基于STM32的汽車電子設備電氣負荷測試系統的設計

汪洋+武明虎

摘 要： 汽車上電氣系統環境異常復雜，電子設備的性能好壞關系到汽車駕駛的安全，出廠前必須經過嚴格的測試。通過研究ISO16750?2標準及各大生產商的要求，為各種汽車電子設備的測試工作設計了一套電氣負荷測試系統，設計的系統以STM32為主控制器，集成DDS模塊，可以提供過電壓、疊加交流電壓、電壓緩升緩降、啟動特性以及反向電壓等測試項目。系統具有測試類項目多、精度高、抗干擾能力強和拓展方便等特點。

關鍵詞： STM32； ISO16750?2； DDS； 電氣負荷

中圖分類號： TN02?34； U467.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）17?0144?06

Design of STM32?based electrical load test system of automobile electronic equipment

WANG Yang， WU Minghu

（Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： The environment of automobile electrical system is extremely complex， and the performance of automobile electronic equipments relates to the driving safety of motorists. Therefore， the electronic equipments must be rigorously tested before leaving their factories. By studying ISO16750?2 standard and requirements of the major manufacturers， an electrical load test system was designed for a variety of automobile electronic equipments′ testing. The designed system integrated with DDS module and taken STM32 as its main controller can provide several test items such as overvoltage， alternating voltage superimposition， slow descent and boost voltage， starting voltage， and reverse voltage. This system has features of multi?project test， high precision， strong anti?interference capability and convenient expansion.

Keywords： STM32； ISO16750?2； DDS； electrical load

0 引 言

汽車工業的快速發展帶動了與之相關眾多行業的發展，隨著汽車電子的發展，汽車上的電氣化和信息化程度越來越高，汽車上的電子設備也越來越多，汽車上的電子設備供電系統由發電機和蓄電池構成，由于各個設備自身固有的特性，設備在工作時會影響供電系統中其他電子設備的供電質量，如線路上電壓變化，電子設備的故障問題都會影響其他汽車電子設備的正常供電，輕則導致設備工作不正常，重則會出現安全問題。

如何考查汽車電子設備在正常條件或可預見的非正常條件下的工作能力，汽車行業和世界各大汽車生產商對此制定了嚴格的標準，國際標準ISO16750?2中對汽車電子設備的各種非正常條件規定了嚴酷等級，我國發布的GB/T 28046.2也對此做了詳細的要求。本文在認真研究ISO16750?2標準和調研多個汽車電子設備生產商的實際需求后，設計了一套電子設備電氣負荷測試系統。本測試系統是依據ISO16750?2標準設計的，并兼容GB/T 28046.2標準，可以提供過電壓測試、疊加交流電壓、供應電壓緩升緩降測試、電壓中斷測試、啟動特性測試以及反向電壓測試等十余項測試項目，這些測試項目都是讓電子設備工作在可預見的非正常條件下，測試電子設備的功能是否正常，區分其嚴酷等級。

1 ISO16750?2標準分析

本測試系統在認真研究ISO16750?2標準后[1]，根據標準中的每一項測試標準，在詳細分析要求后，提出相應的設計方案，最后對所有的設計方案綜合考慮，設計出本測試系統。在介紹本系統的設計方案之前，需要簡要介紹ISO16750?2標準的內容，并認真剖析其中的難點和關鍵點。下面將對ISO16750?2標準中典型的12 V/24 V系統的電氣負載測試實驗進行詳細分析，隨后介紹本文提出的設計方案。

最新發布的《道路車輛電氣及電子設備的環境條件和試驗第2部分：電氣負荷》即ISO16750?2標準中描述了安裝在車輛上電子設備可能遇到的電氣環境，并且規定了試驗和要求，主要的測試項目分為直流供電電壓測試、過電壓測試、疊加交流電壓測試、供電電壓緩升緩降測試、電壓中斷測試、啟動特性測試和反向電壓測試等。

1.1 直流供電電壓測試

直流供電測試是簡單的測試項目，該測試項的目的是檢驗測試設備在最高和最低供電電壓范圍內的功能，測試過程是調節待測電子設備的工作電壓在最大值和最小值之間變化時，測試電子設備的功能是否正常，標準中沒有說明電壓的變化規律，實際測試中可以在給定的范圍內按梯度選定電壓值，分別測試該供電電壓下的電子設備功能是否正常，表1給出了12 V/24 V系統的測試電壓最小值和最大值。endprint

