時,比較器控制計數器停止計數,根據電容容量與充電時長成正比,計算出電容容量。計數器的啟動和停止都由比較器控制。

電容的檢測范圍為1 nF～1 000 μF,檢測范圍較大,因此把測量范圍分成兩段:1 nF～1 μF和1～1 000 μF。

由圖6可以看出,恒流源輸出的電流共流經兩個模擬開關和兩個100 Ω的保護電阻,模擬開關導通電阻最大為150 Ω(根據數據手冊得知74HC4051D最大內阻,留出余量)。故檢測通道的最大總電阻為

100+100+150+150=500 Ω。

控制計數器開始計數比較器的閾值電壓設定為1 V,故檢測通道的最大壓降不能大于1 V,所以檢測電容的恒流源輸出的最大電流Imax≤2 mA。測量1～1 000 μF較大范圍的電容時,為了縮短測量時間,使用2 mA的電流,測量1 nF～1 μF的小電容時,使用小一些的電流值,這里采用0.3 mA的電流。

采用不同的時鐘頻率測量兩個范圍的電容,時鐘源和計數器都在MCU內部,1 nF～1 μF選擇2 MHz時鐘計數;1～1 000 μF選擇1 MHz時鐘計數,并對其進行8分頻產生125 kHz時鐘,對125 kHz時鐘進行計數。不同頻率的時鐘經過控制電路輸入到MCU的PA0引腳,該引腳可對外部時鐘進行計數。計數器啟動、停止,控制電路如圖7所示。

圖7 控制電路

Ucx是電容電壓(連接到恒流源輸出),送入比較器U9B(控制計數器開始計數)和U9A(控制計數器停止計數),當電容電壓Ucx達到1 V時,U9B輸出低電平,此時時鐘經過U10A和U10B送入MCU的PA0引腳,控制計數器開始計數。U7是二選一模擬開關,用來選擇比較器U9A的閾值電壓(被測電容在1 nF～1 μF,選擇2.5 V電壓,選取較大的閾值,使計數時間加長,方便測量。被測電容在1～1 000 μF,選擇1.2 V電壓)。當電容兩端達到比較器U9A的閾值電壓時,U9A輸出高電平,U10B的輸出變為高電平,計數器停止計數。MCU的PB1檢測到高電平時,讀取計數器的值,就可以計算出電容值。

被測電容

式中:I----恒流源電流;

T----時鐘周期;

N----計數值;

Ut----兩個比較器U9A和U9B的閾值之差。

當電容范圍為1 nF～1 μF 時,電容值與計數值N之間的關系為

其中,Cx單位是nF。

當電容范圍為1～1 000 μF時,

其中,Cx單位是μF。

3.3 軟件設計

系統軟件分為以下兩部分:

1)觸摸屏上用戶端的界面操作設計,一切操作指令都由操作者通過觸摸屏向MCU下發,同時觸摸屏將接收到的系統反饋信息在屏幕上顯示;

2)MCU中的測試程序,即程序代碼,對從觸摸屏傳來的指令進行分析處理,例如存儲數據、學習線束、檢測線束和顯示錯誤線束信息、打印信息等。

為使測試程序方便移植,程序代碼使用C語言編寫,開發環境采用Keil5,便于調試。觸摸屏使用北京迪文科技有限公司的迪文智能屏,界面開發軟件采用DWIN_DGUS[11],對屏幕背景界面上的按鍵、顯示框、輸入框等進行設計,以實現觸摸屏的所有指令發送和接收顯示。界面背景圖片使用CorelDRAW軟件進行設計和繪制。需要繪制出線束檢測、自學習信息輸入和用于信息顯示的所有界面,實現觸摸屏和硬件電路之間的信息通信,同時使用人性化的操作界面,使操作直觀容易,提高線束檢測效率。

4 結 語

設計了基于壓控恒流源檢測方式的汽車線束檢測系統,采用壓控恒流源電路對汽車線束進行導通檢測,同時實現對導線中存在的元器件的精確測量,保證實際測量誤差小于5%。解決了傳統線束檢測采用電平檢測存在的誤判問題,提高了檢測精確度,同時對傳統線束檢測中電阻、電容等元器件無法精確檢測的問題進行了完善。