1.2 過電壓測試

過電壓測試項目分為指定溫度下測試和常溫下測試。在指定溫度下的測試是為了模擬發電機調節器失效引起的發電機輸出電壓上升到高于正常電壓，電子設備的承受能力，測試過程是對于12 V系統，向待測電子設備電源輸入端輸入18 V的電壓，并持續（60±0.1） min；對于24 V系統，則輸入36 V，持續（60±0.1） min，隨后恢復正常供電測試其功能是否正常。在室溫下的測試是為了模擬輔助啟動過程，測試過程是向12 V系統的待測電子設備電源輸入端輸入24 V的電壓，并持續（60±0.1） min，同樣也是隨后恢復正常供電，測試其功能是否正常；對于24 V的電子設備，標準上沒有要求。

1.3 疊加交流電壓測試

在汽車正常運行時，蓄電池和發電機是并聯的，它們同時向汽車上各種電子設備供電，在該過程中發電機的主要作用在于向蓄電池充電，其輸出帶有交流紋波分量，并且大功率的音頻設備在工作時也會給并聯的設備帶來交流電壓分量，這些疊加的電壓波形在大多數情況下為正弦波，疊加交流電壓試驗是模擬待測電子設備在該供電環境下對供電電路中的紋波電壓的承受能力。ISO16750?2中疊加交流測試的主要參數如表2所示。

測試過程是直流供電電壓中的疊加正弦交流電壓信號，如圖1所示，正弦信號的幅值按表2中的不同嚴酷等級選擇不同的幅值，正弦電壓信號的頻率從50 Hz線性增加到20 kHz，然后線性減小到50 Hz，持續時間為120 s，如圖2所示，此過程為一個周期，持續5個周期，在此過程中測試待測電子設備的功能，區分出嚴酷等級。

1.4 供電電壓的緩降和緩升測試

本項目的測試目的是模擬蓄電池逐漸放電和充電過程。測試過程是將待測電子設備的供電電壓以（0.5±0.1） V/min速率由降到0 V，然后從0 V升到如圖3所示，同時測試待測電子設備的功能，區分其嚴酷等級。

1.5 供電電壓中斷測試

供電電壓中斷測試分為兩個子項目，每個子項目的測試目的不同。

1.5.1 供電電壓的瞬間下降

本測試子項目是模擬汽車正常供電系統中某個常規熔斷器元件熔化時對該待測電子設備造成的影響。測試過程將試驗脈沖（見圖4和圖5）同時加到待測電子設備的電源輸入端，上升和下降時間≤10 ms。

1.5.2 電壓驟降的復位性能

本測試子項目是檢驗對不同的電壓驟降時待測電子設備的復位性能，適用于具有復位功能的設備（例如，裝有一個或多個微控制器的設備）。測試過程按圖6在待測電子設備的電源端施加試驗電壓脈沖，檢查待測電子設備的復位性能。供電電壓以5%的速率從降到0.95保持5 s，再上升到至少保持10 s并進行功能試驗。然后將電壓降至0.9保持5 s再上升到如此反復。按圖6所示，以的5%梯度繼續進行直到降到0 V，然后再將電壓升到在不同的電壓供電時間段內測試待測電子設備的性能，區分其嚴酷等級。

1.6 啟動特性測試

本測試項目是模擬汽車在啟動時電子設備在該供電環境下的性能。在一般情況下，汽車啟動過程是由蓄電池向啟動電機供電，啟動電機發動汽車引擎，由于啟動電機具有時間短、電流大和發動機機件阻力較大的特點，加上蓄電池的物理特性，會造成供電電壓在很短的時間內明顯下降，啟動過程中，汽車供電系統中電壓變化較復雜，電壓變化的波形如圖7所示，各個參數值如表3所示[2]。

1.7 反向電壓測試

測試目的是檢測當使用輔助起動裝置時待測電子設備對蓄電池反向連接的抵御能力，測試過程時選擇適合的反向電壓施加到待測電子設備電源端子上，持續一段時間，恢復正常供電，測試待測電子設備的性能。

2 系統方案實現

在分析ISO16750?2標準的各項測試要求和參數后，根據測試項目的內容設計本電氣負荷測試系統。本系統的工作流程是主控制器接收到上位機的控制指令，通過控制內部器件，最終在輸出端輸出幾種測試項目中要求的幾種電壓。系統主要由主控制器、程控電源、DDS模塊、功率放大模塊和繼電器模塊組成，本文設計的測試系統配合相對應的上位機軟件和信號采集裝置即可完成對汽車電子設備的電氣負荷測試，圖8是系統的框圖，其中虛線框是本文設計的部分，后文將詳細敘述幾個模塊的設計方案。

本測試系統的主控制器采用ST公司的STM32微控制器，STM32系列的微控制器是基于面向微控制器應用Cortex?M3內核的控制。主控制器通過串口連接上位機，接收上位機軟件發送的控制命令，并按照設計的協議對命令進行解析，根據命令控制內部模塊輸出不同的電壓信號。前面分析的ISO16750?2標準可以將所有的電壓信號分為直流、直流疊加交流兩類。本系統由STM32根據指令控制程控電源輸出直流電壓信號，而直流疊加交流電壓信號是由STM32控制DDS模塊輸出正弦交流信號，經功率放大器放大后，經過隔離變壓器與直流疊加后輸出。繼電器模塊是控制輸出電壓信號的類型，由主控制器根據指令控制繼電器的關斷和導通，從而可以輸出各種要求的電壓，下面將重點介紹主要模塊的設計方案。

2.1 DDS模塊設計

直接數字合成技術（DDS）是近年來隨著數字集成電路和計算機的發展而迅速發展起來的一種新的頻率合成技術[3?4]，由相位累加器、波形存儲器、DAC和低通濾波器組成，工作原理是預先將波形數據存儲在波形存儲器中，在頻率控制字的控制下，通過相位累加器從存儲器中讀出波形數據，經過DAC轉換器和低通濾波器輸出最終的波形信號，DDS合成的信號具有高精度頻率和相位分辨率、結構簡單、集成度高等優點，DDS原理圖如圖9所示。

DDS模塊采用AD9854芯片作為頻率發生器，AD9854是ADI公司生產的DDS芯片，內部集成了300 MHz的時鐘源，48 b頻率累加器，48 b相位累加器，正余弦波形表，高速高性能D/A轉換器以及調制和控制電路，可以產生一個頻譜較純，幅相頻均可編程的正弦信號，借助于48位的相位累加器和最高300 MHz的工作頻率，其輸出波形頻率的最小分辨率可以達到0.001 Hz。該芯片有單頻信號產生、二進制 FSK調制、二進制FSK調制、CHIRP信號產生、BPSK 信號調制等五種基本工作模式。endprint

AD9854的控制端口與STM32的GPIO控制端口相連接，由STM32輸出控制字，控制AD9854輸出50 Hz～20 kHz正弦波，正弦波的頻率和幅值都可以由STM32的控制字直接控制，DDS模塊的部分電路圖如圖10所示。

2.2 功率放大模塊

由于DDS模塊最終輸出的正弦波的幅值小，功率不足以驅動待測電子設備，所以需要對輸出的正弦信號進行功率放大。疊加交流測試中要求疊加的正弦交流信號的頻率變化范圍為50 Hz～20 kHz，因此設計的功率放大模塊的頻率動態范圍也必須在這個區間內，才能滿足功率放大模塊的要求[5]。本系統設計的功率放大模塊采用二級放大，高壓大功率輸出設計，輸出功率為100 W以上，以滿足絕大多數的汽車電子設備功率需求，帶載能力強，在輸出前加隔離變壓器后，輸出的正弦波形幾乎不受待測電子設備的影響。功率放大模塊采用三極管對管2N5551，2N5401作為輸入級放大；電壓放大級使用兩對音頻信號管MPSA42，MPSA92并聯放大，作用是增加這一級的電流輸出能力和保持較好的線性度；高耐壓大功率的音頻對管MJE15034，MJE15035作為二級放大，輸出級采用東芝的功率管TTA1943，TTC5200作為輸出放大。最后輸出的功率滿足設計要求，功率放大模塊的結構框圖如圖11所示。

2.3 程控電源

本測試系統采用艾德克斯公司生產的高精度程控電源IT6333A作為直流電壓源，IT6333A可以提供三路全隔離電源輸出，其中CH1和CH2可以輸出0～60 V/3 A，CH3可以輸出0～5 V/3 A的電壓，具有低噪音，每路1 mV/1 mA的高分辨率和精度，內置USB/RS 232 通信接口方便以編程方式輸出電壓值。本系統通過STM32的串口可以很方便地控制程控電源輸出需要的直流電壓值。

2.4 繼電器模塊

本文分析的所有測試項目需要直流和直流疊加交流兩種信號類型，其中直流電壓是由程控電源提供，交流電壓是由DDS產生的正弦波經功率放大模塊后提供，繼電器模塊可以控制輸出類型。系統選用HF115繼電器和TPIC6B595作為繼電器驅動芯片，TI公司的DMOS器件TPIC6B595除具備TTL和CMOS器件移位寄存器74HC595的邏輯功能外，其最大的特點是驅動功率大，主控制器STM32通過與TPIC6B595相連的GPIO信號線控制其輸出高低電平，從而控制繼電器導通或者關閉，通過不同的繼電器關閉和導通相組合，可以很方便地控制輸出電壓信號的類型，其繼電器的結構圖如圖12所示，繼電器控制模塊的電路圖如圖13所示。

3 軟件設計

本文設計的汽車電子設備電氣負荷測試系統，其功能是主控制通過串口連接上位機，接收上位機發送的指令，根據通信協議控制程控電源、DDS模塊和繼電器模塊組合產生不同類型的電壓輸出信號，待檢測的汽車電子設備在此供電條件下測試其功能是否正常，從而檢測其嚴酷等級是否達標。

圖12 繼電器模塊結構圖

圖13 繼電器模塊控制電路圖

3.1 通信協議的設計

通信協議是上位機和模塊通信時必須遵循的一種規則和約定。通信協議定義了數據單元使用的格式和信息單元的含義、連接方式等，本文設計的系統中，上位機與主控制器之間的通信主要依靠控制指令。

3.2 STM32程序設計

對于不同的應用場合，任務復雜性不一樣，程序設計的思路也不一樣。對于單一任務，STM32可以實現很高的實時性，程序編寫也相對較簡單，而對于多任務場合，為了實現較高的實時性，以及使程序編寫更容易理解，可以采用實時操作系統。對于STM32控制器，可以移植μCOS?Ⅱ系統，μCOS?Ⅱ是一個基于搶占式的實時多任務內核，可固化、可剪裁的系統，具有高穩定性和可靠性，除此以外，μCOS?Ⅱ的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護。本文不論述如何移植，只給出程序的主函數。下面的代碼是程序的入口，主函數中包括初始化外設和初始化μCOS系統以及運行任務。

void main（void）

{

Init_Drive（）； //初始化外設

while（1）

{

OSInit（）； //初始化μCos系統

OSTaskCreate（Start_Task， （void *）0，&Start_Task_Stk[START_TASK_STK_SIZE?1]，

TART_TASK_PRIO）； //創建開始任務

OSStart（）； //開始運行任務

}

}

4 結 語

本文設計的汽車電子設備電氣負荷測試系統采用的STM32微控制器在性能和開發效率上都表現不錯，DDS模塊在STM32的控制下可以輸出各種參數都滿足要求的正弦波，而直流源直接采用市場上成熟的產品IT6333A作為其中的模塊，采用此種方案既有良好的效果又能提高開發效率。本文設計的系統可以配合不同的上位機軟件使用，可完成不同的汽車電子設備的電氣負荷測試工作，只需要上位機遵循已經設計好的通信協議，這樣便可大大提高本系統的適用性，降低成本。與目前國內同等的檢測設備相比較，本系統在功能、可靠性、成本等方面都有優勢。本文設計的電氣負荷測試系統在東風汽車公司已經投入使用，根據情況來看完全滿足設計要求，具有較好的實用價值。汽車上的電子設備越來越多，電子設備的檢測也是亟待解決的問題，本系統正是在這種需求下設計的，可以預測此電氣負荷測試系統具有很好的市場經濟效益和應用前景。

參考文獻

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